波纹钢腹板箱梁桥的温度效应与疲劳性能研究

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1、波纹钢腹板箱梁桥的温度效应与疲劳性能研究第一章绪论1.1概述波纹钢腹板箱梁是一种以波浪状的钢板取代混凝土作为桥梁结构箱梁的腹板，同时在箱梁内部辅以体外预应力筋等技术的新型组合箱梁结构，截面形式见图1-1、1-2。这种结构形式充分利用了混凝土和钢结构各自的材料优势解决了大跨桥梁的轻型化问题，而且由于波纹钢腹板为了增加刚度设置了一定的裙皱，使得其能一定程度上限制混凝土顶板和底板的收缩徐变，从而能有效提高混凝土板的预应力效率。这种结构最早出现在1975年，法国CB公司创造性的提出一种由波浪形的钢板作为箱梁腹板的新型结构。到了上世纪80年代，法

2、国CB公司又研究了其力学特性并进行了模型试验后，在桥梁史上第一次将波纹钢腹板应用于实际使用的桥梁上。分别为Cognac桥、Maupre桥与Asterix桥4]?此外，还有挪威的Tronko桥，委内瑞拉的Caracas桥。日本在这一领域的开发研究也并不落后，并做了一些比较详细的分析。1993年，邻国曰本就首次建造了名为新开桥的简支预应力波纹钢腹板箱梁桥，其后又陆续建造了本谷川桥、松本7号桥、中野高架桥等，并进一步拓展了波纹钢腹板箱梁桥的应用范围，由最初的简支梁桥，到后来的连续梁桥、连续刚构桥，截面的变化也由单一高度发展成为变高度。目前，据

3、估算曰本拥有的波纹钢腹板箱梁桥已达几十座之多在我国国内的研究，因为起步较晚，因此无论在设计水平上还是在理论研究方面都还不是很成熟，与法国、曰本等还有一定的差距，但近些年也陆续拥有了一些具有科研探索性质的桥梁如：山东东营银座人行桥、浙江宁波雨新河桥、江苏淮安长征人行桥、河南光山发河大桥、重庆永川大堰河桥、青海三道河桥等，为今后设计建设此类桥型积累了一部分有价值的工程经验[7，8]。1.2国内外研究现状1961年，美国的Zuk认为大气温度、风、太阳日照强度和材料特性都是决定桥梁结构温度场的重要因素，他由收集的气象资料计算了桥梁的温度场，得到

4、了混凝土顶板和底板之间的温度场近似方程，由实桥的观测数据，分析了钢-混组合梁桥的温度场产生的应力[9]。后来Make以实桥温度测量数据为基础进行分析，他认为箱型连续梁温度梯度沿截面纵向为折线分布，箱梁边侧的腹板及翼缘板的温度恒定。随着相关方面的研究深入，人们逐渐了解到混凝土翼缘板的温度分布不一定为线性。因此英国的Stephenson用结构表面温度为基础，认为温度场分析时沿向混凝土截面纵向温度为指数分布[n]。在一个桥梁的模型试验中，新西兰的M.J.N.Priestiey得出了与英国Stephenson类似的结论英国的Emerson在统计

5、了一些对于研究环境影响和混凝土导热性能的试验结果后，得出了两者之间的计算公式，不过公式的使用存在一些限制条件，如：桥型、截面和气候条件等，他同时认为在比较了各因素的相关性后，日照箱射强度无疑是影响最大的因素，太阳福射导致出现温度梯度这要归结于发射率以及於接触面的吸热系数，但发射率对获得福射量的影响不大；风速是其次重要的影响因素，它决定了混凝土接触面的对流换热系数的大小[13]。Ramezankhani为得到在短期与长期温度荷载作用下混凝土桥梁的温度计算公式，于是采集了一些桥梁的温度场的测量数据，他发展了前人的桥梁温度效应计算方法，他得到

6、了混凝土横向温度应力可能会达到使裂缝产生的结论，因此在设计中需要研究温度应力[14]。而Shiu和Tabatai通过实桥测量应变和温度数据对美国Louisiana省的Redriver轿进行了温度作用研究，分析了沿主梁高度方向的温度自应力与外应力，他认为温度梯度沿主梁高度呈三折线分布[1516]。..第二章波纹钢腹板箱梁桥的温度场理论2.1引言桥梁结构因为其所处的自然环境，它不可避免的受到空气、阳光、风的影响，这些影响又是随时变化的。基于导热过程物理性质的差异，热的传递主要有三种基本方式：导热、对流和辖射，示意图为图2-1。混凝土是热传导

7、性能较差的材料，波纹钢又是热传导性能较好的材料，所以当外界温度变化时，混凝土顶板、底板温度存在分布不均匀的情况，而钢材的温度分布又相对均匀。桥梁结构中的温度分布，按其随时间变化的不同可以分为稳态和瞬态两种；按结构使用材料不同的温度特性，又能分为线性和非线性的。稳态的温度场为稳定不变的，而瞬态的温度场是一个随时间不断变化的函数。瞬态温度场可根据决定因素的不同分为：曰照福射产生的温差和冷空气产生的温差两种形式。本文主要从日照温差的角度出发，分析波纹钢腹板箱梁截面的瞬态温度场。因为箱梁截面与大气环境存在对流和热辖射，截面内又有存在热传导所以它

8、的影响因素比较多，在自然环境中的桥梁结构，因为外界环境的不断变化，其结构内外各点的温度都在随时发生着变化。影响温度变化的因素众多如：地理位置、方位朝向、季节、太阳福射、气温等天气状况有关，并且结构对大气也无