CN107066773A - 组合桁腹梁桥的桁‑箱等效设计方法 - Google Patents

组合桁腹梁桥的桁‑箱等效设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种组合桁腹梁桥的桁‑箱等效设计方法，本发明将组合桁腹梁桥通过等效的方法转换成混凝土箱梁桥，使对组合桁腹梁桥的设计转换成对混凝土箱梁桥的设计。本发明提供的组合桁腹梁桥的桁‑箱等效设计方法，可最大程度的保留组合桁腹梁桥结构本来形状，体现组合桁腹梁桥结构最本质的力学特征。本发明把由两种材料组成的结构等效成了由同一种材料组成的结构，在整体设计时，不用考虑不同材料之间的连接方法，方便设计，可大大提高设计效率。本发明将不连续的组合桁腹梁桥结构体转换成了连续的混凝土箱梁桥结构体，使结构得到了简化，便于分析和设计。

Description

组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法
技术领域
本发明属于钢与混凝土组合结构桥梁技术领域，具体涉及组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法。
技术背景
组合桁腹梁桥是一种新型组合结构桥梁，由混凝土顶板、混凝土底板和钢结构腹杆组成，具有受力明确，造型美观，自重轻，施工期短等优点，具有良好的发展前景。
组合桁腹梁桥由钢和混凝土两种不同的材料组成，杆件众多，荷载在不同材料与构件之间传递，传力途径与力学机理十分复杂，缺少高效、精确的分析与设计方法。目前的设计方法多采用结构简化的方法，把组合结构简化成杆系结构，但是这种简化改变了结构的本来面目，不利于对该种结构力学特性的分析和理解。
因此，很有必要在现有技术的基础之上，设计研发一种能够体现组合桁腹梁桥结构的力学本质性能，便于设计和分析的组合桁腹梁桥设计方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于避免现有技术组合桁腹梁桥设计过程中过度的简化，不能准确对组合桁腹梁桥结构进行力学特性的分析；提供一种能够体现组合桁腹梁桥结构的力学本质性能，便于设计和分析的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法。
技术方案：为了实现以上目的，本发明采取的技术方案是：
组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，是将组合桁腹梁桥通过等效的方法转换成混凝土箱梁桥，使对组合桁腹梁桥的设计转换成对混凝土箱梁桥的设计。
作为优选方案，以上所述的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，包括以下步骤：
a、根据剪切变形能相等的原则，把组合桁腹梁桥的钢腹杆转换成等厚的钢腹板，转换后的钢腹板形心与原钢腹杆组成的钢桁架的形心重合，组合桁腹梁桥的混凝土顶板和混凝土底板不变，其它预应力钢筋等构造不变；
b、根据剪切刚度等效的原则，把等厚的钢腹板转换成等厚的混凝土腹板，转换后的混凝土腹板形心与原钢腹板形心重合，混凝土顶板和混凝土底板不变，其它预应力钢筋等构造不变；
c、通过以上两个步骤把不连续的组合桁腹梁桥转换成连续的混凝土箱梁桥，实现桁-箱等效的结构转换，通过对混凝土箱梁桥的分析与设计实现对组合桁腹梁桥的分析与设计。
d、完成对混凝土箱梁的设计后，计算混凝土箱梁腹板的内力，并且按照组合桁架的力学性质还原为桁架的杆力，以便于对原结构的钢腹杆进行研究和设计计算。
作为优选方案，以上所述的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，步骤a所述的转换方法为：
（1）取平面桁架的一个节间作为分析对象，计算节间桁架受到单位剪力作用时的变形，并求得节间桁架的应变能；
（2）取桁架连续化处理后的一个节间的薄板作为分析对象，计算节间薄板受到单位剪力作用时的变形，并求得节间薄板的应变能；
（3）根据节间桁架的应变能与节间薄板的应变能相等的原则，就可以得到等效钢腹板的厚度。
作为优选方案，以上所述的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，步骤b所述的转换方法为：
（1）计算出钢腹板承受的剪应力和剪切变形；
（2）计算出等效混凝土腹板的剪应力和剪切变形；
（3）根据剪切刚度等效的原则，可以得到钢腹板和等效混凝土腹板承受的剪力和剪切变形相等，进而可以计算出等效混凝土腹板的厚度。
作为优选方案，以上所述的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，步骤c所述的设计方法为：选取任意一种适合混凝土箱梁的桥梁设计软件（如MIDAS软件等），进行结构分析和设计。
作为优选方案，以上所述的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，步骤d所述的还原方法为：混凝土箱梁的剪力由腹板承担，组合桁腹梁桥的剪力由钢腹杆承担，根据二者承担的剪力相等的原则，计算出混凝土箱梁腹板承担的剪力，即为组合桁腹梁桥钢腹杆承担的剪力，从而可以实现对原结构的钢腹杆进行设计。
本发明把组合桁腹梁桥的钢腹杆根据剪切变形能相等的原则，转换成等厚的钢腹板，转换后的钢腹板形心与原钢腹杆组成的钢桁架的形心重合，组合桁腹梁桥的混凝土顶板和混凝土底板不变，预应力钢筋等构造不变。再根据剪切刚度等效的原则，把等厚的钢腹板转换成等厚的混凝土腹板，转换后的混凝土腹板形心与原钢腹板形心重合，混凝土顶板和混凝土底板不变，预应力钢筋等构造不变。通过上述的方法，把不连续的结构体（组合桁腹梁桥）转换成连续的结构体（混凝土箱梁桥），将由两种材料组成的结构等效成了由同一种材料组成的结构，实现“桁-箱等效”的结构转换，从而使对组合桁腹梁桥的设计转换成了对混凝土箱梁桥的设计，这样就可以运用现有的成熟的设计理论和设计软件对结构进行分析与设计，从而可大大简化设计过程，提高设计效率。
