大跨度钢与混凝土组合连续箱梁关键技术

图4.26所示。图STYLEREF2\s4.2SEQ图\*ARABIC\s25钢梁水平撑失稳模式图STYLEREF2\s4.2SEQ图\*ARABIC\s26钢梁腹板失稳模式工况2计算结果本部分计算了⑤号桥墩处支点梁段在施工阶段3时，由于底板混凝土浇注但未参与受力且支反力较大，支座加劲及横隔板处于不利受力状态。局部应力分析结果REF_Ref144562627\h图4.31～REF_Ref144562628\h图4.32为钢梁上翼缘主压应力及Mises应力分布图；REF_Ref144562629\h图4.33～REF_Ref144562630\h图4.34为钢梁腹板主压应力及Mises应力分布图，REF_Ref144562631\h图4.35～REF_Ref144562632\h图4.36为钢梁横隔板主压应力及Mises应力分布图。图STYLEREF2\s4.3SEQ图\*ARABIC\s21钢梁上翼缘主压应力（kPa）图STYLEREF2\s4.3SEQ图\*ARABIC\s22钢梁上翼缘Mises应力（kPa）图STYLEREF2\s4.3SEQ图\*ARABIC\s23钢梁腹板主压应力（kPa）图STYLEREF2\s4.3SEQ图\*ARABIC\s24钢梁腹板Mises应力（kPa）图STYLEREF2\s4.3SEQ图\*ARABIC\s25钢梁横隔板主压应力（kPa）图STYLEREF2\s4.3SEQ图\*ARABIC\s26钢梁横隔板Mises应力（kPa）局部稳定分析结果通过计算得到该工况下前7阶失稳模态均为横撑失稳及水平撑失稳，其中一阶弹性稳定屈曲系数λ1＝4.347；第8阶失稳模态为腹板剪压失稳，弹性稳定屈曲系数λ8＝6.470。图STYLEREF2\s4.3SEQ图\*ARABIC\s27钢梁横撑失稳模式图STYLEREF2\s4.3SEQ图\*ARABIC\s28钢梁腹板失稳模式工况3计算结果本部分计算了⑤号桥墩处支点梁段在施工阶段4时，由于临时支座处顶升导致最大支反力，使支座加劲及横隔板处于不利受力状态。局部应力分析结果REF_Ref144562627\h图4.31～REF_Ref144562628\h图4.32为钢梁上翼缘主压应力及Mises应力分布图；REF_Ref144562629\h图4.33～REF_Ref144562630\h图4.34为钢梁腹板主压应力及Mises应力分布图，REF_Ref144562631\h图4.35～REF_Ref144562632\h图4.36为钢梁横隔板主压应力及Mises应力分布图。图STYLEREF2\s4.4SEQ图\*ARABIC\s21钢梁腹板主压应力（kPa）图STYLEREF2\s4.4SEQ图\*ARABIC\s22钢梁腹板Mises应力（kPa）图STYLEREF2\s4.4SEQ图\*ARABIC\s23钢梁横隔板主压应力（kPa）图STYLEREF2\s4.4SEQ图\*ARABIC\s24钢梁横隔板Mises应力（kPa）局部稳定分析结果通过计算得到该工况下前6阶失稳模态均为横撑失稳及水平撑失稳，其中一阶弹性稳定屈曲系数λ1＝4.174；第7阶失稳模态为腹板剪压失稳，弹性稳定屈曲系数λ7＝4.852。图STYLEREF2\s4.4SEQ图\*ARABIC\s25钢梁横撑失稳模式图STYLEREF2\s4.4SEQ图\*ARABIC\s26钢梁腹板失稳模式工况4计算结果本部分计算了⑤号桥墩处支点梁段在成桥阶段的受力状态。局部应力分析结果REF_Ref144562627\h图4.31～REF_Ref144562628\h图4.32为钢梁上翼缘主压应力及Mises应力分布图；REF_Ref144562629\h图4.33～REF_Ref144562630\h图4.34为钢梁腹板主压应力及Mises应力分布图，REF_Ref144562631\h图4.35～REF_Ref144562632\h图4.36为钢梁横隔板主压应力及Mises应力分布图。