拱桥中波形钢腹板的几何参数对其侧向刚度影响的研究立项申请.doc

大学生创新实验计划立项申请书项目名称：拱桥中波形钢腹板的几何参数对其侧向刚度影响的研究 项目负责人： 韩东辰 学 号：1209070219 所在学院： 水利与土木工程学院 年 级： 大三 专 业： 土木工程 联系电话：18801105231 电子邮箱：184428421 指导教师：剧锦三 填表日期：2014 年 12月11 日一、申请信息表项目名称 拱桥中波形钢腹板的几何参数对其侧向刚度影响的研究项目起止时间2014年12月 至 2015 年9 月项目申请团队情况姓名学号所在院系班级联系电话电子邮箱韩东辰1209070219水利与土木工程学院土木12218801105231184428421高冲1209070317水利与土木工程学院土木121188101555391343499484张文韬1209070218水利与土木工程学院土木122152745398571587604099指导教师情况姓名剧锦三职务土木工程系教授职称教授电话13552587503电子邮箱jujinsan二、申请理由（内容应包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣和已有的知识基础）1、自身知识条件和已有知识基础在自身具备的知识条件方面上，经过大学两年对基础知识和专业知识的学习以及自己对土木工程这门学科的浓厚兴趣从而在课外主动查阅了不少相关的桥梁工程的资料，阅读了有关波形钢腹板拱桥的研究生结业论文，为这次课题研究做了充分的准备。2、自己的特长、兴趣我们选择了波形钢腹板拱桥作为研究对象不仅仅是我们在这方面了解的知识比较多，掌握的ANSYS，MIDAS等有限元计算软件较为熟练，更重要的是我们认为对拱桥中波形钢腹板的几何参数对其侧向刚度影响的研究非常具有实用价值，而且对其很感兴趣，因此会更加投入的去完成这项课题的研究。波形钢腹板桥梁已经在许多大跨度的桥梁工程中得到了应用，波形钢腹板拱桥中的波形钢腹板侧向屈曲问题仍然未有系统性，权威性的解答。希望能通过对此课题的研究，让波形钢腹板拱桥的侧向屈曲的问题得到适当的解决方法。从而使波形钢腹板结构更多的运用到我国的桥梁建设中，促进科技与经济的发展。三、立项背景（包括国内外研究现状、趋势、研究意义、参考文献和其他有关背景材料）1、 国内外研究现状和趋势1.1波形钢腹板出现的起源及发展箱型截面梁具有较大的抗弯、抗压和抗扭刚度,作为一种经济合理的截面形式,在现代桥梁中得到了广泛的应用。但是腹板与顶底板形成一体,顶底板的温度差及其腹板的干燥收缩引起的预应力损耗问题比较突出,腹板出现大量斜裂缝致使钢筋锈蚀。这些不利的影响及病害,严重的影响了桥梁结构的承载性能及其使用的耐久性能。为了尽可能避免桥梁出现的上述病害,使得桥梁上部结构的轻盈、经济、耐久等性能,就需要采取有效措施来变革传统混凝土箱梁结构。箱梁的顶板的作用既要直接承受车轮荷载并要有抵抗板的面外弯矩作用,其顶板厚度是根据受力要求而决定的。而箱梁的底板是满足桥梁整体受力要求,同时要满足施工要求。而腹板的主要功能是抗剪并要满足布置预应力束所需的构造要求。显然,箱梁的顶底板己经不能再减小厚度来满足降低结构的自重1。同时,传统预应力混凝土箱室腹板出现开裂等病害,顶底板与腹板之间的变形的制约关系需要改善。这不难让人产生对于占箱梁面积达30%-40%的腹板加以变革,通过减小其厚度来降低自重。综上原因，所以出现了钢腹板的应用，但是对应于平面刚腹板，需要钢腹板上增设加劲板或增大钢板厚度以防止腹板屈曲。特别是对于连续梁，由于在负弯矩区需增加底板厚度和缩小加劲板的间距以防止失稳，这将会使工程费用增加，提升工程难度。 为了解决由于平面钢腹板的约束作用而造成的截面的预应力的损失，1975 年法国的 CB 公司提出了用波形钢板(沿桥轴方向呈波形状，图 1.1 所示)代替平面钢板的设想，这种波形钢板因其在轴向为折叠状，当受到轴向预压力作用时能自由压缩，因而上下板混凝土的徐变、收缩而产生的变形将不受约束。从而避免了平面钢腹板的约束作用而造成结构截面的预应力损失。波形腹板解决了结构截面的预应力损失问题，但是依然缺乏对这种新型产品的抗剪、抗扭及稳定性方面的受力特性全面的研究分析，无法为波形腹板的大范围普及提供有力的理论保障。国内外则出现了对抗剪强度、抗扭强度的研究。