拱桥吊杆的破损安全研究

论文摘要

拱桥具有受力合理、造型美观等独特优势,近年来得到迅速发展。但是,在已建拱桥的运营中逐渐出现一些问题,特别是在中、下承式拱桥中作为重要传力构件的吊杆腐蚀和破损问题日益突出。吊杆是中、下承式拱桥中连接拱肋与桥道系的一种必备的构件,吊杆的作用在于将桥道系上的恒载和活载传递给拱肋。现阶段由于吊杆失效造成的桥梁损坏事故时有发生,而拱桥吊杆在设计、施工、维护、健康诊断、修复拆换、以及剩余寿命预测等各方面的规定不是非常明确。为此,本课题在参考和总结已有研究成果的基础上,结合深圳市北站大桥的设计实例,对吊杆的载荷行为及其破损安全性能进行分析和比较。本课题研究的目的在于为今后拱桥吊杆的安全设计提供理论依据。一方面,研究如何通过结构以及构造措施,延长吊杆的使用寿命,使吊杆的服役年限尽量能够接近桥梁的设计年限;另一方面,通过结构体系的优化或添加结构安全系统,确保拱桥吊杆在突然破断时,其冲击作用不至于对剩余结构造成无法挽救的破坏,即结构仍存在最低的安全性。本文的研究内容主要包括以下几个方面:首先,采用MIDAS软件,以北站大桥为背景建立模型,对不同吊杆布置形式的拱桥在恒载、车载作用下的静、动力响应进行了分析和对比。总结了吊杆布置形式对全桥力学性能的影响。更为重要的是针对吊杆的安全情况,得出了不同吊杆布置形式的优缺点。接着,采用ABAQUS软件对北站大桥进行破损安全的分析,研究平行双吊杆体系和斜交叉吊杆体系对拱桥破损安全性能的影响。通过动力计算吊杆因腐蚀、疲劳等原因骤断时对桥梁剩余结构的冲击效应,并分析对比两种吊杆形式的安全储备能力。最后,基于“破损安全”原则,对设置了破损安全拉索系统的拱桥进行建模计算,分析该系统提高拱桥安全储备的能力。本文中得到的结论为拱桥设计人员在吊杆布置、防护以及破损安全设计方面提供了一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 拱桥桥式和吊杆构造
• 1.2.1 中、下承式拱桥的力学特性
• 1.2.2 拱桥吊杆的构造
• 1.2.3 吊杆的布置形式
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 桥梁拉索的使用情况与破断拆换统计
• 1.3.2 吊杆的腐蚀与防护
• 1.3.3 桥梁吊杆的现行安全性措施及研究
• 1.3.4 拱桥吊杆的破损安全研究
• 1.4 背景工程北站大桥介绍
• 1.4.1 结构主要构件
• 1.4.2 主要材料
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 拱桥吊杆载荷行为研究
• 2.1 平行双吊杆体系与斜交叉吊杆体系
• 2.2 Midas模型的建立
• 2.2.1 单元与节点
• 2.2.2 荷载的施加
• 2.2.3 吊杆编号
• 2.3 两种吊杆体系恒载结果统计
• 2.3.1 支点反力的比较
• 2.3.2 吊杆内力及其安全性比较
• 2.3.3 桥面系横梁受力的比较
• 2.3.4 拱肋受力分析
• 2.4 两种吊杆体系移动荷载结果统计
• 2.4.1 吊杆内力影响线的比较
• 2.4.2 吊杆内力及安全性比较
• 2.4.3 桥面系横梁受力比较
• 2.4.4 拱肋的受力分析
• 2.5 两种体系的变形及动力模态对比
• 2.5.1 两种体系的变形
• 2.5.2 两种体系的动力特性对比
• 2.5.3 两种体系的结构冗余度对比
• 2.6 本章小结
• 第3章 不同吊杆形式的拱桥吊杆破损安全分析
• 3.1 拱桥吊杆的破损安全问题
• 3.2 Abaqus北站大桥模型的建立
• 3.2.1 结构基础数据定义
• 3.2.2 模型的单元配置
• 3.2.3 吊杆编号
• 3.2.4 吊杆骤断模拟方法
• 3.3 平行双吊杆体系端部短吊杆破损安全性动力分析结果
• 3.4 斜交叉吊杆体系端部短吊杆破损安全性动力分析结果
• 3.5 两种吊杆体系拱桥吊杆的破损安全比较
• 3.5.1 单根吊杆破断下两种体系拱桥破损安全性能的比较
• 3.5.2 两根吊杆接连破断下两种体系拱桥破损性能的比较
• 3.5.3 吊杆接连破断下两种体系拱桥破损安全储备的评定
• 3.6 本章小结
• 第4章 拱桥破损安全吊杆系统性能分析
• 4.1 吊杆破损安全系统设计介绍
• 4.2 建立拱桥破损安全吊杆系统模型
• 4.3 破损安全系统对拱桥正常工作状态的影响
• 4.3.1 有无破损安全系统的拱桥内力、位移比较
• 4.3.2 有无破损安全系统的拱桥动力特性比较
• 4.4 有无破损安全系统的拱桥破损安全性能比较
• 4.4.1 吊杆骤断时相应吊杆冲击响应的比较
• 4.4.2 吊杆骤断时拱桥变形响应的比较
• 4.5 破损安全系统的改进
• 4.5.1 改进的安全系统对拱桥正常工作状态的影响
• 4.5.2 改进的安全系统对拱桥破损安全性能的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 附录1 北站大桥介绍
• 附录2 恒载下两种体系的拱圈各控制截面内力
• 附录3 移动荷载下两种体系的拱圈各控制截面内力
• 附录4 系杆与吊杆内力验算
• 附录5 拱肋内力验算
• 附录6 平行双吊杆破损安全动力时程曲线
• 附录7 斜交叉吊杆破损安全动力分析
• 附录8 平行双吊杆体系模态
• 附录9 斜交叉吊杆体系模态
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