图STYLEREF2\s4.5SEQ图\*ARABIC\s21钢梁腹板主压应力（kPa）图STYLEREF2\s4.5SEQ图\*ARABIC\s22钢梁腹板Mises应力（kPa）图STYLEREF2\s4.5SEQ图\*ARABIC\s23钢梁横隔板主压应力（kPa）图STYLEREF2\s4.5SEQ图\*ARABIC\s24钢梁横隔板Mises应力（kPa）局部稳定分析结果通过计算得到该工况下前8阶失稳模态均为横撑失稳及水平撑失稳，其中一阶弹性稳定屈曲系数λ1＝2.738；第9阶失稳模态为腹板剪压失稳，弹性稳定屈曲系数λ9＝6.930。图STYLEREF2\s4.5SEQ图\*ARABIC\s25钢梁横撑失稳模式图STYLEREF2\s4.5SEQ图\*ARABIC\s26钢梁腹板失稳模式小结本章建立支点梁段局部模型对主梁施工状态及成桥状态的几种不利受力工况进行了局部应力及弹性稳定的分析，现将分析结果归纳如下：各工况钢梁局部应力分析中，除去应力集中点的计算结果，钢梁上翼缘最大主压应力约为320MPa；钢梁腹板最大主压应力约为250MPa；钢梁横隔板最大主压应力约为280MPa。根据钢梁局部稳定分析，可以看出各工况下失稳首先发生于钢梁横撑或水平撑，最小稳定系数为2.738；腹板失稳主要发生在混凝土桥面板先后浇注处附近，最小稳定系数为3.423。近期钢梁与混凝土结合部受力分析分析方法本章研究的主要内容在于钢主梁和混凝土桥面板之间焊钉的作用。在建立有限元实体模型时，组合梁的槽型钢梁及加劲肋用空间壳单元模拟，混凝土板用空间实体单元模拟，焊钉采用三维的弹簧单元模拟。由于焊钉数目众多，如果每个焊钉都用一个弹簧单元模拟，将会使计算规模非常庞大。为克服这一困难，运用子模型技术建立两个模型，即全桥粗糙模型和局部精细模型。全桥粗糙模型6个焊钉为一组，用一个等刚度的弹簧单元模拟，单元划分相对较粗，但能准确反映结构的位移情况和整体应力情况，如REF_Ref145735111\h图5.11所示；局部精细模型选取全桥粗糙模型中焊钉受力最不利的20m中跨+90m边跨，每个焊钉用一个弹簧元单元模拟，单元划分较细，以粗糙模型切割边界上的位移作为精细模型的边界条件，以准确计算每个连接上的纵、横向剪力及拉拔力，如REF_Ref145735180\h图5.12所示。图STYLEREF2\s5.1SEQ图\*ARABIC\s21全桥粗糙模型图STYLEREF2\s5.1SEQ图\*ARABIC\s22局部精细模型钢梁与顶板连接件纵桥向剪力计算结果由于混凝土桥面板预制段与现浇段接缝处局部会产生很大的剪力作用，这个将通过局部补强加以改善，因此这一段焊钉的计算结果未示出。考虑到结构横向对称，因此仅取中跨20m+边跨90m长钢梁一侧翼缘上的焊钉进行结果分析。结果坐标系以腹板与翼缘交点作为原点，纵向为x轴，横向为y轴，如REF_Ref145735180\h图5.12所示。施工及二期铺装作用施工阶段2REF_Ref145739516\h图5.21为施工阶段2即架梁结束后焊钉纵向剪力分布图。由图可见，由于考虑了预弯过程，焊钉剪力在预弯支点处有明显的突变，与主梁剪力相对应，且在焊钉间距变化处有锯齿状突变；焊钉最大纵向剪力在x=600m预制段端部附近，约为70kN。图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s21施工阶段2焊钉纵向剪力分布图施工阶段3REF_Ref145739545\h图5.22为施工阶段3即7跨连续，浇注4、5号墩处底板混凝土后焊钉纵向剪力分布图。由图可见，施工阶段3对纵向剪力基本没有影响。图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s22施工阶段3焊钉纵向剪力分布图施工阶段4REF_Ref145739590\h图5.23为施工阶段4即4、5号墩处临时支座顶升后焊钉纵向剪力分布图。由图可见，预制段端部剪力有所减小，焊钉最大纵向剪力在x=600m预制段端部附近，约为60kN。