论文总字数：49423字

摘 要

波形钢腹板预应力混凝土桥梁采用波形钢板取代混凝土腹板，是一种新型的钢—混凝土组合结构。相比于传统的预应力混凝土桥梁，这种结构在减轻自重、降低造价、缩短工期、提高结构效率等方面都有着很好的表现，近年来受到国内外学者的广泛关注。首先，较全面地介绍了波形钢腹板PC组合箱梁桥国内外的发展状况，主要构造特点（波形钢腹板、剪力连接件和预应力体系），抗弯、抗剪及抗扭等力学特性，和传统混凝土梁桥相比所具有的优缺点。然后，以邢台七里河紫金大桥为工程背景，利用有限元分析软件Midas civil对其上部结构（大跨度波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁）进行建模，并分析其在各种工况下的力学性能。同时，结合相关设计规范，对桥梁的整体结构在短暂状况和持久状况下进行验算，前者仅为应力验算，后者需考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态。此外，还进行了波形钢腹板的强度验算和屈曲验算，抗剪连接件的验算以及钢—混凝土组合段验算。经过计算分析，邢台七里河紫金大桥在公路—1级荷载作用下，各项力学性能均能满足桥梁设计规范的要求。

关键词：波形钢腹板；有限元模型；结构验算；剪力连接件

Analysis of Mechanical Properties of Prestressed Concrete Composite Box Girder Bridge with Corrugated Steel Webs

Abstract

The prestressed concrete bridge with corrugated steel webs adopts corrugated steel webs instead of concrete webs, which is a new type of steel-concrete composite structure. Compared with traditional prestressed concrete bridges, this kind of structure has a very good performance in reducing its own weight, cutting down the cost, shortening the construction period and improving the structural efficiency. In recent years, it has received extensive attention from domestic and foreign scholars. Firstly, these are introduced in a relatively comprehensive manner that the development status at home and abroad, main structural characteristics (corrugated steel webs, shear connectors and prestressed system), some mechanical properties such as bending behavior, shear behavior and torsion behavior, and the advantages and disadvantages compared to traditional concrete girder bridges of prestressed concrete composite box girder bridge with corrugated steel webs. Secondly, based on Qili River Zijin Bridge in Xingtai, its superstructure (long-span prestressed concrete continuous box girder with corrugated steel webs) is modeled by Midas civil, a kind of finite element analysis software, and the mechanical properties under various conditions are analyzed. Meanwhile, according to the relevant design standards, the overall structure of the bridge is checked under short stage and lasting stage. The former is only stress checking, and the latter includes the checking of the ultimate limit states and the serviceability limit states. In addition, strength checking and buckling checking of corrugated steel webs, checking of shear connectors and checking of steel-concrete composite sections are carried out. Through calculation and analysis, the mechanical properties of Qili River Zijin Bridge in Xingtai under the condition of highway-1 load can meet the requirements of the bridge design standards.

KEY WORDS: Corrugated Steel Webs; Finite Element Model; Structure Checking; Shear Connectors

