新型钢箱梁正交异性桥面板力学性能分析研究

摘要

针对当前正交异性桥面板主要存在的两方面问题，即是桥面铺装层的过早破坏和钢板的焊接疲劳开裂问题，本论文提出了一种新型钢箱梁正交异性桥面板的结构形式，其构造方式从上至下依次为上顶板、波形钢板和下顶板，波形钢板的波形方向与横桥向一致，各层构件之间采用高强螺栓进行连接。另外用于连接上、下顶板和波形钢板加劲肋的螺栓在上顶板出露3～4cm的长度，通过利用露出的螺栓做剪力键，在钢板和沥青混合料铺装层之间加铺一层水泥基的复合材料铺装层。
　　本文利用有限元软件对该新型正交异性桥面板的静力学性能进行分析研究，包括桥面板的整体力学性能和局部力学性能。首先将新型桥面板和传统桥面板的整体力学性能进行比较，通过比较发现新型桥面上顶板在整体荷载作用下挠度绝对值和相对值都有明显的降低，且新型桥结构跨中桥面板顶板的纵横向应力及应力差也较传统桥面板的有明显的减小。然后对两种桥面板的局部力学性能进行比较，主要就四种不同荷载工况下的局部挠度和局部应力进行比较。比较发现，新型桥面板的局部最大挠度和最大拉应力都较传统桥面板的小，且加铺水泥基复合材料铺装层后，其铺装层顶的挠度和拉应力有明显的减小。最后对新型正交异性桥面板的各组成部分的几何参数进行优化，在保证结构力学性能的条件下最大限度的节省材料的用量。最终确定上、下顶板的厚度为14mm和4mm，波形钢板加劲肋的厚度、高度、波折角和波峰间距分别为6mm、280mm、90°、600mm，横肋的的高度和厚度分别为1400mm和12mm。优化后，整个新型桥面板钢箱梁钢材的用量仅比传统正交异性桥面板钢箱梁多用1.6％，但钢桥面顶板的最大挠度和最大横向拉应力均较传统桥面板都有较大的改善。研究表明，该基于波形钢板的新型钢箱梁正交异性桥面板在基本保持结构自重不变的前提下，有效改善了结构自身和桥面铺装层的应力和变形状态，对于延长正交异性桥面板和桥面铺装层的使用寿命效果较好，建议通过进一步的研究后在类似钢箱梁桥中推广使用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 桥面铺装的病害

1．1．2 钢桥面的焊接疲劳开裂

1．1．3 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 研究背景介绍

1．3．1 背景桥梁介绍

第2章 新型和传统正交异性桥面板钢箱梁模型建立

2．1 概述

2．2 板单元网格尺寸确定

2．2．1 局部分析板单元网格尺寸确定

2．2．2 整体分析板单元网格尺寸确定

2．3 局部分析模型的建立

2．3．1 材料的选择

2．3．2 模型各组成部分的几何尺寸

2．3．3 网格划分

2．4 整体分析模型的建立

2．5 本章小结

第3章 新型正交异性桥面板的整体分析

3．1 概述

3．2 分析工况的确定

3．3 两种桥面板的变形比较

3．3．1 竖向挠度沿横向变化规律研究

3．3．2 竖向挠度沿桥纵向的变化规律研究

3．3．3 两种桥面板转角的比较

3．4 应力比较分析

3．4．1 跨中纵向应力的比较

3．4．2 跨中横向应力的比较

3．5 本章小结

第4章 新型桥面板的局部受力状态分析

4．1 概述

4．2 分析工况的确定

4．3 未加桥面铺装的两种桥面板的挠度结果比较

4．3．1 传统正交异性桥面板的挠度结果

4．3．2 新型正交异性桥面上顶板板的挠度结果

4．4 未加桥面铺装的两种桥面板的应力结果比较

4．4．1 未加桥面铺装的传统正交异性桥面板的应力结果

4．4．2 未加桥面铺装的新型正交异性桥面上顶板的应力结果

4．4．3 未加桥面铺装的新型正交异性桥面下顶板的应力结果

4．5 传统和新型正交异性桥面板应力幅的比较

4．6 加铺不同桥面铺装层的桥面板的力学性能比较

4．6．1 传统和新型桥面板在传统铺装下的挠度比较

4．6．2 加RPC铺装层对新型正交异性桥面板的力学性能的影响

4．6 本章小结

第5章 新型正交异性桥面板的优化设计

5．1 概述

5．2 上顶板厚度对新型正交异性桥面板力学性能的影响

5．3 下顶板厚度对新型正交异性桥面板力学性能的影响

5．4 波形钢板加劲肋对新型正交异性桥面板的力学性能的影响

5．4．1 波形钢板加劲肋厚度对正交异性桥面板的力学性能影响

5．4．2 波形钢板加劲肋折角对正交异性桥面板的力学性能影响

5．4．3 波形钢板加劲肋高度对正交异性桥面板的力学性能影响

5．4．4 波形钢板加劲肋波峰间距对正交异性桥面板的力学性能影响

5．5 横肋对新型正交异性桥面板的力学性能影响

5．5．1 横肋厚度对新型正交异性桥面板力学性能影响

5．5．2 横肋高度对新型正交异性桥面板力学性能影响

5．6 加铺桥面铺装层后优化的新型正交异性桥面板的力学性能

5．7 优化后新型正交异性桥面板和传统桥面板比较

5．7．1 材料用量的比较

5．7．2 力学性能的比较

5．8 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 工作展望

参考文献

致谢