有益效果：本发明和现有技术相比具有以下优点：
1、与现有设计的简化方法相比，本发明可最大程度的保留组合桁腹梁桥结构本来形状，体现组合桁腹梁桥结构最本质的力学特征，便于使用者对结构力学特征的理解。
2、与现有设计方法相比，本发明把由两种材料组成的结构等效成了由同一种材料组成的结构，在整体设计时，不用考虑不同材料之间的连接方法，方便设计，可大大提高设计效率。
3、与现有设计方法相比，本发明将不连续的组合桁腹梁桥结构体转换成了连续的混凝土箱梁桥结构体，使结构得到了简化，便于分析和设计。
4、与现有设计方法相比，本发明可充分利用现有的成熟的混凝土箱梁设计方法和手段，使复杂结构的设计得到简化，提高工作效率。
附图说明
图1为本发明组合桁腹梁桥结构示意图。
图2为本发明钢腹杆转换为钢腹板的桁-箱等效结构示意图。
图3为本发明钢腹板转换为混凝土腹板的桁-箱等效结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，其包括以下步骤：
a、根据剪切变形能相等的原则，把图1中组合桁腹梁桥的钢腹杆3转换成图2中等厚的钢腹板4，转换后的钢腹板形心与原钢腹杆组成的钢桁架的形心重合，组合桁腹梁桥的混凝土顶板1和混凝土底板2不变，其它预应力钢筋等构造不变。
b、根据剪切刚度等效的原则，把图2中等厚的钢腹板4转换成图3中等厚的混凝土腹板5，转换后的混凝土腹板形心与原钢腹板形心重合，混凝土顶板1和混凝土底板2不变，其它预应力钢筋等构造不变。
c、通过上述步骤a和b，把不连续的结构体（图1中组合桁腹梁桥）转换成连续的结构体（图3中混凝土箱梁桥），将由两种材料组成的结构等效成了由同一种材料组成的结构，实现“桁-箱等效”的结构转换，通过对混凝土箱梁桥的分析与设计实现对组合桁腹梁桥的分析与设计。
d、完成对混凝土箱梁的设计后，计算混凝土箱梁腹板的内力，并且按照组合桁架的力学性质还原为桁架的杆力，以便于对原结构的钢腹杆进行研究和设计计算。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，其特征在于，将组合桁腹梁桥通过等效的方法转换成混凝土箱梁桥，使对组合桁腹梁桥的设计转换成对混凝土箱梁桥的设计。
2.根据权利要求1所述的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、根据剪切变形能相等的原则，把组合桁腹梁桥的钢腹杆（3）转换成等厚的钢腹板（4），转换后的钢腹板（4）形心与原钢腹杆（3）组成的钢桁架的形心重合，组合桁腹梁桥的混凝土顶板（1）和混凝土底板（2）不变，其它预应力钢筋等构造不变；
b、根据剪切刚度等效的原则，把等厚的钢腹板（4）转换成等厚的混凝土腹板（5），转换后的混凝土腹板（5）形心与原钢腹板（4）形心重合，混凝土顶板（1）和混凝土底板（2）不变，其它预应力钢筋等构造不变；
c、通过以上两个步骤把不连续的组合桁腹梁桥转换成连续混凝土箱梁桥，实现桁-箱等效的结构转换，通过对混凝土箱梁桥的分析与设计实现对组合桁腹梁桥的分析与设计；
d、完成对混凝土箱梁的设计后，计算混凝土箱梁腹板的内力，并且按照组合桁架的力学性质还原为桁架的杆力，以便于对原结构的钢腹杆进行研究和设计计算。
3.根据权利要求2所述的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，其特征在于，步骤a所述的转换方法为：
（1）取平面桁架的一个节间作为分析对象，计算节间桁架受到单位剪力作用时的变形，并求得节间桁架的应变能；
（2）取桁架连续化处理后的一个节间的薄板作为分析对象，计算节间薄板受到单位剪力作用时的变形，并求得节间薄板的应变能；
（3）根据节间桁架的应变能与节间薄板的应变能相等的原则，就可以得到等效钢腹板的厚度。
4.根据权利要求2所述的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，其特征在于，步骤b所述的转换方法为：
（1）计算出钢腹板承受的剪应力和剪切变形；
（2）计算出等效混凝土腹板的剪应力和剪切变形；
（3）根据剪切刚度等效的原则，可以得到钢腹板和等效混凝土腹板承受的剪力和剪切变形相等，进而可以计算出等效混凝土腹板的厚度。
5.根据权利要求2所述的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，其特征在于，步骤c所述的设计方法为：选取适合混凝土箱梁的桥梁设计软件，进行结构分析和设计。
6.根据权利要求2所述的组合桁腹梁桥的桁-箱等效设计方法，其特征在于，步骤d所述的还原方法为：混凝土箱梁的剪力由腹板承担，组合桁腹梁桥的剪力由钢腹杆承担，根据二者承担的剪力相等的原则，计算出混凝土箱梁腹板承担的剪力，即为组合桁腹梁桥钢腹杆承担的剪力，从而可以实现对原结构的钢腹杆进行设计。
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Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

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Denomination of invention: Truss box equivalent design method of composite truss web girder bridge

Granted publication date: 20200428

License type: Common License

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Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980006173

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