钢桥铺装的应力分析和框架结构简谐响应计算方法研究

论文摘要

钢箱梁桥因其构件质量轻、运输与铺设方便、施工周期短等优点而得到广泛的应用。然而,由于钢箱梁桥结构较柔,在荷载作用下易产生较大的整体变形,同时一般钢桥面板为正交异性构造,易产生较大的局部变形,这两者导致了钢桥铺装容易产生早期破坏。为了避免钢桥铺装层的早期破坏,需对铺装层的受力情况进行预测。本文以港珠澳大桥为工程背景,研究了钢箱梁桥铺装层力学分析的精细方法,进行了两个方面的研究,一是铺装层的温度场研究,另一方面是铺装层在车辆荷载作用下的力学响应分析。由于钢材的导热性能好,钢箱梁桥对温度变化比较敏感,因此温度变化对铺装层的性能有较大的影响。本文应用有限元软件进行了钢桥梁截面的温度场分析,得到了铺装层的最高工作温度和箱梁截面的最大温度梯度。将计算结果与规范值对比发现,温度梯度数值较为接近,温度应力计算可按规范要求进行。钢桥铺装层在车载作用下的力学响应分析是一个复杂的问题,一方面桥梁结构较为复杂,另一方面考虑的车辆荷载施加位置有很多种组合。本文建立了能同时考虑整体结构变形和局部受力行为影响的连续钢箱梁桥有限元模型。分析和比较了《公路桥涵设计通用规范》规定的标准后轴载作用于车道上的不同纵横位置的情况,得到了钢桥整体在不利荷载组合情况下其铺装层可能产生的最大拉应力和铺装层与钢板之间的最大界面剪应力。本文还研究了基于精确单元的框架结构简谐振动方法,提出了一种新的直接分析方法。给出的算例证明新方法较常规方法在计算效率上有明显的提高。最后,对全部工作进行了总结,并对未来工作提出了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钢桥发展概况
• 1.2 钢桥铺装层体系结构特点
• 1.2.1 钢桥面铺装体系的结构形式
• 1.2.2 钢桥面铺装受力特性
• 1.2.3 课题研究的必要性
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 钢桥面铺装体系力学性能
• 1.3.2 钢箱桥梁铺装层的温度场计算
• 1.4 本文工程背景和主要研究内容
• 1.4.1 本文工程背景
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 钢箱桥梁铺装层温度场分析
• 2.1 概述
• 2.2 温度场分析的理论方法
• 2.2.1 热传导方程与换热边界
• 2.3 影响钢桥温度分布的气象因素
• 2.3.1 太阳辐射强度的计算
• 2.3.2 环境温度的变化规律
• 2.4 瞬态温度场分析的一般有限元列式
• 2.5 温度场有限元分析
• 2.5.1 分析模型
• 2.5.2 材料参数
• 2.5.3 有限元模型
• 2.5.4 初始条件
• 2.5.5 分析结果
• 2.6 本章小结
• 第三章 钢桥铺装层的应力分析
• 3.1 引言
• 3.2 钢桥铺装常见病害类型与应力控制指标
• 3.2.1 钢桥铺装常见病害类型
• 3.2.2 钢桥面铺装的应力控制指标
• 3.3 钢桥面铺装体系有限元分析
• 3.3.1 有限元模型
• 3.3.2 材料参数
• 3.3.3 车载模型
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.5 确定最不利的荷载组合
• 3.3.6 整桥受车载作用结果
• 3.3.7 整桥与局部受力的比较
• 3.3.8 铺装层弹性模量的影响
• 3.3.9 车载与温度作用组合结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 框架结构简谐响应分析的高效算法
• 4.1 引言
• 4.2 简谐响应分析基本方法
• 4.2.1 振型叠加法
• 4.2.2 直接法
• 4.3 单元特性矩阵
• 4.3.1 杆的轴向振动
• 4.3.2 梁的横向振动
• 4.3.3 简谐响应运动方程
• 4.4 数值算例
• 4.4.1 数值算例Ⅰ
• 4.4.2 数值算例Ⅱ
• 4.4.3 数值算例Ⅲ
• 4.5 算例结论
• 4.6 本章小结
• 结论与展望
• 本文的主要工作和创新点
• 未来的工作
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件