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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 波形鋼腹板PC組合箱梁的研究與應(yīng)用
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 該作品是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的第一座波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁橋模型，課題組根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)制作了波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的模型試驗(yàn)梁，并建立ANSYS有限元模型對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算和分析。采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行了實(shí)測(cè)，分析結(jié)果表明，支座橫隔板對(duì)箱梁動(dòng)力特性的影響最大，而中橫隔板基本不影響箱梁的動(dòng)力特性。因此在實(shí)際中，可以適度減少中橫隔板的數(shù)量，從而節(jié)約橋梁建設(shè)成本。
- 詳細(xì)介紹：
- 波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）組合箱梁模型梁采用細(xì)石混凝土，上、下翼緣混凝土標(biāo)號(hào)為C50，鋼筋采用Φ10波形鋼腹板采用Q345qc制作，波形鋼腹板PC組合箱梁的模型設(shè)計(jì)總長(zhǎng)為6000mm，梁高350mm，箱梁頂板全寬13500mm，箱底寬度6500mm，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)度為350mm，波形鋼腹板采用Q235鋼，彈性模量210GPa，泊松比取為0.3，實(shí)測(cè)厚度為1.5mm，腹板高度為285mm。橫向設(shè)兩個(gè)端橫隔板和四個(gè)中橫隔板。模型梁孔跨布置為：2×3m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。模型中波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装逯g的連接采用嵌入型（把腹板直接伸入到混凝土頂?shù)装逯校?，波形鋼腹板埋入頂?shù)装宓纳疃葹?cm。鋼腹板與橫隔板的連接是將貫通鋼筋和橫隔板鋼筋焊接起來(lái)，與頂?shù)装骞餐芰?。體外預(yù)應(yīng)力筋的布置采用集中方式（將鋼索錨固到端橫隔梁上，以較大間距設(shè)置少量的轉(zhuǎn)向塊或者通過(guò)橫隔板達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的），體外索共2根，直徑15.2mm的鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1470MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1000MPa。澆筑頂?shù)装寤炷梁?，采?00t千斤頂兩端同時(shí)張拉，完成模型的制作。 采用ANSYS有限元分析軟件建立有限元模型，波形鋼腹板箱梁的頂、底板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土實(shí)體單元SOLID45來(lái)建模。劃分單元時(shí)注意到使波形鋼腹板每個(gè)節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)位置的混凝土單元節(jié)點(diǎn)重合，這樣保證腹板粘接于混凝土中，這是兩種材料共同工作的基本前提。腹板采用板殼單元SHELL63來(lái)模擬，在建模時(shí)注意波形鋼腹板的波折線與頂、底板的波折線完全重合，保證腹板與上、下翼板的節(jié)點(diǎn)吻合。橫隔板厚度相對(duì)較厚，用三維實(shí)體單元SOLID45模擬。橫隔板與上、下翼板的連接采用共節(jié)點(diǎn)的方式。預(yù)應(yīng)力筋采用LINK8單元模擬，預(yù)應(yīng)力通過(guò)初應(yīng)變施加，預(yù)應(yīng)力采用表1中損失之后的數(shù)值?？缰薪孛娴闹ё鶠楣潭ㄖё?，約束模型的縱向、橫向與豎向位移，梁端的支座為滑動(dòng)支座，只約束豎向位移。 為分析驗(yàn)證有限元模型計(jì)算結(jié)果的可靠性,采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)的測(cè)量，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別出各階豎向彎曲振動(dòng)的模態(tài)及振動(dòng)頻率。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合。 為了進(jìn)一步揭示波形鋼腹板混凝土箱梁動(dòng)力特性的特點(diǎn)，本文提出三種減少橫膈板的方案： 1）去掉所有的中橫隔板，只考慮支座橫隔板的影響；2）去掉所有的支座橫隔板，只考慮中橫隔板的影響；3）去掉所有的橫隔板，即試驗(yàn)梁不考慮橫隔板。