于祥坤 趙偉 申港 王先宣 王保群 宋軍 董旭
摘要:為研究大跨徑混合梁鋼梁-混凝土梁結合段的傳力性能和縱橋向應力傳遞路徑,以韓莊運河特大橋為工程背景,通過實橋測試與數(shù)值模擬相結合的方式,分析主梁鋼梁-混凝土梁結合段應力分布與傳遞規(guī)律。對鋼板和混凝土進行應變監(jiān)測,獲取其應力分布與傳遞規(guī)律;采用軟件ABAQUS建立鋼梁-混凝土梁結合段精細化有限元計算模型,對比分析實橋數(shù)據與計算模型分析結果。結果表明:在鋼梁-混凝土梁結合段應力從承壓板傳遞到混凝土梁的過程中,隨距承壓板距離的增大,應力逐漸減小,混凝土梁段應力最??;承壓板的最大應力出現(xiàn)在預應力錨固處,越接近承壓板中心和承壓板邊緣,應力越??;承壓板頂部整體應力在吊裝階段較大,底部應力在張拉階段較大,現(xiàn)場采集數(shù)據與有限元模型應力傳遞規(guī)律一致。
關鍵詞:大跨徑混合梁;鋼梁-混凝土梁結合段;應力傳遞;承壓板;有限元分析;實橋測試
中圖分類號:U441;U448.21+6;TU311文獻標志碼:A文章編號:1672-0032(2024)02-0060-07
引用格式:于祥坤,趙偉,申港,等.基于實橋測試的大跨徑混合梁鋼梁-混凝土梁結合段傳力機理[J].山東交通學院學報,2024,32(2):60-66.
YU Xiangkun, ZHAO Wei, SHEN Gang, et al. Force transmission mechanism of the joint section of long-span hybrid girder steel-concrete beam based on in-situ bridge test[J].Journal of Shandong Jiaotong University,2024,32(2):60-66.
0?引言
隨橋梁設計理論的發(fā)展和施工技術的成熟,混合梁橋在懸索橋、連續(xù)剛構橋和連續(xù)梁等大跨徑橋梁設計中應用越來越廣[1-2]。鋼梁-混凝土梁混合結構在梁式橋中的應用較少,特大跨徑預應力混凝土梁式橋因自身恒載過高,難以進一步提高跨越能力,采用鋼梁-混凝土梁混合結構,主跨采用部分鋼梁,可有效解決混凝土梁自重過大的問題?;旌狭簶蜾摿?混凝土梁結合段由2種材料組成,傳力過程中必然出現(xiàn)受力差異,研究鋼梁-混凝土梁結合段的傳力及受力性能是此類橋梁設計的關鍵[3-4]。
為確保鋼梁-混凝土梁結合段施工質量及受力合理,劉德清等[5]采用主梁制造預拱度控制、負誤差動態(tài)控制主梁預制長度和角度誤差、精確定位基準梁和調整環(huán)氧樹脂膠厚度控制主梁拼裝誤差、修正變形等施工控制技術,減小混凝土主梁拼裝誤差;于祥坤[6]研發(fā)鋼梁-混凝土梁結合段臨時固定裝置進行空間姿態(tài)定位;張玉平等[7]采用軟件ABAQUS模擬已澆筑鋼梁-混凝土梁結合段吊裝工藝,發(fā)現(xiàn)起吊荷載對結合段內部混凝土不利,需在鋼梁頂板下方加勁后再吊裝;田波等[8]對鋼梁-混凝土梁結合段的位置、關鍵構造進行多方案設計,優(yōu)先采用梁肋全截面連接承壓傳剪式過渡構造,并通過鋼梁-混凝土梁結合段現(xiàn)場靜力模型試驗、破環(huán)模型試驗及澆筑試驗驗證結構合理性和施工的可實施性;施洲等[9]對主梁鋼梁-混凝土梁結合段進行局部縮尺靜力和疲勞模型試驗,并結合有限元分析鋼混結合段的應力分布、滑移開裂及疲勞性能,發(fā)現(xiàn)最不利工況下,結合段鋼構件應力沿橫向分布不均且邊箱處應力最大,沿縱向在承壓板處產生突變,承壓板傳力作用顯著;周凱旋[10]基于鋼梁-混凝土梁結合段疲勞試驗模型,分析鋼頂板與混凝土間的連接方式、端橫隔板高度及頂板厚度、承壓板厚度對試驗模型的影響;唐林俊[11]分別采用Midas civil和Midas FEA NX建立全橋和鋼混結合段局部有限元模型,將結合段截面內力施加于局部有限元模型進行靜力分析,結果表明結合段處于受壓狀態(tài);姜興洪[12]評估鋼梁-混凝土梁結合段疲勞性能,根據應力幅等效原則建立局部模型,分析對疲勞性能影響較大因素的合理取值;黃國紅等[13]基于中墩截面彎矩等效和邊支座支反力控制原則,采用結構力學位移法建立力學和數(shù)學計算模型,推導三跨混合連續(xù)梁橋中跨鋼梁長度占比的合理取值范圍,獲得三跨混合連續(xù)梁橋的跨徑布置及結合段合理位置(邊中跨比與中跨鋼梁長度占比)間的關系或可行域范圍;陳君等[14]研究建立鋼梁-混凝土梁組合的混合連續(xù)梁精細化有限元模型,分析鋼梁-混凝土梁結合段在各種荷載工況下的局部應力分布規(guī)律及荷載在結合段內的傳遞路徑。目前對對鋼梁-混凝土梁結合段施工技術、受力性能、疲勞性能等的研究多集中于斜拉橋,大跨混合梁橋鋼梁-混凝土梁結合段的相關研究較少,且僅局限于室內模型,缺少工程實體鋼梁-混凝土梁結合段傳力機理現(xiàn)場試驗研究。
