基本信息
- 项目名称：
- 波形钢腹板PC组合箱梁的研究与应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 该作品是实验室内完成的第一座波形钢腹板PC连续箱梁桥模型，课题组根据相似理论设计制作了波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁的模型试验梁，并建立ANSYS有限元模型对其动力特性进行了计算和分析。采用DHDAS动态信号测试分析系统对其动力特性进行了实测，分析结果表明，支座横隔板对箱梁动力特性的影响最大，而中横隔板基本不影响箱梁的动力特性。因此在实际中，可以适度减少中横隔板的数量，从而节约桥梁建设成本。
- 详细介绍：
- 波形钢腹板预应力混凝土（PC）组合箱梁模型梁采用细石混凝土，上、下翼缘混凝土标号为C50，钢筋采用Φ10波形钢腹板采用Q345qc制作，波形钢腹板PC组合箱梁的模型设计总长为6000mm，梁高350mm，箱梁顶板全宽13500mm，箱底宽度6500mm，两侧悬臂长度为350mm，波形钢腹板采用Q235钢，弹性模量210GPa，泊松比取为0.3，实测厚度为1.5mm，腹板高度为285mm。横向设两个端横隔板和四个中横隔板。模型梁孔跨布置为：2×3m预应力混凝土连续梁。模型中波形钢腹板与混凝土顶底板之间的连接采用嵌入型（把腹板直接伸入到混凝土顶底板中），波形钢腹板埋入顶底板的深度为3cm。钢腹板与横隔板的连接是将贯通钢筋和横隔板钢筋焊接起来，与顶底板共同受力。体外预应力筋的布置采用集中方式（将钢索锚固到端横隔梁上，以较大间距设置少量的转向块或者通过横隔板达到转向的目的），体外索共2根，直径15.2mm的钢绞线，抗拉强度标准值为1470MPa，抗拉强度设计值为1000MPa。浇筑顶底板混凝土后，采用100t千斤顶两端同时张拉，完成模型的制作。 采用ANSYS有限元分析软件建立有限元模型，波形钢腹板箱梁的顶、底板均为钢筋混凝土结构，采用钢筋混凝土实体单元SOLID45来建模。划分单元时注意到使波形钢腹板每个节点与相应位置的混凝土单元节点重合，这样保证腹板粘接于混凝土中，这是两种材料共同工作的基本前提。腹板采用板壳单元SHELL63来模拟，在建模时注意波形钢腹板的波折线与顶、底板的波折线完全重合，保证腹板与上、下翼板的节点吻合。横隔板厚度相对较厚，用三维实体单元SOLID45模拟。横隔板与上、下翼板的连接采用共节点的方式。预应力筋采用LINK8单元模拟，预应力通过初应变施加，预应力采用表1中损失之后的数值。跨中截面的支座为固定支座，约束模型的纵向、横向与竖向位移，梁端的支座为滑动支座，只约束竖向位移。 为分析验证有限元模型计算结果的可靠性,采用DHDAS动态信号测试分析系统进行振动模态的测量，根据实测数据识别出各阶竖向弯曲振动的模态及振动频率。实测数据结果与有限元分析结果吻合。 为了进一步揭示波形钢腹板混凝土箱梁动力特性的特点，本文提出三种减少横膈板的方案： 1）去掉所有的中横隔板，只考虑支座横隔板的影响；2）去掉所有的支座横隔板，只考虑中横隔板的影响；3）去掉所有的横隔板，即试验梁不考虑横隔板。分析结果显示：支座横隔板对箱梁动力特性的影响较大，而中横隔板基本不影响箱梁的动力特性。因此在实际中，可以适度减少中间横隔板的数量，从而节约桥梁建设成本 。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品是我国实验室内完成的第一座波形钢腹板PC连续箱梁桥模型，以往在实验室内仅做过波形钢腹板简支梁试验研究，其模型制作简单，吊装方便，且体外预应力束的设置简单，多由斜直线加圆弧线段构成，张拉控制也比较容易，而波形钢腹板PC连续箱梁桥模型制作工艺就复杂的多了，尤其在体外预应力筋的设置上，采用了在每个横隔板上设置转向块，使得张拉力的传递均匀而没有突变，梁体的受力与理论模型相近，最大的发挥体外预应力的作用。 波形钢腹板预应力混凝土桥属于钢—混凝土组合结构中的一种，在这种结构中用波形钢腹板取代了通常的预应力混凝土箱梁的混凝土腹板，使箱梁的自重减轻、恒载内力减小，从而减少了下部结构的工程量，降低了工程造价，与同跨度的预应力混凝土桥相比，波形钢腹板预应力组合箱梁桥可节约成本约10%~20%。从结构上看，由于波形钢腹板的褶皱效应，导致弯曲时混凝土顶、底板承受弯矩、波形钢腹板承受剪力，这避免了由于腹板的约束作用所造成的预应力效率降低，能更有效地对混凝土顶底板施加预应力，而且波形钢板作为腹板能有效的解决混凝土腹板箱梁的腹板开裂问题，提高了耐久性。