1.2国外研究现状1.2.1 抗剪性能研究 对于波形钢腹板组合桥梁，因其结构形式的特殊性，其顶底板主要承受弯矩，波形钢腹板因纵向刚度低，几乎不承担弯矩作用，受力接近于纯剪状态。对波形钢腹板的抗剪研究首先是从工字钢梁的波形钢腹板屈曲开始的。早在 20 世纪二十年代，Bergmann 和 Reissner 基于弹性理论将矩形波形钢板看作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。 1960 年，美国的 Peterson 教授对波形钢腹板梁的抗剪性能进行了研究。随后，瑞典的 Dergtelt 和德国的 Linder 等人也加入了这一行列。20 世纪六十年代末，John.T.Easley和Mcfarland等人对轻型波形金属板的剪切屈曲问题进行了较为深入 的 理 论 分 析 和 研 究 ， 对 比 分 析 了 波 形 钢 腹 板 整 体 屈 曲 强 度 计 算 的1Bergmann-Reissner 公式和 Hlavacek 公式，给出了理论上合理并较为符合实际的结果。对于波形钢腹板的局部剪切屈曲，已有经典表达式。对于非弹性范围内的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2。由于上述分析均是针对建筑用的轻型波形金属板，与用于桥梁结构的波形钢腹板相比，两者在材料、波形尺寸和支撑条件上还存在着一定的差异，但 Easley等人的分析成果为应用于桥梁上的波形钢腹板的抗剪性能分析奠定了基础。 1981 年，在瑞典的 Chalmers 技术大学钢木结构室进行了一系列梯形波形钢腹板的剪切屈曲试验，并得出了一些有价值的试验结论。从 1989 年至今，美国的M.Elgaaly 和 Hamilton 等人通过非线性有限元方法对波形钢腹板的剪切屈曲荷载和屈曲模式进行了系统的理论研究工作35，并进行了相应的试验验证。研究结果表明，波形钢腹板梁的剪力完全由腹板承担，而且钢腹板的破坏是由于屈曲造成的，当波形较密时，由整体屈曲强度控制；当波形较疏时，由局部屈曲强度控制。波形钢腹板的几何参数对屈曲强度有相当的影响，腹板的屈曲强度随着腹板厚度、弯折角的增大而提高；波形钢腹板的子板宽度越小，腹板屈曲强度越大。抗剪强度的理论正在向实际靠拢，并趋于完备。12.2抗扭承载力研究1990 年，Linder 在进行了波形钢腹板梁的扭转试验后发现，波形钢腹板梁的抗扭模量 J 与平钢腹板梁相同，只是翘曲常量wC 存在差别。 2000 年，Y. L. Mo 等6基于软化混凝土的平衡方程，将软化桁架模型理论应用于波形钢腹板预应力混凝土组合结构的抗扭计算中，给出了此类桥的抗扭承载力计算公式。 1.3国内研究现状国内研究的波形腹板主要存在于桥梁中的箱梁中。所以大多数的研究针对于箱梁。国内多所高校及科研单位国内对对该种箱梁的承载能力、桥面板有效分布宽度、剪力滞效应、扭转及畸变、方案设计、几何参数设计等方面做了研究，并根据理论推导、室内模型试验以及有限元分析得到了相关结论。如：重庆交通科研设计院、东南大学、西南交通大学、重庆交通大学等单位，但总的来说，我国波形钢腹板组合箱梁的研究还处于起步阶段。在我国，清华大学的李时郭彦林7运用非线性有限元结构分析方法，综合考虑钢腹板的大变形与几何缺陷后，分析了波形钢腹板梁在剪力作用下的破坏机理及基本性质。2003 年，宋健永8通过有限元方法分析了波形钢腹板梁的剪切屈曲极限荷载和屈曲模态，采用一致缺陷模态法模拟波纹尺寸缺陷，钢板厚度缺陷通过钢板厚度分布函数对单元后进行修正来引入。结果表明：过大的波纹尺寸缺陷会降低波形钢腹板的剪切屈曲极限荷载，而波形钢腹板对因钢板厚度缺陷而引起的过早屈曲要优于钢腹板，微小的厚度缺陷对波形钢腹板的剪切屈曲极限荷载影响很小。王福敏等人9 10通过对波纹数量不等的波形钢腹板在轴向力作用下的稳定性和失稳载荷试验分析，探讨波形钢腹板的承载能力及发生失稳的规律，并结合波形钢腹板试验得出了波形钢腹板总体稳定系数，为设计检算波形钢腹板的厚度提供了可靠的理论依据。研究意义：国外对波形腹板的侧扭屈曲的研究不够深入，作为腹板屈曲的一个分支，侧扭屈曲是不可忽略的。国内的研究也无法给出关于波形腹板箱梁的侧扭屈曲的具体理论强度公式或者半经验公式，而侧扭屈曲的研究又是设计波形腹板箱梁时不可缺少，所以这块区域正是我们研究的主要方向。