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      一種簡(jiǎn)支鋼箱梁預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的優(yōu)選方法

      文檔序號(hào):9321823閱讀:581來(lái)源:國(guó)知局
      一種簡(jiǎn)支鋼箱梁預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的優(yōu)選方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001] 本發(fā)明涉及一種簡(jiǎn)支鋼箱梁預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的優(yōu)選方法。
      【背景技術(shù)】
      [0002] 預(yù)應(yīng)力技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程中,特別是橋梁工程,預(yù)應(yīng)力鋼箱梁主要是 在鋼箱內(nèi)設(shè)置體外曲線(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋而形成的組合結(jié)構(gòu),對(duì)于鋼箱梁,預(yù)應(yīng)力筋的引入極大改 善了結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,提高了橋梁的跨越能力,與普通鋼結(jié)構(gòu)相比可節(jié)省鋼材30%左右,如 沈陽(yáng)市二環(huán)路高架橋的建設(shè)以及哈爾濱市工農(nóng)兵橋的修復(fù)等均采用了預(yù)應(yīng)力鋼箱梁。預(yù) 應(yīng)力筋的布置主要為體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋和體外預(yù)應(yīng)力筋,體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋主要應(yīng)用于混凝土橋梁 中,而體外預(yù)應(yīng)力筋則大多數(shù)應(yīng)用于橋梁維修加固和預(yù)應(yīng)力鋼箱梁。
      [0003] 在鋼箱梁中,采用的預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形多種多樣,如直線(xiàn)形、折線(xiàn)形和曲線(xiàn)形等,其中 應(yīng)用最為廣泛的還是曲線(xiàn)形。但是,根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn),對(duì)于預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的選擇并沒(méi)有進(jìn)行系 統(tǒng)的研究,因而預(yù)應(yīng)力筋的作用未能充分發(fā)揮,然而現(xiàn)階段由于預(yù)應(yīng)力鋼箱梁的大量應(yīng)用, 那么該方面的研究及發(fā)明更具必要性。但是,由于受剪力滯后效應(yīng)影響,該類(lèi)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析 更趨復(fù)雜,與混凝土箱形梁橋相比較,預(yù)應(yīng)力鋼箱梁的梁壁更薄,那么不對(duì)其進(jìn)行更加細(xì)致 的力學(xué)分析,可能會(huì)造成該類(lèi)結(jié)構(gòu)的局部開(kāi)裂、局部失穩(wěn),或更加嚴(yán)重的橋梁病害。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0004] 本發(fā)明目的是:提供一種力學(xué)分析準(zhǔn)確,且能夠很好發(fā)揮其獲取預(yù)拱度和施加預(yù) 應(yīng)力的雙重作用,使鋼箱梁處于更加良好的力學(xué)狀態(tài),有利于避免梁體開(kāi)裂、局部失穩(wěn)等不 良病害,進(jìn)而提高該類(lèi)結(jié)構(gòu)耐久性的簡(jiǎn)支鋼箱梁預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的優(yōu)選方法。
      [0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種簡(jiǎn)支鋼箱梁預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的優(yōu)選方法,包括以下步 驟:
      [0006] 步驟1):在分析鋼箱梁的豎向彎曲時(shí)引入3個(gè)廣義位移,即w(x)為箱梁豎向撓 度,u(x)為箱梁翼板的最大縱向翹曲位移差函數(shù),0 (X)為箱形截面梁關(guān)于z軸的豎向轉(zhuǎn) 角,且x為梁跨方向,則箱形梁翼板的縱向位移可表示為:
      [0007]
      (1)
      [0008] 式中:b為箱梁凈寬的一半;
      [0009] h為箱形梁截面豎向y坐標(biāo);
      [0010] 步驟2) : (1)腹板變形勢(shì)能
      [0011]
      (2)
      [0012] (2)翼板變形勢(shì)能
      [0018] 那么結(jié)構(gòu)體系的總勢(shì)能為:
      [0019] V=V1+V2+V3+Vp (6)
      [0020] 式中^(x)為箱梁翼板剪滯效應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)于z軸彎矩;M(x)為梁段端產(chǎn)生豎向轉(zhuǎn) 角9 (x)時(shí)關(guān)于z軸彎矩;Q(x),q(x)為梁段端豎向剪力及箱梁上豎向分布力;E,G為材料 的楊氏彈性模量和剪切彈性模量;k為截面形狀系數(shù);Iw,1:為箱梁腹板和翼板關(guān)于z軸的 慣性矩;A為箱梁截面面積。