目录

摘要 1

Abstract 2

第一章 绪论 1

1.1 波形钢腹板PC组合箱梁桥的发展概况 1

1.2 波形钢腹板PC组合箱梁桥的构造特点 2

1.2.1 波形钢腹板 2

1.2.2 剪力连接件 3

1.2.3 预应力体系 4

1.3 波形钢腹板PC组合箱梁桥的力学特性 4

1.3.1 弯曲特性 4

1.3.2 剪切特性 5

1.3.3 扭转特性 5

1.4 波形钢腹板PC组合箱梁桥的优缺点 6

1.4.1 波形钢腹板PC组合箱梁桥的优点 6

1.4.2 波形钢腹板PC组合箱梁桥的不足 6

1.5 本文的研究内容 6

第二章 工程背景 8

2.1 工程规模 8

2.2 设计采用规范及技术标准 8

2.2.1 设计规范 8

2.2.2 技术标准 8

2.3 建筑材料 9

2.3.1 混凝土 9

2.3.2 普通钢筋 9

2.3.3 预应力钢材 9

2.3.4 波形钢腹板 9

2.4 桥梁结构设计 9

2.4.1 总体设计 9

2.4.2 箱梁顶、底板 9

2.4.3 波形钢腹板 9

2.4.4 预应力体系 10

2.5 施工方案 10

第三章 主桥结构有限元模型 11

3.1 结构离散 11

3.2 单元特性值 11

3.2.1 材料 11

3.2.2 截面 12

3.3 边界条件 13

3.4 作用与作用组合 13

3.4.1 作用 13

3.4.2 作用组合 14

3.5 施工阶段 15

第四章 主桥整体结构验算 17

4.1 施工阶段验算 17

4.2 使用荷载下结构内力与内力组合 20

4.2.1 各使用荷载下结构内力 20

4.2.2 荷载组合下结构内力 26

4.3 承载能力极限状态 28

4.3.1 正截面抗弯承载能力验算 28

4.3.2 斜截面抗剪承载能力验算 28

4.3.3 预应力钢筋验算 28

4.4 正常使用极限状态 28

4.4.1 顶底板混凝土抗裂验算 29

4.4.2 顶底板混凝土压应力验算 30

4.4.3 变形验算 31

4.5 整体结构验算小结 31

第五章 波形钢腹板验算 32

5.1 波形钢腹板验算 32

5.1.1 波形钢腹板构造 32

5.1.2 波形钢腹板设计验算流程 34

5.2 承载能力极限状态下的剪应力验算 34

5.2.1 扭转剪应力 34

5.2.2 弯曲剪应力 35

5.2.3 剪应力验算 37

5.3 局部屈曲验算 37

5.4 整体屈曲验算 37

5.5 合成屈曲验算 38

5.6 波形钢腹板验算小结 39

第六章 连接件纵向抗剪验算 40

6.1 连接件纵向抗剪验算 40

6.1.1 连接件构造 40

6.1.2 连接件设计验算流程 41

6.2 纵向水平剪力计算 41

6.3 波形钢腹板与顶底板的连接件验算 45

6.3.1 连接件抗剪承载力验算 45

6.3.2 孔间钢板的剪切面积验算 46

6.4 连接件纵向抗剪验算小结 48

第七章 钢—混凝土组合段的验算 49

7.1 钢—混凝土组合段验算截面 49

7.1.1 钢—混凝土组合段构造 49

7.1.2 钢—混凝土组合段剪力验算截面 49

7.2 波形钢腹板与内衬混凝土的剪切分担率 49

7.3 内衬混凝土验算 50

7.3.1 内衬混凝土斜截面抗裂验算 51

7.3.2 持久状况内衬混凝土主拉应力计算 52

7.3.3 内衬混凝土斜截面抗剪承载力计算 53

7.4 钢—混凝土组合段验算小结 55

第八章 结论与展望 56

8.1 结论 56

8.2 展望 56

致谢 58

参考文献 59

绪论

波形钢腹板PC组合箱梁桥的发展概况

预应力混凝土梁桥在桥梁工程中已经拥有一段较长的应用史，主要是它可以有效地解决钢筋混凝土结构中存在的诸多问题，加之施工方法的不断改进和成熟，深受工程师的青睐。近年来，由于研究的深入，以及在建和已建桥梁中不断暴露的问题，人们又开始重新审视这种结构的工程性质，突出问题有：随着跨径的增加，结构自重影响加大，跨中持续下挠问题严重；混凝土腹板能够吸收纵向预应力，降低了预应力效率；混凝土腹板容易开裂，进而导致钢筋锈蚀；需要在腹板内布置预应力筋，增大了施工难度等。正是上述原因，使得工程师们不得不采取一些对预应力混凝土结构进行适当改进的措施，这就出现了一种新型的结构形式——波形钢腹板预应力混凝土箱梁。

20世纪60年代末，瑞典工程师在修建房屋时，创造性地采用波形钢腹板代替了传统的承重梁，这是波形钢腹板首次被利用。随后在80年代，法国建造了Cognac桥，是世界上第一座波形钢腹板预应力混凝土梁桥。由于该桥梁的成功，引起了很多国家对这种新型结构的关注，相继建造了多座桥梁，表1-1列出了国外建造的几座典型的波形钢腹板桥梁。日本对于波形钢腹板PC梁桥的研究较为深刻，首次较为系统地总结了这种结构基本力学特性的计算公式，以及抗剪连接件的设计方法，随后在1993年建成了国内第一座这种结构的桥梁——新开桥。此后，日本又进行了深入研究，并总结已建桥梁在设计、施工方面的经验，形成了较为全面的设计规范，建成了近130座桥梁，使日本成为建造波形钢腹板桥梁最多的国家。

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