图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s23施工阶段4焊钉纵向剪力分布图施工阶段5REF_Ref145739603\h图5.24为施工阶段5即4、5号墩处临时支座回落后焊钉纵向剪力分布图。由图可见，预制段端部剪力略有增大，焊钉最大纵向剪力在x=600m预制段端部附近，约为67kN。图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s24施工阶段5焊钉纵向剪力分布图施工阶段6REF_Ref145739631\h图5.25为施工阶段6即浇注3、6号墩处底板混凝土后焊钉纵向剪力分布图。由图可见，施工阶段6对纵向剪力基本没有影响。图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s25施工阶段6焊钉纵向剪力分布图施工阶段7REF_Ref145739653\h图5.26为施工阶段7即3、6号墩处临时支座顶升后焊钉纵向剪力分布图。由图可见，预制段端部剪力增幅很大，焊钉最大纵向剪力在x=600m预制段端部附近，约为100kN。图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s26施工阶段7焊钉纵向剪力分布图施工阶段8REF_Ref145739838\h图5.27为施工阶段8即3、6号墩处临时支座回落后焊钉纵向剪力分布图。预制段端部剪力变化很大，焊钉最大纵向剪力降为75kN。图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s27施工阶段8焊钉纵向剪力分布图施工阶段9REF_Ref145739851\h图5.28为施工阶段9即浇注2、7号墩处底板混凝土后焊钉纵向剪力分布图。由图可见，预制段端部剪力略有增大，焊钉最大纵向剪力在x=600m预制段端部附近，约为85kN。图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s28施工阶段9焊钉纵向剪力分布图施工阶段10REF_Ref145739864\h图5.29为施工阶段10即2、7号墩处临时支座顶升后焊钉纵向剪力分布图。由图可见，支点顶升所产生的相对滑移大部分被预制段端部焊钉所承担，此处纵向剪力降幅很大，焊钉最大纵向剪力在x=630m预制段端部附近，约为45kN。图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s29施工阶段10焊钉纵向剪力分布图施工阶段11REF_Ref145739878\h图5.210为施工阶段11即2、7号墩处临时支座回落后焊钉纵向剪力分布图。由图可见，焊钉最大纵向剪力在x=600m预制段端部附近，约为78kN。图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s210施工阶段11焊钉纵向剪力分布图施工阶段12图4.2-11为施工阶段12即主梁施加二期荷载后的焊钉纵向剪力分布图。由图可见，焊钉最大纵向剪力增大至82kN，腹板附近两排焊钉承担的剪力较大。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s211施工阶段12焊钉纵向剪力分布图汽车荷载根据成桥状态焊钉纵向受力最不利位置，选取x=600m、x=630m和x=700m三处截面，按照该截面建立影响线进行最大剪力加载，分别设为纵向剪力最不利工况1、2、3，REF_Ref145740391\h图5.212该三处截面的剪力影响线。（a）X=600m处截面剪力影响线（b）X=630m处截面剪力影响线（c）X=700m处截面剪力影响线图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s212最不利截面剪力影响线REF_Ref145740534\h图5.213为纵向剪力最不利工况1焊钉纵向剪力分布。由图可见，X=600m处焊钉最大纵向剪力约为6kN。