连续梁桥沥青混凝土桥面铺装层的结构设计研究

论文摘要

随着公路桥梁建设的快速发展,桥梁结构不断创新,大跨径桥梁已很普遍。但是,随着交通量和重型车辆的增加,许多桥梁建成后不久铺装层就出现了严重的破损、开裂、坑槽、拥抱等早期病害,不仅严重影响了交通的顺畅,而且给桥梁本身也带来了很大的危害。由于对车辆荷载作用下沥青混凝土桥面铺装层的力学响应机理特别是动力学响应机理缺乏系统的研究,在进行桥梁结构设计时对桥面铺装层设计一般不作专门的计算分析,这就为铺装层早期病害的发生埋下了隐患。本文利用ANSYS有限元通用软件,从桥梁的结构特性入手,将梁板与铺装层作为一个整体结构进了系统的静力学、动力学分析,全面研究了桥面铺装层在车辆荷载作用下的损坏机理,提出了沥青混凝土桥面铺装层结构设计的控制指标和合理的设计方法,为今后沥青混凝土桥面铺装层的结构设计探讨了一个新的研究方向,具有重要的理论价值。为了有效防治铺装层疲劳开裂、推移拥抱、离散剥落等早期病害,系统研究了车辆荷载作用下铺装层应力、应变随铺装层厚度、荷载和车速(加载频率)的变化规律,明确了车辆荷载作用下铺装层的破坏机理,提出了以铺装层顶面容许纵向拉应变、底面容许纵向剪应力、底面容许竖向拉应力和顶面容许纵向剪应变作为桥面铺装层结构设计的四项控制指标。通过静力学分析与动力学分析的比较,发现铺装层在静载和动载作用下应力应变随厚度、荷载及车速的变化规律相吻合。因此,在充分考虑应力、应变时效性的基础上,提出了将桥面铺装层在移动荷载作用下的动力效应问题等效转换为静力响应问题进行处理的设计原则。确定了动力效应系数指标(DEI),并且依据此指标提出了铺装层结构设计的合理方法。通过分析车辆荷载作用下铺装层应力应变随厚度的变化规律可知,增加铺装层厚度对于降低铺装层应力、应变的作用是有限的,桥面铺装层合理的设计方案取决于梁跨本身的结构。因此,桥面铺装层的结构设计决不应该成为桥梁设计的附属品,而应该成为桥梁设计中必不可少的一部分内容。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外桥面铺装层发展概况
• 1.2.2 沥青混凝土桥面铺装层的结构形式研究
• 1.2.3 沥青混凝土桥面铺装层的材料性能研究
• 1.2.4 研究中存在的问题
• 1.3 课题研究的主要内容及创新点
• 1.3.1 主要内容
• 1.3.2 本文创新点
• 1.4 研究的技术思路
• 1.5 课题研究计划
• 第二章 沥青混凝土桥面铺装层的静力学响应分析
• 2.1 有限元方法简介
• 2.1.1 基本原理
• 2.1.2 三维八节点等参元法基本理论
• 2.2 有限元计算模型与分析方法
• 2.2.1 大清河大桥简介
• 2.2.2 基本假定
• 2.2.3 单元网格划分
• 2.2.4 边界条件
• 2.2.5 有限元计算参数的确定
• 2.2.6 载荷及布设位置
• 2.3 计算分析
• 2.3.1 不同荷载和铺装层厚度对竖向拉应力的影响
• 2.3.2 不同荷载和铺装层厚度对纵向剪应力的影响
• 2.3.3.不同荷载和铺装层厚度对拉应变的影响
• 2.3.4 不同荷载和铺装层厚度对纵向剪应变的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 沥青混凝土桥面铺装层单次动态加载分析
• 3.1 瞬态动力学分析简介
• 3.2 模态分析
• 3.2.1 模态分析的定义
• 3.2.2 模态分析的过程
• 3.2.3 模态分析的结果
• 3.3 单次动态加载分析
• 3.3.1 有限元建模、荷载和计算参数
• 3.3.2 计算分析
• 3.3.2.1 不同荷载和铺装层厚度对竖向拉应力的影响
• 3.3.2.2 不同荷载和铺装层厚度对纵向剪应力的影响
• 3.3.2.3 不同荷载和铺装层厚度对纵向拉应变的影响
• 3.3.2.4 不同荷载和铺装层厚度对纵向剪应变的影响
• 3.3.2.5 加载频率对铺装层应力、应变的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 连续梁桥沥青混凝土桥面铺装层移动加载分析
• 4.1 有限元建模、载荷和计算参数
• 4.2 计算分析
• 4.2.1 不同荷载和铺装层厚度对竖向拉应力的影响
• 4.2.2 不同荷载和铺装层厚度对纵向剪应力的影响
• 4.2.3 不同荷载和铺装层厚度对纵向拉应变的影响
• 4.2.4 不同荷载和铺装层厚度对纵向剪应变的影响
• 4.2.5 加载频率对铺装层应力、应变的影响
• 4.3 考虑铺装层应力应变时效性的设计方法探讨
• 4.3.1 移动加载与静态加载对铺装层破坏程度的比较
• 4.3.2 动力效应系数的概念
• 4.3.3 桥面铺装层结构设计的合理方法及优化
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表