本文以韓莊運河特大橋為工程背景,采用理論分析的方式研究鋼梁-混凝土梁結合段傳力機理,并進行實體工程現(xiàn)場試驗,建立精細化有限元計算模型,分析主梁鋼梁-混凝土梁結合段應力分布與傳遞規(guī)律,以期為此類橋梁關鍵部位的設計與施工提供借鑒。
1?鋼梁-混凝土梁結合段軸力傳力機理理論
韓莊運河特大橋鋼梁-混凝土梁結合段采用有格室后承壓板式結構。鋼梁-混凝土梁結合段構造參數(shù)包括承壓板厚度、結合段長度、混凝土頂板厚度、混凝土底板厚度、縱向剪力鍵間距、PBL剪力鍵和栓釘數(shù)等,不同構造參數(shù)對鋼梁-混凝土梁結合段處的傳力分配比有較大影響?;炷亮撼袚枯S力,當軸力到達鋼梁-混凝土梁結合段時,因混凝土梁和鋼結構存在剛度差異,剪力鍵開始受力,且把力傳遞至鋼結構上,承壓板承擔大部分軸力[15-16]。鋼梁-混凝土梁結合段軸力傳遞如圖1所示。
鋼梁-混凝土梁結合段長L,以承壓板處為水平坐標軸零點位置,x坐標軸水平向右。忽略鋼梁-混凝土梁結合段內摩擦力與黏結力的影響,總軸力
F=Fcon(x)+Fst(x),
式中:Fcon(x)為混凝土梁過渡段水平方向軸力,x為水平坐標,F(xiàn)st為鋼梁-混凝土梁結合段水平方向軸力。
剪力鍵沿鋼梁-混凝土梁結合段縱向均勻分布,剪力鍵剪力與鋼結構和混凝土間的滑移量成正比,剪力鍵剪力
qx=kq∫x0Fconxkc-Fstxksdx,(1)
式中:kq為剪力鍵剪切剛度;kc為混凝土過渡段軸向壓縮剛度,kc=AcEc,其中Ac為混凝土的截面面積,Ec為混凝土的彈性模量;ks為鋼結構軸向壓縮剛度,ks=AsEs,其中As為鋼結構的截面面積,Es為鋼結構的彈性模量。
q(x)隨x累加,鋼結構與剪力鍵剪力間的微分方程為:
Fstx=∫Lxqxdx。(2)
在結合段長L的鋼板上,F(xiàn)st=0;在x=0處,q(x)=0,根據式(1)(2)求得:
Fst(x)=Fρ0[1-cosh(krx)sech(Lkr)],
q(x)=Fρ0krsech(Lkr)sinh(krx),(3)
式中:ρ0為結合段構造傳力比;kr為剪力鍵與鋼結構和混凝土結構的相對剛度,kr=[k(ks+kc)/kcks]1/2,其中k為剪力鍵換算線剛度,k=kq/d,d為剪力鍵剪切面長度。
根據式(3)可知,x=L時,結合段與混凝土接觸端的剪力鍵內力最大,最大剪力鍵內力
qmax=Fρ0krtanh(Lkr)。
鋼梁-混凝土梁結合段剪力鍵剪力等于所有縱向剪力鍵傳力之和,在x=0,承壓板與混凝土結合處,剪力鍵剪力總和qsum=Fstmax=Fρ0[1-sech(Lkr)]。
剪力鍵傳力比
Rq=qsum/F=ρ0[1-sech({L}kr)],
式中{L}為以m為單位的L的數(shù)值。
Rq主要與ρ0、kr和L有關。Rq變化曲線如圖2所示。由圖2可知:ρ0和kr不變時,Rq隨L的增大而增大,趨近于ρ0時,鋼結構和混凝土結構協(xié)同變形,不再產生滑移,剪力鍵不再受力,Rq不再增大,Rq的最大值為ρ0。
2?實橋試驗與測試方案
在實體工程現(xiàn)場試驗,可更直觀地反映鋼梁-混凝土梁結合段的受力與傳力特性。在鋼梁-混凝土梁結合段的關鍵施工階段,作用在結合段上的軸力從混凝土箱梁傳遞到鋼箱梁時,縱向剛度突變,易產生應力集中[17-19]。截取縱橋向6個斷面和后承壓板橫斷面布置應力傳感器,監(jiān)測應力傳遞分布。在受力傳遞過程中,鋼梁-混凝土梁結合段后承壓板對傳力起關鍵作用,通過應力監(jiān)測布置研究承壓板應力分布情況,同時實時監(jiān)測承壓板的工作狀態(tài)。試驗內容包括:對縱橋向鋼梁-混凝土梁結合段斷面進行測點布置,研究應力在縱橋向各斷面處傳力的分配比例,分析應力在縱橋向的傳力規(guī)律;研究后承壓板在受力過程中的應力分布情況。
2.1?工程簡介
