自锚式悬索-斜拉桥钢箱梁稳定理论及模型试验研究

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【关键词】 自锚式悬索斜拉桥  正交异性板  稳定性  模型试验  横隔板  初始几何缺陷  偏心距  弹性约束 

【出版日期】2018-06-25

【摘要】常洪大桥主桥采用自锚式悬索-斜拉协作体系,该桥主缆的矢跨比小、斜拉索水平角度小,主桥钢箱梁在全桥范围内均承受很大的轴向压力,导致钢箱梁稳定问题较为突出。本文针对钢箱梁的稳定问题,开展了钢箱梁节段的稳定模型试验与足尺加劲板件模型试验,在试验分析与数值模拟的基础上,提出了U型加劲板的稳定承载力简化计算模型与计算方法,主要内容如下:(1)总结了自锚式斜拉悬索协作体系桥及钢箱梁正交异性板在桥梁工程中的发展历史、应用现状和存在的技术问题,阐述了该桥型钢箱梁节段稳定问题突出的原因。(2)以常洪大桥为工程背景,在全桥有限元稳定分析结果的基础上选取最不利节段,设计制作了缩尺模型,缩尺比为1:4,模型尺寸为10.5×3.2×1.1m,设计了大吨位同步加载系统,开展了钢箱梁节段缩尺模型稳定试验,失稳破坏荷载达21600kN,失稳特征为2号箱室底板局部失稳,由于材料进入塑性,为弹塑性局部失稳。对试验数据进行分析,研究了结构的受力情况,传力规律以及破坏特征。试验方法及试验结果对钢箱梁稳定问题的研究具有较大的参考意义。(3)在钢箱梁节段模型试验的基础上,开展了足尺加劲板稳定试验研究,设计了单肋、双肋和三肋三组板件,分别按板件母板形心加载和按板件几何形心加载,试验采用了数字图像相关(DIC)技术。加劲板在轴压稳定试验中的失稳特征均为端部加劲肋局部失稳,对比分析了母板与加劲肋在偏压和轴压作用下的受力情况。通过DIC技术发现加劲肋局部失稳后,其承担的轴力大部分会在失稳位置处传向母板,进一步加载母板会在此处发生局部失稳。(4)结合上述试验,对U型加劲板及横隔板的受力情况进行深入分析,揭示了钢箱梁节段和加劲板件的破坏机制。在钢箱梁节段中加劲板的受力存在不同程度的偏心,随着偏心距的增加,U肋的抗压贡献逐渐减弱。综合节段模型试验和板件试验结果,分析认为加劲板稳定试验按板件母板形心加载更符合实际情况。考虑材料非线性、初始几何缺陷、残余应力,对加劲板和钢箱梁节段模型极限承载力进行了有限元分析,与试验结果进行了比较,并进一步研究了初始偏心距对加劲板承载力的影响。(5)在此基础上对U型加劲板稳定承载力进行理论分析,提出两个计算模型:以加劲肋间母板为研究对象,将加劲肋简化为弹性约束,基于能量法,推导了非加载边为弹性约束的轴向受压板的临界屈曲荷载计算公式,该临界荷载为加劲板屈曲临界荷载下限;以加劲板形心轴为参考轴,考虑加劲肋与母板共同承压,推导了加劲板等效厚度计算公式,利用等效厚度可得到加劲板屈曲临界荷载上限;采用数值模拟方法对理论公式进行了验证,并开展了相关影响参数分析。

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