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三跨变截面波形钢腹板连续梁桥挠度及动力特性分析

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摘要

1 绪论

1.1 波形钢腹板组合箱梁概述

1.1.1 波形钢腹板组合箱梁的发展与应用

1.1.2 波形钢腹板组合箱梁的构造形式及技术特点

1.2 波形钢腹板组合箱梁的研究现状

1.2.1 抗弯性能研究

1.2.2 抗剪性能研究

1.2.3 抗扭性能研究

1.2.4 箱梁挠度计算方法的研究

1.3 本文研究的主要内容与目的

2 利用变分解法推导波形钢腹板三跨变截面连续梁挠度计算公式

2.1 变分解法的基本假定

2.2 基本变分方程的推导

2.3 考虑剪力滞效应后不同受载情况下简支箱梁挠度计算公式

2.3.1 承受集中荷载作用时简支梁挠度计算

2.3.2 承受均布荷载作用时简支梁挠度计算

2.4 利用变分解法推导波形钢腹板三跨变截面连续梁挠度计算公式

2.4.1 波形钢腹板剪切模量修正公式

2.4.2 基本假定

2.4.3 基于变分原理的挠度计算方程推导

2.5 承受均布荷载作用时波形钢腹板简支梁挠度计算

2.6 变截面连续梁的近似处理方法

2.6.1 当量值的提出

2.6.2 变截面连续箱梁当量法计算步骤

2.7 本章小结

3 波形钢腹板三跨变截面连续梁桥的有限元精细化建模及分析

3.1 桥梁概况

3.1.1 典型截面选取

3.1.2 波形钢腹板构造

3.2 桥梁有限元模型的建立

3.2.1 单元选择

3.2.2 模型建立过程中简化

3.3 波形钢腹板三跨变截面连续梁桥算例

3.4 本章小结

4 波形钢腹板三跨变截面连续梁桥动力特性分析

4.1 运动方程

4.1.1 局部坐标系下波形钢腹板单元的运动方程

4.1.2 整体坐标系下波形钢腹板单元的运动方程

4.1.3 系统运动方程

4.2 自振特性分析

4.3 算例

4.3.1 波形钢腹板连续梁与普通腹板连续梁对比分析

4.3.2 自振频率及振型分析

4.3.3 横隔板对波形钢腹板箱梁自振频率的影响分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果

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摘要

波形钢腹板箱梁桥作为一种新型钢混组合结构在国内外使用频率越来越高。其拥有很多优点,诸如结构自重低、预应力施加效率高、施工简便、跨越能力突出以及造型美观等。从20世纪80年代这种结构首先在法国出现以后,很快便得以在日本德国等国家得到推广,相应的研究也逐步深入。近年来,国内也出现大量的该类型箱梁桥。随着桥梁结构愈加复杂化,所需研究内容也大大增加。
  本文以国内一座大跨度变截面波形钢腹板连续梁桥为依托进行了一些研究。主要内容是在考虑剪切变形及剪力滞效应的共同作用下,对波形钢腹板大跨度变截面连续梁挠度计算方法的探讨。研究的过程主要运用到能量变分法对其挠度计算公式进行了推导,并对波形钢腹板截面惯性距的计算方法进行了简化。同时使用ANSYS软件建立三维有限元模型对该计算方法进行了验证。最终结果表明,该计算方法能较为准确的求解出荷载作用下箱梁各位置处挠度,能为施工设计起到指导作用。
  本文还对波形钢腹板箱梁的动力特性进行了研究,并分别建立梁单元与实体单元模型,对比分析了各自的特点。通过对比实体模型与梁单元模型后我们可以知道,在满足工程精度要求的前提下,计算箱梁自振特性时可以用工程师熟练掌握的梁单元建立模型而不必用建立复杂的实体模型,梁单元模型同样能够达到较为精确的结果。此外,还建立了跨径布置相同的普通腹板箱梁。对两者的自重、墩项和跨中弯矩、截面特性以及动力特性进行了对比分析。结果表明普通混凝土箱梁相比波形钢腹板梁体自重减轻了约20%,跨中最大正弯矩降低11.7%,墩顶最大负弯矩降低20.7%,这有利于提高结构经济性。两者的纵横向抗弯刚度相差都不是很大,但是抗扭刚度降低较多,需要特别注意。并研究跨中横隔板对于抗扭刚度的影响,得出其虽然能够提高结构抗扭性能但是提高幅度有限的结论。在对自振频率进行研究后发现,波形钢腹板箱梁扭转频率主要发生在高阶,高于结构主频,可认为其仍旧具有较高抗扭刚度。

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