立转式开启桥动静态桥面铺装力学性能数值模拟分析

摘要

立转式开启桥主桥结构为悬臂梁，一般设计成钢箱梁，无论从主梁结构受力形式还是从横截面型式来看，立转开启式桥梁的大悬臂结构力学特性明显区别于大跨径悬索桥或斜拉桥。车载作用和结构的开启将使铺装体系处于多变的受力状态，尤其是铺装层与钢桥面板之间的剪切应力会随着桥跨结构的开启而有复杂的分布，桥面铺装体系是立转式开启桥建设和使用维护的关键对象之一。 本文以天津海河响螺湾开启桥为背景，对不同状态下桥面铺装体系的力学响应进行了数值分析。 本文首先利用通用有限元软件ADINA建立了1/4整桥模型，计算了车载静力作用于不同位置时桥面铺装层的拉应力、层间剪应力和铺装层的竖向位移，确定了铺装体系的最不利受力位置。将计算结果与南京长江第二大桥铺装层力学计算结果进行了比较。分析了铺装层厚度和模量对铺装体系力学特性的影响规律。结果表明，铺装层厚度和模量的改变对车载静力作用下的力学响应有明显的影响。 然后，利用模型研究了带铺装体系1/4整桥的振动特性。分析了桥跨结构在不同开启角度时铺装体系的动态响应。结果表明，开启过程中铺装层的应力有明显的局部效应，随着开启角度的变化有复杂的分布规律，铺装层密度、厚度和模量的变化对开启过程中的铺装层应力有明显的影响。比较了铺装体系在车载静力和开启两种不同状态下的力学响应。 最后，利用1/4整桥模型分析了铺装体系在设计车速移动恒载作用下铺装层的动力响应。分析了铺装层厚度和模量的变化对设计车速移动恒载作用下铺装体系动力响应的影响。将设计车速移动恒载作用下铺装层的动力响应同车载静力作用下的结果进行了对比。分析了车速对铺装层动力响应的影响规律，结果表明，随着车速的增加铺装层表面的纵向拉应力、层间剪应力和铺装表面的竖向位移都有增大的趋势。 综合立转式开启桥钢桥面铺装在动静状态下的力学响应分析结果，轻质铺装材料能明显降低铺装体系的控制剪应力幅值。将理论分析结果用于指导本课题组开发轻质陶粒铺装材料及薄型铺装结构，验证采用薄型铺装层其力学性能指标值能够满足理论分析提出的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 钢桥面铺装理论研究

1.3.2 开启桥桥面铺装的主要类型

1.4 本文的主要研究内容及技术路线

第二章 有限单元动力方法及绕定轴转动矩形板建模理论

2.1 有限元动力学基本理论

2.1.1 三维有限元动力学基本方程

2.1.2 质量矩阵

2.1.3 阻尼矩阵

2.1.4 模态分析

2.2 矩形悬臂板运动时动力学建模

2.2.1 基本假设

2.2.2 矩形薄板运动时的几何关系

2.2.3 变形场描述

2.3 有限元软件ADINA简介

2.4 本章小结

第三章 车载作用下铺装体系静力响应分析

3.1 模型的建立

3.1.1 单元类型选取

3.1.2 横截面简化及材料参数

3.1.3 网格密度

3.1.4 基本假设和边界条件

3.2 车辆荷载作用位置

3.3 铺装体系不利荷位分析

3.3.1 铺装层最大拉应力分析

3.3.2 层间剪应力分析

3.3.3 铺装层竖向位移分析

3.4 与大跨径钢桥面铺装力学计算结果的比较

3.5 铺装层参数影响分析

3.5.1 铺装层厚度的影响

3.5.2 铺装层模量的影响

3.6 本章小结

第四章 开启过程中铺装体系动力响应分析

4.1 计算模型

4.1.1 基本假设

4.1.2 边界条件

4.2 模型振动特性分析

4.3 阻尼矩阵的选取

4.4 开启过程铺装层动力响应分析

4.4.1 铺装层横向拉应力动态分布

4.4.2 层间最大剪应力动态分布

4.5 与车载静力作用时响应的比较

4.5.1 铺装层控制拉应力分析

4.5.2 层间控制剪应力分析

4.6 本章小结

第五章 移动恒载作用下铺装体系动力响应分析

5.1 车载动力作用计算模型

5.1.1 动力学计算参数

5.1.2 车辆荷载加载及求解

5.2 移动恒载下动力响应分析

5.2.1 车载静力作用计算结果验证

5.2.2 设计车速车载作用与静力作用结果的比较

5.2.3 车速对铺装层动力响应的影响

5.2.4 铺装层参数对动力响应的影响

5.3 采用轻质薄型铺装层时力学控制指标

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 进一步研究的设想

致谢

参考文献

读研期间发表的论文及参加的科研项目