关于普通截面的侧扭屈曲的研究，已经出现并且有一定的方法和理论，近些年来,国外的一些学者对结构的屈曲稳定问题做了一些研究。Mottarm对FRP一I型截面梁做了侧扭屈曲的试验研究,他们在试验中得到的结构屈曲荷载比现行实用理论计算得到的屈曲荷载要低1l,并且指出在设计和分析组合截面梁时,不考虑结构的剪切变形是结构安全潜在的危险。我们借鉴国内研究的方法理论，用于探讨拱桥的波形腹板箱梁侧扭屈曲。用以完备波形腹板的侧向刚度的增强。完善波形腹板作为新型材料的相关屈曲理论，促使波形腹板的侧向刚度的增强，得到尽可能避免波形腹板的侧扭屈曲的几何参数。参考文献：1 王福敏等.波形钢板箱梁研究成果综述.T.公路交通技术.2001.2 近藤.清水.大浦.服部.波形鋼板二义含有才石PC橋-新開橋-h J, 1995 (3): 69-78.3 Mohamed Elgaaly, Robert W.Hamilton, Anand Seshadri.Shear Strength of Beamswith Corrugated Webs. Journal of Structural Engineering,April.1996, 122(4):390-398 4 Mohamed Elgaaly, Anand Seshadri, Robert W.Hamilton.Bending Strength ofSteel Beams with Corrugated Webs. Journal of Structural Engineering, June.1997, 123(6):772-782 5 Mohamed Elgaaly, Anand Seshadri.Girders with Corrugated Webs under PartialCompressive Edge Loading.Journal of Structural Engineering, June.1997,123(6):783-7916 Y.L.Mo, Chyuan-Hwan Jeng, Y.S.Chang.Torsional Behavior of Prestressed Concrete Box-Girder Bridges with Corrugated Webs.ACI Structural Journal,2000, 97(6):849-859 7 李时,郭彦林.波折腹板梁抗剪性能研究.建筑结构学报,2001,22(6):49-548 宋建永,张树仁,吕建鸣.波形钢腹板剪切屈曲分析中初始缺陷的模拟和影响程度分析.公路交通科技,2004,5(5):61-64 9 王福敏 ,周长晓 ,张长青 .波形腹板箱梁钢腹板稳定试验研究 .公路交通技术,2003,10(5):53-5610 王福敏“钢腹板预应力混凝土箱梁桥的发展及其应用现状J中国钢协钢一混凝土组合结学协会论文集.哈尔滨建筑大学学报.1997，(5)11 朱必用.CFRP加固WF型梁侧扭屈曲的凡何非线性有限元分析. 四、特色与创新1、 波形钢腹板取代了通常所用的混凝土腹板，剪力基本上由波形钢腹板承担，可以充分发挥波形钢腹板的抗剪切屈曲强的优点而且波形钢腹板更轻更薄，可以很大程度上减轻结构自重；2、 波形钢腹板当受到轴向预压力作用时能自由收缩，因而上下板混凝土的徐变、收缩将不受约束，避免了约束作用而造成结构界面预应力损失，而且波形钢腹板对抗弯的贡献可以不计；3、 采用波形钢腹板由于省去了浇筑腹板混凝土工序，所以极大简化了施工、缩短了施工周期，而且更有利于施工安全；4、 波形钢腹板拱桥减轻了自重，减小了拱脚的水平推力，降低了对墩台的要求，使拱桥向更大跨径迈进；5、 本项目运用有限元软件建模，并对波形钢腹板拱桥的侧向刚度和相关的几何参数进行计算与讨论,找出最优的波形钢腹板几何参数五、实施计划及方案（包括进度安排、研究方案、实验方案、技术路线等）1.进度安排（如下表）2014年11月至12月查阅相关资料和文献，制定实验方案，完成准备工作。2014年12月项目申请。2015年1月至3月通过实验计算分析波形钢腹板弹性局部屈曲强度和整体屈曲强度，以及合成屈曲强度，得出并整理实验结果。