钢箱梁桥面复合铺装结构力学分析

摘要

铺装材料的研制和铺装结构的优化等问题，一直是大跨径钢箱梁建设中的热点和难点。常用沥青铺装材料的强度等各方面性能与钢桥面板差异很大，而且在行车荷载、气候条件和桥梁结构变形等因素的共同影响下，钢箱梁桥面铺装体系的受力和变形更为复杂，使用过程中发生铺装层疲劳开裂、车辙和脱层等病害现象也屡见不鲜。本文从力学角度出发，研究钢箱梁两种桥面铺装体系的力学特性，具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文依托武汉市科技攻关项目“大跨径钢箱梁桥面铺装体系抗滑移开裂技术研究”，以武汉理工大学课题组提出的钢箱梁桥面柔性铺装和刚柔复合铺装方案为力学分析对象，参考某钢箱梁标准节段的结构构造，建立包括钢桥面板、U形加劲肋、铺装层和横隔板的局部三维有限元模型，研究钢箱梁铺装体系的力学特性。主要的研究工作和相关结论如下:
　　首先，总结了国内外钢桥面铺装体系力学分析的研究概况和铺装材料以及铺装结构形式的使用现状，并概括出目前常见的铺装层破坏类型，提出相关的主要力学控制指标:铺装层上面层和下面层的最大拉应力、钢桥面板与铺装层界面上的最大剪应力、铺装层表面最大弯沉。
　　其次，分析了两种新型的钢箱梁复合桥面铺装方案特点:一种是由高粘度改性沥青制备的SMA13上面层和SMA10下面层组成的柔性铺装结构方案，另一种是由高粘度改性沥青制备的SMA13上面层、轻质高韧混凝土下面层组成的复合铺装结构方案，该铺装结构还通过钢桥面板与绑有钢筋网的剪力连接件焊接提高了钢板与铺装层的协调变形性能。
　　再次，参考果园二号桥标准节段的结构构造，借助ANSYS建立包括正交异性钢桥面板、横隔板、双层SMA铺装层的柔性铺装三维有限元模型和包括正交异性钢桥面板、横隔板、轻质混凝土下面层、SMA13上面层刚柔复合铺装三维有限元模型，通过力学计算得到汽车荷载作用下两种钢箱梁桥面铺装结构的各种受力数据，分别其应力变化规律，确定在各个力学控制指标下的最不利加载荷位。
　　最后，针对两种有限元模型分别进行钢桥面铺装结构的参数影响分析:柔性铺装结构研究了铺装层厚度、钢桥面板厚度、U形加劲肋厚度、荷载大小对钢桥面铺装结构的各力学指标的受力性能影响;刚柔复合铺装结构研究了剪力连接件布置形式、高度以及直径对钢桥面铺装结构的各力学指标的受力性能影响。同时结合分析结果对铺装结构主要参数取值提出合理性建议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 钢桥面铺装体系力学特性分析研究概况

1．2．1 国外概况

1．2．2 国内概况

1．3 钢桥面铺装材料研究概况

1．3．1 国外概况

1．3．2 国内概况

1．4 钢桥面铺装结构形式研究概况

1．4．1 国外概况

1．4．2 国内概况

1．5 主要研究内容及技术路线

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 技术路线

第二章 钢桥面铺装结构形式及设计方案

2．1 钢桥面铺装体系病害及力学控制指标

2．1．1 钢桥面铺装病害

2．1．2 钢桥面铺装力学控制指标

2．2 钢箱梁桥面铺装设计方案

2．2．1 柔性铺装方案

2．2．2 刚柔复合铺装方案

2．3 本章小结

第三章 钢箱梁桥面柔性铺装结构受力特性分析

3．1 局部钢箱梁柔性铺装体系静力分析

3．1．1 有限元基本原理

3．1．2 基本假设

3．1．3 有限元模型

3．2 SMA13上面层应力分析

3．2．1 纵桥向受力分析

3．2．2 横桥向受力分析

3．3 SMA10下面层应力分析

3．3．1 纵桥向受力分析

3．3．2 横桥向受力分析

3．4 铺装层和钢桥面板间剪应力分析

3．4．1 纵桥向受力分析

3．4．2 横桥向受力分析

3．5 铺装层表面最大弯沉

3．6 铺装层参数影响分析

3．6．1 铺装层厚度的影响

3．6．2 钢桥面板厚度的影响

3．6．3 纵向加劲肋厚度的影响

3．6．4 荷载的影响分析

3．7 本章小结

第四章 钢箱梁桥面SMA13+轻质混凝土铺装层受力特性分析

4．1 有限元模型及基本假设

4．1．1 有限元模型

4．1．2 基本假设

4．2 有限元分析模型

4．2．1 有限元基本参数及单元选取

4．2．2 荷载及荷位

4．3 SMA13上面层应力分析

4．3．1 纵桥向受力分析

4．3．2 横桥向受力分析

4．4 混凝土下面层应力分析

4．4．1 纵桥向受力分析

4．4．2 横桥向受力分析

4．5 铺装层与钢板间剪应力分析

4．5．1 纵桥向受力分析

4．5．2 横桥向受力分析

4．6 铺装层表面最大弯沉

4．7 铺装结构参数影响分析

4．7．1 铺装层厚度的影响分析

4．7．2 剪力连接件参数影响分析

4．8 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 研究展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文及参与的科研项目