      [0021 ]步驟3):根據(jù)變分原理忍F = 0 >獲得其微分方程為:
      [0029] 步驟4):通過(guò)方程(7)、(8)和(9)之間的整理變換,求得新微分方程解為:
      [0030]
      (13)
      [0031]其中:W= -1 +I=Iw+Ii,且u(3)為u的3次求導(dǎo)式; 5ii
      [0032] 則其特征方程解為:
      [0033] yli2= ±(aJ) ;y3= 〇。
      [0034] 最后,u(x), 9 (x)和w(x)的解分別為:
      [0035]
      常系數(shù);
      [0039] 步驟5)假設(shè)預(yù)應(yīng)力筋的曲線(xiàn)方程為
      中1為鋼箱梁跨 度,f為預(yù)應(yīng)力筋跨中的垂度,h為預(yù)應(yīng)力筋偏離中性軸的距離,q為預(yù)加力等效均布豎向荷 載;
      [0040] 步驟6)根據(jù)特定邊界條件,將方程w(x),0 (x),u(x)或其導(dǎo)數(shù)式代入邊界條件, 首先計(jì)算出待定常數(shù)C1;c2;c3;c4;c5;c6,然后計(jì)算出w(x),即可獲得鋼箱梁預(yù)拱度的大小, 同時(shí)可計(jì)算出上下翼板預(yù)加應(yīng)力的大小,即
      。綜合考慮 后,篩選出簡(jiǎn)支鋼箱梁最佳預(yù)應(yīng)力筋(索)布置線(xiàn)形。
      [0041] 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡(jiǎn)支鋼箱梁預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的優(yōu)選方法,其特征在于,步 驟6)中篩選出簡(jiǎn)支鋼箱梁最佳預(yù)應(yīng)力筋布置線(xiàn)形的具體方法如下:首先根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋的 曲線(xiàn)方S
      將h劃分為若干等分作為循環(huán)項(xiàng),然后在特定邊界條件和 一定預(yù)應(yīng)力條件下,根據(jù)邊界條件形成矩陣方程,基于此計(jì)算出待定常數(shù)c1;c2;c3;c4;c5;c6,進(jìn)而將常數(shù)項(xiàng)輸入w(x),0'(x),u'(x)即可獲取預(yù)拱度和翼板預(yù)應(yīng)力值,最后根據(jù)預(yù)拱 度大小,兼顧翼板應(yīng)力值篩選出預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的方程。
      [0042] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
      [0043] 1.本發(fā)明引入薄壁箱梁理論,其力學(xué)分析更加準(zhǔn)確,與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形相對(duì)比, 很好發(fā)揮其獲取預(yù)拱度和施加預(yù)應(yīng)力的雙重效用,優(yōu)化后的預(yù)應(yīng)力筋布置使鋼箱梁處于更 加良好的力學(xué)狀態(tài),有利于避免梁體開(kāi)裂、局部失穩(wěn)等不良病害,進(jìn)而提高了該類(lèi)結(jié)構(gòu)的耐 久性;
      [0044] 2.本發(fā)明力學(xué)概念清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單,具有寬廣的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值,不僅可以?xún)?yōu) 化鋼箱梁的力學(xué)性能,而且可以進(jìn)一步節(jié)約鋼材用量。同時(shí),對(duì)于混凝土箱梁的維修加固具 有指導(dǎo)意義(采用體外預(yù)應(yīng)力筋(索))。
      【附圖說(shuō)明】
      [0045] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
      [0046] 圖1為本發(fā)明鋼箱梁預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形示意圖;
      [0047] 圖2為本發(fā)明鋼箱梁截面示意圖(0為箱梁形心);
      [0048] 圖3為本發(fā)明預(yù)應(yīng)力筋的等效荷載不意圖;
      [0049] 圖4為本發(fā)明鋼箱梁橫斷面布筋示意圖;
      [0050] 圖5為實(shí)施例1中鋼箱梁跨中橫斷面布筋示意圖;
      【具體實(shí)施方式】
      [0051] 實(shí)施例1 :如圖2、圖5所示,鋼箱梁的幾何參數(shù)和材料參數(shù)分別為山=12= 13 =3mm;t4= 4mm;b= 0? 25m;ab= 0? 25m;H= 0? 4m;L= 5m;E= 2. 01X105Mpa;G= 7. 9X104Mpa,且每根預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)加力為5〇KN,其中E1;F1;G廊E2;F2;G2分別為應(yīng)力測(cè)點(diǎn) 或計(jì)算點(diǎn)。最后根據(jù)施加的預(yù)加力,以及不同布筋方式可以獲得不同的預(yù)拱度和不同的翼 板應(yīng)力分布形式,據(jù)此可以獲得最佳預(yù)應(yīng)力筋的布置線(xiàn)形。
      [0052] 預(yù)應(yīng)力筋布置的主要目的是使橋梁結(jié)構(gòu)獲得恰當(dāng)?shù)念A(yù)拱度和預(yù)加應(yīng)力,進(jìn)而使結(jié) 構(gòu)具有良好的力學(xué)性能,鋼箱梁為薄壁結(jié)構(gòu),具有獨(dú)特的力學(xué)特性,由于受剪力滯后效應(yīng)的 影響,其上下翼板正應(yīng)力的分布是不均勻的,因而在預(yù)應(yīng)力作用下,就有可能造成上翼板與 腹板交接處(如E1;G 附近)開(kāi)裂,以及下翼板與腹板交接處(如E2;G2點(diǎn)附近)發(fā)生局 部失穩(wěn)。
