钢圆环腹梁人行桥上部结构设计文献综述

 2022-10-29 21:08:18
  1. 文献综述(或调研报告):

随着交通运输事业的不断发展,越来越繁重的交通任务对桥梁建设的需求也在不断增大。在建设桥梁过程中,如何尽可能的缩短工程建造时间,降低施工难度,同时又能达到桥梁工程经济,安全,美观的要求,是所有桥梁工作者不断进行探索的课题。在探索过程中,各种新型结构不断出现,而本课题研究的对象就是一种全新的钢结构——钢管圆腹梁。

钢管圆腹梁可以认为是由现有的桁腹式梁和蜂窝梁二者相结合而成。

桁腹式结构将钢腹杆(板)与混凝土顶底板结合在一起。与传统混凝土箱梁相比,一方面减轻了主梁自重,增大内力臂,以同等材料发挥出更大的承载能力;另一方面将外部荷载引起的复杂内力转化为简单的二力杆受力状态,能够比较直观的了解内力分布,更有利于结构的组合和变化。

蜂窝梁结构,又称腹板开孔结构,具体表现为为了增加梁的高度以提高梁的截面惯性矩,将型钢梁按锯齿形割开,然后把上、下两部分左右错动并辉接成为腹板上有一系列六边形孔的梁结构。目前在美国,已经建成了跨径为30.5m和19.8m的简支主梁桥,同时在房屋建筑的应用中,国家大剧院、上海金融中心和首都机场航站楼,都采用了蜂窝梁结构作为屋顶的承重结构,国内目前建造的蜂窝梁为36m三角拱屋盖结构。

钢管腹梁结构由采用空心钢管取代传统梁式结构的薄壁腹板结构,顶底板通过通用连接件与空心圆钢管连接形成整体。该桥梁可采用工厂预制,现场装配的方式施工,可有效缩短工期。由于光线可以通过空心钢管的空心部分,因此这一结构具有独特的美学效果,如可应用于建筑结构的连廊,使建筑获得独特的美学效果。圆钢管的长度和连接可根据桥梁的宽度和跨径进行相应的设计,以实现更加多样的外观效果。

钢管腹梁与钢桁腹杆结构和蜂窝梁结构相比具有独特的优势。通过阅读文献,笔者认为其优势在于,第一,由于是采用曲面而非节点与顶底板接触,避免了桁腹杆节点处应力复杂这一棘手问题;第二,相对于桁腹杆施工安装较为复杂的情况,该结构工厂自动化程度高,安装程序化,高强螺栓代替插槽灌注混凝土的连接方法大大节省了施工时间,同时单一材料的应用相对于不同材料之间的应力应变复杂状况也更易于进行受力分析。而与蜂窝梁结构相比,该新型结构在桥梁结构上的应用突破了蜂窝梁仅用于房屋构造的限制,大大拓展了应用范围,同时又兼具蜂窝梁自重轻,制作方便迅速等特点,辅助肋的使用克服了蜂窝梁容易产生畸变,抗剪切能力差等不良因素,提升了结构作为主梁的承载能力,使得该结构作为桥梁主梁,其跨径不断提升成为可能。

此外,从理论上分析:作为钢结构,该新结构同时继承了钢结构抗震性能优越、工业化制造和装配程度高、部件易于更换、建筑造型美观、综合经济效益显著等众多优点,相对于传统的混凝土箱梁结构,这种结构更加符合现阶段建设我国建设节约型和可持续发展社会的要求,更契合可循环利用、节能、环保、安全的绿色建材、打造绿色建筑的发展思路。

钢管腹梁作为一种新型的梁式结构,我们对其性能不完全了解的情况下,首先我们对其进行工程实用性的调研分析,并探讨其可行的施工工艺,之后在理论上对梁结构进行合理设计,并通过相关实验了解该结构在荷载作用下的受力与变形特性,并研究提高圆管腹抗剪刚度的措施,从进行的各项实验中归纳分析出此类结构的力学性能,以便于钢管腹梁在实际工程中的广泛应用。

国外研究现状

本项目所研究的钢圆环腹梁,是一种发展自桁腹梁和蜂窝梁的新型结构,国外没有直接相关的研究经验。因此,笔者将介绍一些与之类似的蜂窝梁及桁架腹梁的研究状况,并希冀从中得到启发。

蜂窝梁在国外的研究

国外对蜂窝梁的研究开始较早,英国人最早提出蜂窝梁的概念。蜂窝梁在实际工程中的使用开始于1910年美国芝加哥桥梁和钢铁公司的H.E.Horto的合作。由于蜂窝梁是复杂的非等截面杆件,其内部应力复杂,故在蜂窝梁的早期使用中,因为没有适用的计算方法,便只能依据厂家提供的选用表进行设计。在蜂窝梁发源地英国,早先计算蜂窝梁挠度采用的是与实腹梁同样的方法, 只考虑弯矩产生的挠度, 但抗弯刚度取最弱空腹截面刚度值 EI。当发现这种方法对挠度估计过低时,有人在此基础上用挠度放大系数加以修正,此系数虽有许多取值方法,但如何全面反映扩张比、孔洞类型、跨高比和荷载类型等主要因素的影响,迄今尚无令人满意的答案。

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