分析結(jié)果顯示：支座橫隔板對(duì)箱梁動(dòng)力特性的影響較大，而中橫隔板基本不影響箱梁的動(dòng)力特性。因此在實(shí)際中，可以適度減少中間橫隔板的數(shù)量，從而節(jié)約橋梁建設(shè)成本 。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品是我國(guó)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成的第一座波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁橋模型，以往在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)僅做過(guò)波形鋼腹板簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)研究，其模型制作簡(jiǎn)單，吊裝方便，且體外預(yù)應(yīng)力束的設(shè)置簡(jiǎn)單，多由斜直線加圓弧線段構(gòu)成，張拉控制也比較容易，而波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁橋模型制作工藝就復(fù)雜的多了，尤其在體外預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置上，采用了在每個(gè)橫隔板上設(shè)置轉(zhuǎn)向塊，使得張拉力的傳遞均勻而沒(méi)有突變，梁體的受力與理論模型相近，最大的發(fā)揮體外預(yù)應(yīng)力的作用。 波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋?qū)儆阡摗炷两M合結(jié)構(gòu)中的一種，在這種結(jié)構(gòu)中用波形鋼腹板取代了通常的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的混凝土腹板，使箱梁的自重減輕、恒載內(nèi)力減小，從而減少了下部結(jié)構(gòu)的工程量，降低了工程造價(jià)，與同跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土橋相比，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力組合箱梁橋可節(jié)約成本約10%~20%。從結(jié)構(gòu)上看，由于波形鋼腹板的褶皺效應(yīng)，導(dǎo)致彎曲時(shí)混凝土頂、底板承受彎矩、波形鋼腹板承受剪力，這避免了由于腹板的約束作用所造成的預(yù)應(yīng)力效率降低，能更有效地對(duì)混凝土頂?shù)装迨┘宇A(yù)應(yīng)力，而且波形鋼板作為腹板能有效的解決混凝土腹板箱梁的腹板開(kāi)裂問(wèn)題，提高了耐久性。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前波形鋼腹板箱梁橋的動(dòng)力學(xué)研究主要以簡(jiǎn)支箱梁為主，對(duì)連續(xù)箱梁的研究很少。為此, 本文設(shè)計(jì)制作了波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的模型試驗(yàn)梁，并建立ANSYS有限元模型對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算和分析。為驗(yàn)證理論分析的正確性，采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行了實(shí)測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別出各階豎向彎曲振動(dòng)的模態(tài)及振動(dòng)頻率。模型試驗(yàn)梁的有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的差別較小。因此，實(shí)際中采用本文的有限元建模方法可以獲得比較高的精度。本文同時(shí)還研究了不同位置的橫隔板對(duì)波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的動(dòng)力特性的影響，分析結(jié)果表明，支座橫隔板對(duì)箱梁動(dòng)力特性的影響最大，而中橫隔板基本不影響箱梁的動(dòng)力特性。因此在實(shí)際中，可以適度減少中橫隔板的數(shù)量，從而節(jié)約橋梁建設(shè)成本。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 圖片與圖紙