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s213纵向剪力最不利工况1焊钉纵向剪力分布图REF_Ref145740548\h图5.214为纵向剪力最不利工况2焊钉纵向剪力分布。由图可见，X=630m处焊钉最大纵向剪力约为6kN。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s214纵向剪力最不利工况2焊钉纵向剪力分布图REF_Ref145740613\h图5.215为纵向剪力最不利工况3焊钉纵向剪力分布。由图可见，X=700m附近焊钉最大纵向剪力约为4kN。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s215纵向剪力最不利工况3焊钉纵向剪力分布图收缩、温差的作用(1)收缩作用REF_Ref145740789\h图5.216为收缩焊钉纵向剪力分布图。由图可见，收缩完成后，最大纵向剪力发生端支点处，大约为18kN左右，到长度1/10跨度后纵向剪力变得很小，基本不超过5kN。且收缩引起的端支点附近区段焊钉受力方向与竖向荷载引起相反，对焊钉有利。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s216收缩焊钉纵向剪力分布图(2)升温15℃REF_Ref145740739\h图5.217为升温15℃焊钉纵向剪力分布图。由图可见，混凝土升温15℃后，最大纵向剪力发生端支点处，大约为24kN左右，到长度1/10跨度后纵向剪力变得很小，基本不超过6kN。且升温15℃引起的端支点附近区段焊钉受力方向与竖向荷载引起相同，对焊钉不利。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.2SEQ图\*ARABIC\s217升温15℃焊钉纵向剪力分布图(3)降温15℃焊钉在降温作用下的纵向剪力与升温作用下大小相同，符号相反，这里就不再列举了。作用纵向剪力组合作用纵向剪力组合如REF_Ref145740972\h表5.21所示，最大作用纵向剪力组合发生在X=600m腹板附近两排焊钉，约92kN。表STYLEREF2\s5.2SEQ表\*ARABIC\s21作用纵向剪力组合钢梁与顶板连接件横桥向剪力计算结果施工及二期铺装作用REF_Ref145742583\h图5.31为施工阶段12焊钉横向剪力分布图。由图可见，大部分焊钉横向剪力都很小，不超过10kN， 且距离腹板间距越大，横向剪力越大，在两端支点处由于横梁上焊钉的影响，此处产生比较大的横向剪力。最大横向剪力发生在x＝610m支点处，约为22kN。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.3SEQ图\*ARABIC\s21施工阶段12状态下焊钉横向剪力分布汽车荷载根据成桥状态焊钉横向剪力大小及分布规律，在最不利焊钉位置x=610m处用车辆荷载进行布载，如REF_Ref145742727\h图5.32所示。(a)纵向布置(b)横向布置图STYLEREF2\s5.3SEQ图\*ARABIC\s22横向剪力最不利工况车辆荷载布载REF_Ref145742740\h图5.33为横向剪力最不利工况焊钉横向剪力分布图。由图可见，X=610m处焊钉最大横向剪力为2kN。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.3SEQ图\*ARABIC\s23横向剪力最不利工况焊钉横向剪力分布图收缩、温差的作用(1)收缩作用REF_Ref145742782\h图5.34为收缩焊钉横向剪力分布图。由图可见，收缩作用下，焊钉距离腹板间距越大，横向剪力越大，最大横向剪力发生支点处最外侧一排焊钉，大约为18kN左右。且收缩引起的焊钉横向剪力受力方向与成桥阶段焊钉受力方向相同，对焊钉不利。