正交异性钢桥面结构的车辆荷载响应分析及轴重识别

摘要

疲劳开裂是传统正交异性钢桥面普遍存在的病害，危害到桥梁结构的安全，问题的主要原因是规范对荷载冲击系数取值偏低、钢桥面局部刚度较低、标准疲劳车信息笼统以及疲劳评估不准确等。
　　为了提高钢桥面结构疲劳寿命预测的准确性，降低钢桥面提前开裂的风险，首先，本文提出一种适用于正交异性钢桥面结构的车桥动力系统的建模方法，从理论上对钢桥面的车桥动力性能进行简要分析；然后，以广东佛山佛陈大桥新建工程（简称：佛陈新桥，是一座分别以传统钢桥面和UHPC-钢轻型组合桥面结构为主梁形式的分幅式的三跨钢箱连续梁桥）为背景，通过实桥试验分别研究传统钢桥面和轻型组合桥面结构的静态、动态车桥性能；最后，基于桥梁动态称重技术，实时监测正交异性钢桥面的动态应变响应，快速识别出轴重、轴距、荷载作用位置等荷载信息，为完善正交异性钢桥面的疲劳设计提供重要参考。
　　研究内容主要包括：
　　（1）引入多点接触力的概念，用多点接触力模拟车轮力，以简支梁车桥动力模型为例，研究车轮接触长度对车桥动力响应的影响；进而将多点力由一维模型（线荷载）扩展成空间模型（面荷载），模拟车轮与钢桥面的接触面积，建立适用于钢桥面结构的车桥动力简化模型，为深入研究钢桥面车桥动力性能提供理论依据。
　　（2）以佛陈新桥作为研究对象，在钢桥面各疲劳细节处布置应变计，进行一系列静力加载试验，研究轻型组合桥面结构与传统钢桥面结构受力状态之间的区别与联系。同时，根据现场施工图建立佛陈新桥的节段有限元模型，模拟加载试验的各个工况，对比分析计算结果与实测值，修正有限元模型，为后续研究钢桥面的动力性能提供理论依据。
　　（3）采用35t三轴加载车分别从佛陈新桥的传统沥青铺装钢桥面和 UHPC-钢轻型组合桥面反复驶过，得到两种正交异性钢桥面体系在各疲劳细节处的应变时程曲线，运用雨流法统计出各疲劳细节处的动态应变幅；利用由静载试验标定的有限元模型计算出的各工况下疲劳细节在加载车作用下的静力荷载响应，进而计算出各疲劳细节对应的动力冲击系数；同时，对两种钢桥面体系的车桥动力性能进行时域和频域分析，得出影响钢桥面车桥动力响应的模态区间。
　　（4）以佛陈新桥的UHPC-钢轻型组合钢桥面结构为研究对象，在测试截面分别安装车轴探测传感器和称重传感器，使用35t三轴加载车以不同的车速反复从第二车道驶过，记录加载车经过测试截面的横向位置和测点处的应变时程。利用Matlab将最新的几种动态称重算法编制出相应的程序，计算出不同动态称重算法应用于钢桥面结构的荷载识别精度，找出适用于钢桥面结构体系的最优的桥梁动态称重算法。
　　（5）提出一种新的全桥实时监测系统。首先，利用桥梁动态称重系统计算出桥面上的车辆信息（包括：轴距、轴重、加载位置等）；然后，结合有限元模型得到钢桥面各个位置的影响线；最终，计算出钢桥面每个位置的动力响应信号，实现对钢桥面各疲劳细节的实时监控。以佛陈新桥UHPC幅的监测试验为例，选定钢桥面受力最不利的位置—–弧形切口测点 B12作为研究对象，对全桥实时监测系统进行验证性分析。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状及发展方向

1.3 本文的主要研究内容

第2章 车轮接触面对车桥动力响应的影响

2.1 研究背景介绍

2.2 车桥耦合模型

2.3 轮胎接触面在纵桥向上的作用

2.4轮胎横桥向作用——适用钢桥面的车桥动力模型

2.5本章小结

第3章 传统钢桥面及轻型组合结构的疲劳细节受力性能

3.1 研究背景介绍

3.2 佛陈新桥静载试验

3.3有限元模型

3.4疲劳细节受力分析

3.5 疲劳评估

3.6 本章小结

第4章 传统钢桥面及轻型组合结构车辆荷载动力响应研究

4.1 研究背景介绍

4.2 佛陈新桥动载试验

4.3 试验结果与分析

4.4 有限元计算

4.5 频谱分析

4.6冲击系数对比

4.7本章小结

第5章 基于正交异性钢桥面的车辆荷载识别

5.1 研究背景介绍

5.2 BWIM算法

5.3 实桥标定试验

5.4 钢桥面移动荷载识别

5.5 结果分析

5.6本章小结

第6章 钢桥面动力响应实时监测系统

6.1 研究背景介绍

6.2桥梁监测试验

6.3全桥实时监测系统

6.4本章小结

结论与展望

一、主要研究内容及相关结论：

二、研究存在的不足及展望

参考文献

致谢

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