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）組合箱梁橋采用波形鋼腹板代替箱梁混凝土腹板，大幅度減輕了橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重，進(jìn)而減少下部結(jié)構(gòu)的工程量，降低了造價(jià)。從結(jié)構(gòu)上看，波形鋼腹板PC組合箱梁充分利用了混凝土抗壓，波形鋼腹板抗剪屈服強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。由于波形鋼腹板不抵抗作用的軸向力，所以能有效地對(duì)混凝土頂、底板施加預(yù)應(yīng)力。波形鋼腹板不約束箱梁頂板和底板由于徐變和干燥收縮所產(chǎn)生的變形，避免了由于鋼腹板的約束作用所造成的箱梁截面預(yù)應(yīng)力損失，加之又采用了體外預(yù)應(yīng)力索，免除了在混凝土腹板內(nèi)預(yù)埋管道的繁雜工藝。我國(guó)山丘區(qū)域面積大，特別是西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略決策的實(shí)施，為了順應(yīng)“輕質(zhì)、高強(qiáng)、長(zhǎng)效”的要求，必須尋求一種合適的橋梁結(jié)構(gòu)形式，而波形鋼腹板箱梁恰恰具有輕型化、裝配化、美觀和施工方便，并與西部的生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，非常適合對(duì)橋梁外觀要求較高的地區(qū)或城市立交，波形鋼腹板箱梁在我國(guó)將有廣闊的應(yīng)用前景，為國(guó)家節(jié)約大量的建設(shè)資金。
同類課題研究水平概述
- 1.國(guó)外的研究 國(guó)外對(duì)波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究主要集中在抗彎、抗扭、抗剪和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性幾個(gè)方面。早在20世紀(jì)20年代，Reissner和Bergmann按照彈性理論將矩形波形鋼板看成在兩個(gè)垂直方向上具有不同抗彎剛度的正交異性板，推出了波形鋼板單位長(zhǎng)度的剪切屈曲荷載。20世紀(jì)70年代，Easley對(duì)比分析了波形鋼腹板的整體屈曲強(qiáng)度計(jì)算的Hlavacek公式、Easley--MeFarland公式和Bergmann-Reissner公式，最后給出了理論上合理并較為符合實(shí)際的結(jié)果。而波形鋼腹板局部剪切屈曲，相當(dāng)于在均勻剪應(yīng)力作用下的鋼板條簡(jiǎn)支在兩彎折點(diǎn)時(shí)的屈曲，其彈性屈曲強(qiáng)度已有經(jīng)典表達(dá)式。對(duì)于非彈性范圍內(nèi)波形鋼腹板整體屈曲、局部屈曲的計(jì)算，國(guó)外學(xué)者也給出了一些半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。 日本對(duì)鋼腹板的波折的形狀、高度、間距、厚度、腹板傾斜角度、橫隔板的間距、腹板的屈曲穩(wěn)定和整體穩(wěn)定性等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在箱梁的抗彎、抗扭和抗剪連接件的設(shè)計(jì)等方面提出了一些基本概念和計(jì)算公式。1993年建造了日本國(guó)內(nèi)第一座波形鋼腹板PC簡(jiǎn)支箱梁橋—新開(kāi)橋。 1998年日本進(jìn)行了波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）組合箱梁橋設(shè)計(jì)理論的研究，在結(jié)構(gòu)的理論分析和模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)總結(jié)新開(kāi)橋、松木7號(hào)橋和本谷橋的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，編寫了設(shè)計(jì)指南。目前日本建成和在建的波形鋼腹板PC組合箱梁橋已近200座。 2.國(guó)內(nèi)的研究 我國(guó)也開(kāi)展了波形鋼腹板PC組合箱梁橋力學(xué)特性研究和橋梁的設(shè)計(jì)與建設(shè)工作。目前涉足該領(lǐng)域的高校和科研單位包括河南省交通更規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院、東南大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、西南交通大學(xué)、重慶交通學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院、福州大學(xué)、中鐵大橋局集團(tuán)和重慶交通科研設(shè)計(jì)院等單位。 這些單位對(duì)波形鋼腹板箱梁結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪、抗扭與畸變以及參數(shù)設(shè)計(jì)、屈曲特性、抗剪連接分析、橋面板的有效分布寬度、剪力滯效應(yīng)、 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，橋梁設(shè)計(jì)與建造等專題做過(guò)研究。 其中，萬(wàn)水通過(guò)試驗(yàn)研究給出了波形鋼腹板箱梁的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,指出此類梁的上、下翼緣的應(yīng)變符合平截面假定,而波形鋼腹板的縱向應(yīng)變接近于零。 吳文清對(duì)實(shí)橋的模型梁進(jìn)行試驗(yàn),利用有限元數(shù)值分析與能量變分法理論分析,提出了“擬平截面假定”用以計(jì)算此類箱梁的抗彎承載力。