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.3SEQ图\*ARABIC\s24收缩作用下焊钉横向剪力分布(2)升温15℃REF_Ref145742858\h图5.35为升温15℃焊钉横向剪力分布图。由图可见，升温15℃作用下，焊钉距离腹板间距越大，横向剪力越大，最大横向剪力发生支点处最外侧一排焊钉，大约为23kN左右。且升温15℃引起的焊钉横向剪力受力方向与成桥阶段焊钉受力方向不同，对焊钉有利。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.3SEQ图\*ARABIC\s25升温15℃时焊钉横向剪力分布(3)降温15℃焊钉在降温作用下的横向剪力与升温作用下大小相同，符号相反，这里就不再列举了。作用横向剪力组合作用横向剪力组合如REF_Ref145743038\h表5.31所示，最大作用横向剪力组合发生在X=610m附近靠近悬臂端最外侧一排焊钉，约65kN。表STYLEREF2\s5.3SEQ表\*ARABIC\s21作用横向剪力组合钢梁与顶板连接件拉拔力计算结果在拉拔力结果处理中，为了更好的显示拉拔力的大小和分布，将所有受压焊钉轴向力设为0，仅显示焊钉的拉拔力。结构自重及二期铺装作用REF_Ref145743246\h图5.41为施工阶段12焊钉拉拔力分布图。由图可见，大部分拉拔力都发生在腹板横向加劲肋附近最外侧一排焊钉，在支点处一定范围焊钉也产生了拉拔力，但数值都很小。最大拉拔力发生在x＝645m处，约为40k N。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.4SEQ图\*ARABIC\s21施工阶段12焊钉拉拔力分布图汽车荷载根据成桥状态焊钉拉拔力大小及分布规律，纵向在最不利焊钉位置x=645m处用车辆荷载进行布载，横向布置考虑悬臂端偏载、跨中偏载两种情况，分别对应横向加劲肋附近焊钉、腹板附近焊钉拉拔力最不利两种工况，设为拉拔力最不利工况1、2，如REF_Ref145743271\h图5.42所示。(a)纵向布置(b)悬臂端偏载(c)跨中偏载图STYLEREF2\s5.4SEQ图\*ARABIC\s22拉拔力最不利工况车辆荷载布载REF_Ref145743303\h图5.43为拉拔力最不利工况1焊钉拉拔力分布图。由图可见，X=645m处焊钉最大拉拔力为30kN，发生在腹板横向加劲肋附近最外侧一排焊钉。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.4SEQ图\*ARABIC\s23拉拔力最不利工况1作用下焊钉拉拔力分布图4.4-4为拉拔力最不利工况2焊钉拉拔力分布图。由图可见，X=645m处焊钉最大拉拔力为7kN，发生在腹板附近两排焊钉。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.4SEQ图\*ARABIC\s24拉拔力最不利工况2作用下焊钉拉拔力分布收缩、温差的作用(1)收缩作用图4.4-5为收缩焊钉拉拔力分布图。收缩作用下大部分拉拔力都发生在腹板横向加劲肋附近最外侧一排焊钉，最大拉拔力发生在端支点附近，约为17k N。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.4SEQ图\*ARABIC\s25收缩焊钉拉拔力分布图(2)升温15℃图4.3-6为升温15℃焊钉拉拔力分布图。由图可见，升温15℃作用下，大部分拉拔力都发生在腹板附近两排焊钉，但数值都很小，最大不超过7kN。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.4SEQ图\*ARABIC\s26升温15℃焊钉拉拔力分布图(3)降温15℃图4.4-7为降温15℃焊钉拉拔力分布图。由图可见，降温15℃作用下，大部分拉拔力都发生在腹板横向加劲肋附近最外侧一排焊钉，最大拉拔力发生在端支点附近，约为22k N。