弹性转动约束边界的大跨径钢-混组合梁桥高腹板稳定性研究

Long-span steel-concrete composite bridge combines the characters of high web, large ratio of height to thickness, web boundary uncertainty and complicated loads, which results in the high web stability analysis theory of Long-span steel-concrete composite bridge facing with new challenges. Research content of this project includes:(1) create the elastic rotational boundary restraint effective buckling theory model of high web;(2) analyse the critical buckling stress of high web under the composite loading of bending,shear and patch load considering the elastic rotational restraint boundary;(3) present the model how stiffener location and section effect the high web buckling characters under the composite loading of bending,shear and patch load. Firstly, using elastic plate theory,Ritz energy variational method, finite element simulation and model test, considering the rotational restraint of concrete bridge deck, shear studs, stiffener and steel flanges, the effective buckling theory model of high web based on the elastic rotational restraint boundary in long-span steel-concrete composite bridge is obtained. Secondly, the calculation method of critical buckling stress of high web under the composite loading of bending, shear and patch load considering the elastic rotational restraint boundary is obtained. Finally, the optimization design method of stiffener for the stability design of high web in long-span steel-concrete composite bridge is presented.

大跨径钢-混组合梁桥呈现腹板高、高厚比大、腹板边界约束作用不明确、应力状态十分复杂的特点，高腹板稳定性分析理论面临新挑战。研究内容包括：（1）构建大跨径钢-混组合梁桥高腹板弹性转动约束边界效应理论模型，（2）分析弯、剪、局压复合荷载作用下弹性转动约束边界的高腹板临界屈曲应力，（3）研究弯、剪、局压复合荷载作用下加劲肋位置与截面刚度对高腹板屈曲特性影响规律。采用弹性薄板理论、里兹能量变分法、有限元模拟和模型试验，考虑混凝土桥面板、剪力钉、加劲肋、钢翼缘对高腹板边界弹性转动约束作用，获得大跨径钢-混组合梁桥高腹板弹性转动约束边界效应理论模型，提出弹性转动约束边界的大跨径钢-混组合梁桥高腹板的临界屈曲应力计算方法，形成大跨径钢-混组合梁桥高腹板稳定性设计的加劲肋优化设置方法。相关研究对精确分析大跨径钢-混组合梁高腹板的稳定性与优化设计开辟了新思路，对其它工程结构的高腹板稳定性分析也具有参考价值。

钢-混组合梁桥受力合理，跨越能力大，桥面铺装性能好，近年来被广泛运用于大跨径桥梁建设工程。随着桥梁跨径的不断增大，组合梁桥腹板高度不断增加，引出了大跨径钢-混组合梁桥高腹板设计新问题。钢-混组合梁桥的混凝土桥面板通过剪力钉与钢主梁进行连接，混凝土桥面板、剪力钉、加劲肋以及钢翼缘均对腹板边界产生弹性转动约束作用，但目前其腹板稳定性分析边界采用四边简支形式，腹板稳定性分析与实际相差很大。本项目针对大跨径钢-混组合梁桥腹板高、高厚比大、腹板边界约束作用不明确、应力状态复杂的特点，开展钢-混组合梁腹板稳定性分析，取得的主要成果如下：.（1）获得了钢-混组合梁高腹板边界弹性转动约束系数计算公式。基于弹性板件理论，考虑发生腹板屈曲时腹板边界与组合翼缘转角相等，将钢翼缘扭转刚度Ct、剪力钉群对称力偶提供的等效扭转刚度Cs与混凝土板的扭转刚度Cc集成钢-混组合翼缘扭转刚度Cz，获得钢-混组合翼缘的弹性转动约束系数χ。.（2）提出了弹性转动约束边界的钢-混组合梁桥高腹板临界屈曲应力计算方法。基于里兹能量法和能量守恒，考虑弹性转动约束边界获得了组合梁高腹板弯曲、剪切荷载下的临界屈曲应力；通过改变高腹板上、下边界弹性转动约束系数、弯剪应力比、弯曲荷载应力梯度等，提出弯剪复合荷载下考虑弹性转动约束边界的钢-混组合梁高腹板屈曲方程。.（3）提出了钢-混组合梁桥高腹板加劲肋优化设置方法。基于能量法和屈曲安全度原则，提出了弹性转动约束边界的高腹板纵向加劲肋优化设计方法，获得转动约束边界下高腹板纵向加劲肋设置的最优位置。.通过本项目的研究，获得湖北省技术发明一等奖1项（排名1）；发表学术论文15篇，其中SCI、EI收录11篇；授权国家发明专利4项，申请国家发明专利4项；培养博士后、博士和硕士研究生共9人；参加国内外学术交流18人次。研究成果在港珠澳大桥、武汉鹦鹉洲长江大桥的设计与施工中获得了成功应用。