韓莊運河特大橋的主梁施工分為混凝土梁施工和鋼梁-混凝土梁結合段施工,主橋混凝土梁邊跨最大懸臂長63.5 m,分為17個梁段;中跨最大懸臂端長59.25 m,分為17個梁段,采用掛籃對稱懸臂澆筑前17個梁段(第15#~17#梁段兩側懸臂澆筑質量不同,滿足結構受力的最優(yōu)選擇)。鋼梁-混凝土梁結合段長4.5 m,采用浮吊起吊和掛籃固定,形成安全、穩(wěn)定的操作平臺,方便鋼梁-混凝土梁結合段混凝土澆筑和預應力張拉。鋼箱梁長57.0 m,采用整體吊裝,將工廠預制合龍鋼箱梁通過運河通道運至橋位,由橋面吊機將合龍鋼箱梁起吊,吊裝就位后采用高強度螺栓永久固定,采用CO2氣體保護焊焊接裂縫。重點分析現(xiàn)場試驗鋼梁-混凝土梁結合段的施工工況及鋼箱梁安裝完成后的施工工況。施工結構示意圖如圖3所示。
2.2?應變計布置
在鋼梁-混凝土梁結合段處的混凝土過渡段間隔750 mm布置2個斷面,橫隔板后500 mm布置1個斷面,斷面上應變計的布置如圖4所示。在鋼梁-混凝土梁結合段吊裝前測得頂板、腹板和底板沿橋長方向的應力分布,得到鋼梁-混凝土梁結合段的應力集中程度及鋼梁-混凝土梁結合段的傳力效果。
采用有限元軟件ABAQUES對承壓板應力狀態(tài)進行數(shù)值模擬分析,根據得到的承壓板應力監(jiān)測分布情況進行測點布置,以預應力錨固處的應力狀態(tài)監(jiān)測為重點。在承壓板頂、底板側預應力錨固端分別設置1個應力監(jiān)測點,在中心線頂板、底板上、下分別布置應變測點,翼緣板布置1個應變測點。承壓板應變計布置如圖5所示。單個承壓板布置9個應力監(jiān)測傳感器,全橋2個承壓板共布置18個應力監(jiān)測傳感器。
監(jiān)測縱橋向軸力由混凝土傳遞到鋼梁-混凝土梁結合段的應力,全橋布置6個斷面A~F進行對照監(jiān)測,如圖3所示,共布置36個應力監(jiān)測傳感器。鋼梁-混凝土梁結合段澆筑前測試初始應力。
2.3?現(xiàn)場實測結果與有限元分析結果對比
澆筑及吊裝階段各斷面頂板、底板縱向應力的現(xiàn)場實測結果與有限元分析結果對比如圖6所示。
a)澆筑階段頂板縱向應力?b)澆筑階段底板縱向應力c)吊裝階段頂板縱向應力d)吊裝階段底板縱向應力
由圖6可知:在澆筑階段,鋼梁-混凝土梁結合段鋼箱梁段不受力,從斷面C到斷面A,應力在鋼梁-混凝土梁結合段的縱橋向傳遞過程中,頂板、腹板、底板應力逐漸減小,結合段的頂板整體基本受拉,底板整體受壓。通過吊機固定鋼梁-混凝土梁結合段,實際受力較小,實測結果比有限元計算結果小,在腹板斷面B出現(xiàn)的最大誤差為2.9 MPa。應力的整體傳力趨勢與ABAQUS模型中的計算結果基本一致。
在吊裝階段,鋼梁-混凝土梁結合段鋼箱梁段在跨中鋼箱梁的作用下所受應力更大,應力向混凝土梁段傳遞過程中,承壓板吸收部分應力,從斷面D傳遞到斷面C的應力顯著減少,傳遞到斷面A時應力最小。縱向應力的傳遞趨勢與ABAQUS有限元模型的計算結果及理論分析相同。為減小混凝土的收縮誤差,保證現(xiàn)場實測結果的準確性,在吊裝前、后各測1次應力,斷面D的現(xiàn)場實測底板應力與有限元計算結果的誤差稍大,為5.9 MPa。鋼箱梁結構整體滿足安全設計要求[20],在鋼箱梁的吊裝施工階段整橋施工控制良好。
3?鋼梁-混凝土梁結合段有限元精細化模型及結果對比分析
3.1?鋼梁-混凝土梁結合段精細化模型
計算分析韓莊運河特大橋鋼梁-混凝土梁結合段應力分布情況。根據圣維南原理,加載端到鋼梁-混凝土梁結合段的縱向距離應不小于模型的最小寬度和最小高度,避免加載端附近應力集中,減少對研究部位的影響。建立精細化模型需綜合考慮尺寸效應、邊界效應、荷載效應等因素,采用軟件ABAQUES建立局部精細化模型,如圖7所示。結合段全長21.1 m,其中混凝土梁段長2.0 m,混凝土連接段長5.5 m,鋼梁-混凝土梁結合段長4.5 m,鋼箱梁剛度過渡段長3.7 m,鋼箱梁段長5.4 m。橋梁正常受力情況下,鋼梁-混凝土梁結合段中貫穿鋼筋、剪力釘與混凝土間的相對滑移較小。本模型不考慮黏結滑移的影響,剪力釘與鋼梁共節(jié)點并采用內置區(qū)域約束耦合在混凝土內,貫穿鋼筋與開孔間建立耦合約束,防止應力集中。
3.2?有限元計算結果與實測結果對比分析
將施工階段劃分為懸臂施工、邊跨合龍、鋼梁-混凝土梁結合段吊裝及鋼箱梁吊裝4個階段。張拉工況、成橋工況、全橋最大正彎矩和最大負彎矩工況下的承壓板應力分布圖如圖8所示。