（a）纵向分布（b）最不利截面横向分布图STYLEREF2\s5.4SEQ图\*ARABIC\s27降温15℃焊钉拉拔力分布作用拉拔力组合作用拉拔力组合如REF_Ref145743790\h表5.41所示，最大作用拉拔力组合发生在X=645m横向加劲肋附近最外侧一排焊钉焊钉，约104kN。表STYLEREF2\s5.4SEQ表\*ARABIC\s21作用拉拔力组合小结本章分析结果可归纳如下：由于考虑了钢梁预弯，成桥状态时焊钉纵向剪力在预弯支点处有明显的突变；由于边支点横梁上焊钉分担了一部分纵向剪力，此处纵向剪力的最大值有向跨中推移的趋势，最大纵向剪力发生在X=600m附近，约83kN。纵向剪力最不利工况1、2、3作用下，最大纵向剪力分别增加了6kN、6kN、4kN，增加的幅度很小，由此可见汽车荷载产生的纵向剪力相对恒载很小。收缩、升降温15℃作用下，最大纵向剪力均发生端支点处，分别为-18kN、±24kN，到1/10跨长后纵向剪力变得很小。其中升温15℃引起的端支点附近区段焊钉受力方向与竖向荷载引起相同，对焊钉不利；收缩和降温15℃对引起的端支点附近区段焊钉受力方向与竖向荷载引起不同，对焊钉有利。通过REF_Ref145740972\h表5.21我们可以看到，最大作用纵向剪力组合发生在X=600m腹板附近两排焊钉，约92kN。成桥状态时大部分焊钉横向剪力都很小，不超过10kN， 且距离腹板间距越大，横向剪力越大，在两端支点处由于横梁上焊钉的影响，此处产生比较大的横向剪力。最大横向剪力发生在x＝610m支点处，约为22kN。横向剪力最不利工况作用下，最大横向剪力增加了2kN，增加的幅度很小，由此可见汽车荷载产生的横向剪力相对恒载很小。收缩、升降温15℃作用下，最大横向剪力均发生最外侧一排焊钉，分别为-18kN、±23kN，且焊钉距离腹板间距越大，横向剪力越大。其中收缩、降温15℃引起的焊钉横向剪力受力方向与成桥阶段焊钉受力方向相同，对焊钉不利；升温15℃引起的焊钉横向剪力受力方向与成桥阶段焊钉受力方向不同，对焊钉有利。通过REF_Ref145743038\h表5.31我们可以看到，最大作用横向剪力组合发生在X=610m附近靠近悬臂端最外侧一排焊钉，约65kN。成桥状态时大部分拉拔力都发生在腹板横向加劲肋附近，在支点处一定范围焊钉也产生了拉拔力，但数值都很小。最大拉拔力发生在x＝645m处，约为40k N。拉拔力最不利工况1作用下，焊钉最大拉拔力为30kN，发生在腹板横向加劲肋附近最外侧一排焊钉；拉拔力最不利工况2作用下，焊钉最大拉拔力为7kN，发生在腹板附近一排焊钉，由此可见汽车荷载会产生很大的拉拔力。收缩、降温15℃作用下，大部分拉拔力都发生在腹板横向加劲肋附近最外侧一排焊钉，最大值分别为17kN、22kN；升温15℃作用下，大部分拉拔力都发生在腹板附近两排焊钉，但数值都很小，最大不超过7kN。通过REF_Ref145743790\h表5.41我们可以看到，最大作用拉拔力组合发生在X=645m横向加劲肋附近最外侧一排焊钉焊钉，约104kN。总结主梁整体受力分析结果混凝土桥面板在成桥状态下顺桥向最大拉应力约为5MPa，最大压应力约为20MPa；恒载及混凝土收缩徐变作用下最大拉应力约为6MPa，最大压应力约为15MPa；其它荷载组合工况作用下最大拉应力约为8MPa，最大压应力约为23.5MPa。钢梁上翼缘在施工阶段最大压应力约为300MPa；成桥状态下最大拉应力约为150MPa，最大压应力约为80MPa；恒载及混凝土收缩徐变作用下最大拉应力约为140MPa，最大压应力约为80MPa；其它荷载组合工况作用下最大拉应力约为160MPa，最大压应力约为80MPa。钢梁底板在施工阶段的最大拉应力约为170MPa，最大压应力约为150MPa；成桥状态下最大拉应力约为150MPa，最大压应力约为150MPa；恒载及混凝土收缩徐变作用下最大拉应力约为110MPa，最大压应力约为170MPa；其它荷载组合工况作用下最大拉应力约为185MPa，最大压应力约为200MPa。钢梁底板纵向加劲肋在施工阶段的最大拉应力约为180MPa，最大压应力约为130MPa；成