      [0053] 經(jīng)過(guò)循環(huán)試算,綜合各項(xiàng)因素,本實(shí)驗(yàn)梁選擇h為3cm,此時(shí)整個(gè)鋼箱梁斷面皆受 到壓應(yīng)力影響,且預(yù)拱度足夠大,因而預(yù)應(yīng)力筋的篩選線(xiàn)形應(yīng)為
      ,但傳 統(tǒng)選擇應(yīng)為h=8cm,其線(xiàn)形方程彡
      :時(shí)鋼箱梁上翼板尚有較大的 拉應(yīng)力,因而未能達(dá)到良好的預(yù)應(yīng)力效果。
      [0054] 表1簡(jiǎn)支鋼箱梁預(yù)拱度及翼板正應(yīng)力計(jì)算示例(其中3組數(shù)據(jù))
      [0055]
      [0056] 注:負(fù)應(yīng)力為壓應(yīng)力,正應(yīng)力為拉應(yīng)力。
      【主權(quán)項(xiàng)】
      1. 一種簡(jiǎn)支鋼箱梁預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的優(yōu)選方法,其特征在于,包括以下步驟: 步驟1):在分析鋼箱梁的豎向彎曲時(shí)引入3個(gè)廣義位移,即W(X)為箱梁豎向撓度,U(X)為箱梁翼板的最大縱向翹曲位移差函數(shù),0 (X)為箱形截面梁關(guān)于z軸的豎向轉(zhuǎn)角,且 X為梁跨方向,則箱形梁翼板的縱向位移可表示為:那么結(jié)構(gòu)體系的總勢(shì)能為: V=V1+V2+V3+Vp (6) 式中=M1(X)為箱梁翼板剪滯效應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)于z軸彎矩;M(X)為梁段端產(chǎn)生豎向轉(zhuǎn)角 9 (X)時(shí)關(guān)于z軸彎矩;Q(x),q(x)為梁段端豎向剪力及箱梁上豎向分布力;E,G為材料的 楊氏彈性模量和剪切彈性模量;k為截面形狀系數(shù);Iw,1:為箱梁腹板和翼板關(guān)于z軸的慣 性矩;A為箱梁截面面積。 步驟3):根據(jù)變分原理= 0 ,獲得其微分方程為:為預(yù)應(yīng)力筋跨中的垂度,h為預(yù)應(yīng)力筋偏離中性軸的距離,q為預(yù)加力等效均布豎向荷載; 步驟6)根據(jù)特定邊界條件,將方程W(X),0 (x),u(X)或其導(dǎo)數(shù)式代入邊界條件,首先 計(jì)算出待定常數(shù)(3 1;(:2;c3;c4;c5;C6,然后計(jì)算出W(X),即可獲得鋼箱梁預(yù)拱度的大小,同時(shí)選出簡(jiǎn)支鋼箱梁最佳預(yù)應(yīng)力筋(索)布置線(xiàn)形。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的簡(jiǎn)支鋼箱梁預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的優(yōu)選方法,其特征在于,步驟6) 中篩選出簡(jiǎn)支鋼箱梁最佳預(yù)應(yīng)力筋布置線(xiàn)形的具體方法如下:首先根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋的曲線(xiàn)方應(yīng)力條件下,根據(jù)邊界條件形成矩陣方程,基于此計(jì)算出待定常數(shù)c1;c2;c3;c4;c5;c6,進(jìn)而 將常數(shù)項(xiàng)輸入W(X),0' (X),U' (X)即可獲取預(yù)拱度和翼板預(yù)應(yīng)力值,最后根據(jù)預(yù)拱度大 小,兼顧翼板應(yīng)力值篩選出預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的方程。
      【專(zhuān)利摘要】<b>本發(fā)明公開(kāi)了一種簡(jiǎn)支鋼箱梁預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形的優(yōu)選方法,由于引入薄壁箱梁理論,因而其力學(xué)分析更加準(zhǔn)確,與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力筋線(xiàn)形相對(duì)比,很好發(fā)揮了其獲取預(yù)拱度和施加預(yù)應(yīng)力的雙重效用。優(yōu)化后的預(yù)應(yīng)力筋布置使鋼箱梁處于更加良好的力學(xué)狀態(tài),因而有利于避免梁體開(kāi)裂、局部失穩(wěn)等不良病害,進(jìn)而提高了該類(lèi)結(jié)構(gòu)的耐久性。同時(shí),其力學(xué)概念清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單,具有寬廣的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值,本發(fā)明不僅可以?xún)?yōu)化鋼箱梁的力學(xué)性能,而且可以進(jìn)一步節(jié)約鋼材用量。</b>
      【IPC分類(lèi)】E01D2/04, E01D101/28
      【公開(kāi)號(hào)】CN105040569
      【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510551631
      【發(fā)明人】甘亞南, 石飛停
      【申請(qǐng)人】鹽城工學(xué)院
      【公開(kāi)日】2015年11月11日
      【申請(qǐng)日】2015年9月1日
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