2015年4月分析实验数据，得出波形钢腹板几何参数对其局部、整体、合成屈曲强度的影响2015年5月至2015年6月运用有限元软件进行建模，绘制出波形钢腹板几何参数与拱桥侧扭屈曲模态与荷载-位移曲线，对波形钢腹板几何参数变化对拱桥侧向刚度的影响进行总结分析。2015年6月到7月分析数据并推算出波形钢腹板几何参数的最优配比。整理项目研究所得的数据结果，撰写总结报告、论文，整理相关材料；提交成果，并且准备公开发表论文。2015年8月到9月做好结题的有关工作，提交结题成果2. 研究方案（1)实验研究波形钢腹板几何参数对其局部、整体、合成屈曲强度的影响；（2）分析研究波形钢腹板侧扭屈曲与其几何参数所对应的联系；（3）运用有限元软件对实例建立模型分析; (4)归纳数据并分析推算波形钢腹板几何参数的最优配比 3.实验方案3.1梳理波形钢腹板稳定计算的理论知识（1）计算分析波形钢腹板弹性局部屈曲强度 所谓波形钢腹板的局部屈曲是指波形钢腹板某一个或几个波段局部出现破坏的现象。对波形钢腹板来说，其局部剪切屈曲，与钢板条简支在钢腹板两弯折点处，在其上施加均匀剪应力时的屈曲相当，具有可逆的屈曲模式。可运用经过法国CB公司修正后的Timoshenk公式进行分析。 实际工程中对临界剪应力的计算要考虑材料塑性的影响，可以运用FHWA 剪切屈曲的强度曲线进行波形钢腹板塑性局部强度的分析。 （2）计算分析波形钢腹板的整体屈曲强度 整体弹性屈曲强度的计算 波形钢腹板的整体屈曲发生在腹板高度和长度比波纹的高度大很多时，波纹的屈曲面将会扩大，从而导致整个结构的屈曲，这就是所谓的整体屈曲。而其整体剪切屈曲，与正交异性板的相似。 运用能量法原理，推导波纹钢腹板在两端简支的情况下的整体剪切屈曲强度。 非弹性范围内整体屈曲强度计算 运用Elgaay 公式以及 FHWA 曲线计算波形钢腹板在非弹性范围内的整体屈曲强度。（3）波形钢腹板的合成曲强度 合成屈曲，是指结构的局部屈曲与整体屈曲之间相互的影响，相互合成而形成的复杂的屈曲。采用有限元来分析、验证波形钢腹板的合成屈曲稳定。 综合上述实验，得出波形钢腹板几何参数对其局部、整体、合成屈曲强度的影响，为研究其侧扭屈曲与其对应的联系奠定理论基础。3.2运用ANSYS,MIDAS/CIVIL等有限元软件进行实例分析 分别取板厚变化、波高变化、斜板倾角变化 、直板段宽度作为不同考虑状态下的变量，并运用有限元软件建立波形钢腹板拱桥模型，绘制上述波形钢腹板几何参数与拱桥侧扭屈曲模态与荷载-位移曲线。从而对波形钢腹板几何参数变化对拱桥侧向刚度的影响进行总结分析。根据数据总结推算出波形钢腹板几何参数的最优配比。 4.技术路线重点分析得出防止拱桥侧扭屈曲的钢腹板最优几何参数资料整理分析临界荷载作用下拱桥的侧向刚度大小分析波形钢腹板几何参数对侧扭屈曲影响选择实验的方向制定实验方案测试得出实验数据，记录数据确定实验的方法项目研究文件的整理归纳数据分析，总结得出结论查阅资料，分析国内外研究现状（包括项目实施应具备的专业知识、基本仪器、设备及实施条件）1具备项目所需专业知识： 课题组成员已具备建筑材料、大学物理，三大力学，钢结构，弹性力学及有限元分析等相关知识。（其中部分自学）2基本仪器、设备及实施条件：1、中国农业大学计网中心计算机安装有ANSYS 10.0软件，可以进行有限元的分析2、组员每人配备一台笔记本电脑，可以安装MIDAS，ANSYS等软件方便实验进行。七、预期成果1、通过有限元分析波形钢腹板几何参数与侧向刚度的关系，做出有效总结。2、探究最优的波形钢腹板几何参数，以期在实际波形钢腹板桥梁工程有所应用。3、波形钢腹板几何参数对拱桥侧向刚度影响的研究报告。4、在核心期刊上公开发表论文一篇或EI检索论文一篇。 八、经费预算（包括大概支出科目（含配套经费）、金额、计算根据及理由）经费主要用来购买实验必须的仪器、实验材料和检测费、论文发表费等。论文发表费等咨询了剧锦三老师的意见。购置实验必须的仪器、实验材料和检测费通过网上检索和询价获得。序号仪器、材料、名称等单位数量单价总价1软件购买使用费年1300030002论文发表费项1280028003交通运输费项1120012004图书资料项1100010005复印、打印费项18008006办公用品项15005007其他项11001008总计9400九、申请人签名项目负责人：项目团队成员： 年月日十、指导教师意见 签名年月日十一、学院意见 签名学院公章年月日