由圖8可知:承壓板在4個階段下的應力分布趨勢基本相同,均受到預應力的作用,在預應力筋錨固區(qū)域和靠近中縱板的位置、承壓板底部邊角位置應力較大,最大應力出現(xiàn)在預應力錨固處,越接近承壓板中心和承壓板邊緣,應力越??;承壓板的應力整體小于60.00 MPa,錨墊板可避免出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。承壓板整體的應力水平不高,處于承壓板的屈服變形安全范圍內。
根據實際測量結果可知,承壓板頂部的整體應力在吊裝階段較大,底部的應力在張拉階段較大,成橋階段對承壓板上部產生較大應力,承壓板與中腹板交接處應力較大,與有限元模型分析結果相同。
鋼梁-混凝土梁結合段中的混凝土連接段在頂板、底板和腹板均設置PBL剪力板,PBL剪力板主要承擔剪力。頂板、底板的PBL剪力鍵與鋼箱梁連接段的T型加勁肋、腹板和中縱板連接,傳遞軸向力到PBL剪力板,在縱橋向的傳力規(guī)律與腹板的傳力規(guī)律一致。張拉工況、成橋工況、全橋最大正彎矩和最大負彎矩工況下PBL剪力板的縱橋向應力分布如圖9所示。
由圖9可知:PBL剪力板在張拉工況下的應力為-6.09~5.72 MPa,成橋工況下為-10.47~13.2 MPa,最大正彎矩工況下為-9.53~16.69 MPa,最大負彎矩工況下為-43.93~51.57 MPa;PBL剪力板的最大應力均出現(xiàn)在靠近承壓板的位置,除個別地方應力集中外,整體剪應力較小。PBL剪力板承擔剪應力和縱橋向應力,應力傳遞較理想,受力分布均勻,整體受力較小。在4個工況下PBL剪力板的應力水平均在屈服強度范圍內,符合安全使用標準[20]。
為消除混凝土收縮誤差,在吊裝鋼箱梁前、后各現(xiàn)場實測1次應力,消除誤差影響后得到現(xiàn)場實測結果,與計算應力的傳遞整體趨勢相似,鋼箱梁段底板應力的現(xiàn)場實測結果略大,但整體結構滿足安全儲備要求[20]。說明在橋梁的吊裝施工階段控制良好,橋梁結構滿足橋梁吊裝階段的安全設計。
4?結論
為研究大跨徑混合梁鋼梁-混凝土梁結合段傳力性能和縱向應力傳遞路徑,以韓莊運河特大橋為工程背景,通過實橋測試與數(shù)值模擬相結合的方式,分析主梁鋼梁-混凝土梁結合段應力分布與傳遞規(guī)律。
1)剪力鍵傳力比主要與構造傳力比、剪力鍵的相對剛度和結合段長度3種構造參數(shù)有關。結合段構造傳力比和剪力鍵的相對剛度參數(shù)不變時,剪力鍵的傳力比隨結合段長度的增大而增大,當趨近結合段構造傳力比時,鋼結構和混凝土結構協(xié)同變形,不再產生滑移,剪力鍵不再受力,剪力鍵傳力比不再增大。
2)對現(xiàn)場不同施工階段實測應力進行應力傳遞分析,結果表明應力在縱橋向的傳遞趨勢較平順,應力從承壓板傳遞到混凝土梁,隨距承壓板的距離增大,應力逐漸減小,在混凝土梁段應力最小,與有限元模型的應力傳遞規(guī)律相似。
3)承壓板的最大應力出現(xiàn)在預應力錨固處,越接近承壓板中心和承壓板邊緣,應力越小。承壓板頂部的整體應力在吊裝階段較大,底部的應力在張拉階段較大,成橋階段對承壓板上部產生較大應力。在承壓板與中腹板交接處應力較大,與有限元模型分析結果相同,在焊接施工中應保證焊接質量。
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Force transmission mechanism of the joint section of long-span
hybrid girder steel concrete beam based on in-situ bridge test
YU Xiangkun1, ZHAO Wei1, SHEN Gang1, WANG Xianxuan1,
WANG Baoqun2*, SONG Jun2, DONG Xu2
1.Rizhao Highway Construction Co., Ltd., Rizhao 276825, China;
2.School of Civil Engineering, Shandong Jiaotong University, Jinan 250357, China
