正交异性钢箱梁桥面板的优化设计

论文摘要

本文结合国内外学者已有的研究成果及规范条文,对正交异性钢箱梁桥面板的局部稳定、铺装层耐久性及疲劳验算等问题进行了全面的分析,并以此为基础,建立较为系统的优化设计模型。本文的主要研究成果如下:（1）研究了正交异性钢箱梁结构的起源、发展历程及应用现状。研究了正交异性板设计中的关键问题:局部稳定问题,铺装层耐久性问题以及疲劳验算问题。并进一步探讨,如何结合上述关键问题建立科学的优化设计分析模型。（2）研究了正交异性钢箱梁的常用构造形式。研究了简支薄板的屈曲临界应力值及日本桥规有关加劲板稳定性的相关条文。研究了大跨径钢箱梁桥面铺装体系的常用形式及存在的主要病害。研究了钢箱梁的疲劳验算的基本步骤:标准荷载谱的选取、标准应力幅的生成及不同的S-N曲线的分类。（3）本文推导了无限密分配梁沿桥纵向单位长度的等效抗弯惯性矩,并运用等效格子梁法和有限元程序对正交异性板第二体系的受力进行分析,将分析结果与已有的P-E法结果进行比较;验证了等效格子梁法作为优化模型的有限元分析方法的适用性。建立加劲板件模型,验证《道路桥示方书》的有关局部稳定设计的相关条文的准确性。本文通过板壳及实体单元的组合来精确模拟钢桥面铺装体系。系统的研究了铺装层材料特性、钢桥面板构造特点及汽车超载问题对铺装层受力的影响。（4）本文以正交异性板常用构造形式作为设计变量,以结构自重作为目标函数,建立了基于等效格子梁法的钢箱梁第二体系受力优化设计模型1和模型2。模型2考虑了铺装层受力对优化设计过程的影响,得到了一些非常有意义的结论,是本文的主要创新点。最后,以合理的荷载步长模拟标准疲劳车的加载历程,验证了模型2在优化前后各关键构造细节的疲劳性能,以形成更为完善的优化设计体系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 正交异性板钢箱梁的发展历程
• 1.2 钢箱梁及正交异性板的典型构造
• 1.3 钢箱梁正交异性板结构存在的主要问题
• 1.3.1 正交异性板的局部稳定问题
• 1.3.2 正交异性板的疲劳问题
• 1.3.3 钢桥面铺装的耐久性问题
• 1.4 结构优化设计的基本思路
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 钢箱梁正交异性板的结构布置及力学特点
• 2.1 概述
• 2.2 结构布置
• 2.2.1 加劲肋的构造
• 2.2.2 横隔板的构造
• 2.3 正交异性钢箱梁受力体系的三个分类
• 2.3.1 整体受力体系
• 2.3.2 桥面受力体系
• 2.3.3 盖板受力体系
• 2.4 正交异性板的局部稳定问题的理论基础及相关规范设计准则
• 2.4.1 薄板弹性稳定理论以及临界屈曲应力理论解
• 2.4.2 国内外规范有关薄板局部稳定性的设计准则
• 2.5 正交异性桥面板沥青铺装的构造形式及主要病害
• 2.5.1 正交异性桥面板常用铺装形式及特点
• 2.5.2 铺装层目前存在的主要病害
• 2.6 正交异性板的疲劳验算
• 2.6.1 疲劳验算基本步骤
• 2.6.2 疲劳验算加载方式
• 2.6.3 疲劳应力幅的计算
• 2.6.4 疲劳应力幅的处理
• 2.6.5 构造细节的疲劳强度
• 2.7 本章小结
• 第3章 正交异性桥面板及其铺装的有限元分析
• 3.1 概述
• 3.2 正交异性板第一体系受力分析
• 3.3 正交异性板第二体系受力分析
• 3.3.1 Pelikan-Esslinger 方法
• 3.3.2 等效格子梁法
• 3.3.3 验算等效格子梁法的适用性
• 3.4 局部稳定问题
• 3.4.1 加劲板屈曲临界应力理论解
• 3.4.2 《道路桥示方书》相关条文说明
• 3.4.3 加劲板模型的屈曲临界应力
• 3.5 桥面铺装有限元受力分析
• 3.5.1 力学分析模型
• 3.5.2 纵横向最不利荷载位置
• 3.5.3 铺装层刚度及厚度对其受力的影响
• 3.5.4 正交异性板构件参数对其受力的影响
• 3.5.5 超载对铺装受力的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 计入桥面铺装影响的正交异性板优化设计
• 4.1 概述
• 4.2 优化设计的基本原理及程序实现
• 4.2.1 优化设计基本原理
• 4.2.2 优化设计程序实现
• 4.3 优化对象的结构形式
• 4.4 优化设计模型的基本形式
• 4.5 优化模型1 及其分析结果
• 4.5.1 优化模型1 的约束条件
• 4.5.2 优化模型1 的建立及结果分析
• 4.6 优化模型2 及其分析结果
• 4.6.1 铺装层的疲劳寿命
• 4.6.2 铺装层疲劳拉应变指标
• 4.6.3 优化模型2 的建立及结果分析
• 4.7 优化模型的疲劳强度验算
• 4.7.1 疲劳模型a 的疲劳验算
• 4.7.2 疲劳模型b 的疲劳验算
• 4.8 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