科学性、先进性
- 目前波形钢腹板箱梁桥的动力学研究主要以简支箱梁为主，对连续箱梁的研究很少。为此, 本文设计制作了波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁的模型试验梁，并建立ANSYS有限元模型对其动力特性进行了计算和分析。为验证理论分析的正确性，采用DHDAS动态信号测试分析系统对其动力特性进行了实测，根据实测数据识别出各阶竖向弯曲振动的模态及振动频率。模型试验梁的有限元分析结果与实测结果的差别较小。因此，实际中采用本文的有限元建模方法可以获得比较高的精度。本文同时还研究了不同位置的横隔板对波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁的动力特性的影响，分析结果表明，支座横隔板对箱梁动力特性的影响最大，而中横隔板基本不影响箱梁的动力特性。因此在实际中，可以适度减少中横隔板的数量，从而节约桥梁建设成本。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片与图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 波形钢腹板预应力混凝土（PC）组合箱梁桥采用波形钢腹板代替箱梁混凝土腹板，大幅度减轻了桥梁上部结构的自重，进而减少下部结构的工程量，降低了造价。从结构上看，波形钢腹板PC组合箱梁充分利用了混凝土抗压，波形钢腹板抗剪屈服强度高的优点。由于波形钢腹板不抵抗作用的轴向力，所以能有效地对混凝土顶、底板施加预应力。波形钢腹板不约束箱梁顶板和底板由于徐变和干燥收缩所产生的变形，避免了由于钢腹板的约束作用所造成的箱梁截面预应力损失，加之又采用了体外预应力索，免除了在混凝土腹板内预埋管道的繁杂工艺。我国山丘区域面积大，特别是西部大开发战略决策的实施，为了顺应“轻质、高强、长效”的要求，必须寻求一种合适的桥梁结构形式，而波形钢腹板箱梁恰恰具有轻型化、装配化、美观和施工方便，并与西部的生态环境相协调，非常适合对桥梁外观要求较高的地区或城市立交，波形钢腹板箱梁在我国将有广阔的应用前景，为国家节约大量的建设资金。
同类课题研究水平概述
- 1.国外的研究 国外对波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁结构力学特性的研究主要集中在抗弯、抗扭、抗剪和结构稳定性几个方面。早在20世纪20年代，Reissner和Bergmann按照弹性理论将矩形波形钢板看成在两个垂直方向上具有不同抗弯刚度的正交异性板，推出了波形钢板单位长度的剪切屈曲荷载。20世纪70年代，Easley对比分析了波形钢腹板的整体屈曲强度计算的Hlavacek公式、Easley--MeFarland公式和Bergmann-Reissner公式，最后给出了理论上合理并较为符合实际的结果。而波形钢腹板局部剪切屈曲，相当于在均匀剪应力作用下的钢板条简支在两弯折点时的屈曲，其弹性屈曲强度已有经典表达式。对于非弹性范围内波形钢腹板整体屈曲、局部屈曲的计算，国外学者也给出了一些半经验计算公式。 日本对钢腹板的波折的形状、高度、间距、厚度、腹板倾斜角度、横隔板的间距、腹板的屈曲稳定和整体稳定性等进行了系统的研究，在箱梁的抗弯、抗扭和抗剪连接件的设计等方面提出了一些基本概念和计算公式。1993年建造了日本国内第一座波形钢腹板PC简支箱梁桥—新开桥。 1998年日本进行了波形钢腹板预应力混凝土（PC）组合箱梁桥设计理论的研究，在结构的理论分析和模型试验的基础上，通过总结新开桥、松木7号桥和本谷桥的设计与施工经验，编写了设计指南。目前日本建成和在建的波形钢腹板PC组合箱梁桥已近200座。 2.国内的研究 我国也开展了波形钢腹板PC组合箱梁桥力学特性研究和桥梁的设计与建设工作。目前涉足该领域的高校和科研单位包括河南省交通更规划勘察设计院、东南大学、长安大学、西南交通大学、重庆交通学院、哈尔滨工业大学、中交公路规划设计院、福州大学、中铁大桥局集团和重庆交通科研设计院等单位。 这些单位对波形钢腹板箱梁结构的抗弯、抗剪、抗扭与畸变以及参数设计、屈曲特性、抗剪连接分析、桥面板的有效分布宽度、剪力滞效应、 结构动力特性，桥梁设计与建造等专题做过研究。 其中，万水通过试验研究给出了波形钢腹板箱梁的简化计算方法,指出此类梁的上、下翼缘的应变符合平截面假定,而波形钢腹板的纵向应变接近于零。 吴文清对实桥的模型梁进行试验,利用有限元数值分析与能量变分法理论分析,提出了“拟平截面假定”用以计算此类箱梁的抗弯承载力。