Abstract:To study the force transmission performance and longitudinal bridge stress transfer path of the large-span hybrid steel-concrete beam joint section, the Hanzhuang Canal Bridge used as the engineering background, a combination of field bridge testing and numerical simulation is used to analyze the stress distribution and transmission law of the main beam steel-concrete beam joint section. The strain of the steel plates and concrete is monitored to obtain their stress distribution and transmission laws; the software ABAQUS is used to establish a refined finite element calculation model of the steel-concrete beam joint section, and the analysis results of the field bridge data are compared with the calculation model. The results show that during the process of stress transmission from the compressive plate to the concrete beam in the steel-concrete beam joint section, as the distance from the compressive plate increases, the stress gradually decreases, and the stress in the concrete beam section is minimal. The maximum stress on the compressive plate appears at the prestressed anchorage, with stress decreasing closer to the center and edge of the compressive plate. The overall stress at the top of the compressive plate is greater during the hoisting stage, while the stress at the bottom is greater during the tensioning stage, and the collected field data is consistent with the stress transmission law of the finite element model.
Keywords:long-span hybrid beam; the joint section of steel-concrete beam; stress transfer; pressure bearing plate; finite element analysis; in-situ bridge test
(責任編輯:王惠)
收稿日期:2023-04-04
基金項目:山東省自然科學基金面上項目(ZR2021ME134)
第一作者簡介:于祥坤(1976—),男,山東日照人,高級工程師,主要研究方向為道路與橋梁工程施工技術及項目管理,E-mail:95704395@qq.com。
*通信作者簡介:王保群(1968—),男,山東淄博人,二級教授,工學博士,主要研究方向為橋梁建設和隧道建設,E-mail:wbaoqun@163.com。
DOI:10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.009