大跨径桥梁钢桥面铺装动荷载响应研究

摘要

大跨径桥梁钢桥面铺装直接铺设在正交异性钢板之上，在行车荷载、温度变化等环境因素影响下，其受力和变形远较公路路面或机场道面复杂，但是目前相关分析大都集中在静力分析方面，因此系统地研究钢桥面铺装的动荷载响应对大跨径桥梁桥面铺装的设计、维护以及疲劳寿命预估都有重要的意义。 本文结合国内第二、世界第五的江阴大桥，依托国家自然基金(编号50578038)和教育部博士点基金(编号20050286008)对钢桥面铺装动荷载响应进行深入分析。本研究基于整桥结构体系的铺装受力特性，并考虑不平度等级对铺装动荷载的激励作用。 第一，本文根据桥面铺装的特点提出了带铺装的整桥结构有限元实体建模时需考虑的因素，并结合江阴大桥建立了面向钢桥面铺装的大跨径悬索桥整体模型。该模型将钢桥面铺装动荷载响应分为两个层次：桥梁整体结构效应和局部正交异性钢桥面铺装体系效应，并采用子结构方法解决了整桥结构单元简化和铺装局部结构区域精细化的衔接。鉴于桥面铺装的特点，建立了依据设计成桥状态快速确定整桥几何构形的方法，计算表明该方法收敛快，避免了套用桥梁结构分析中线形确定方法导致的复杂性；基于模型计算成桥状态进行载荷分析和模态分析，并与桥梁竣工实测结果进行对比，验证了该模型的可靠性。 第二，由于不平度作为一种广义的外部激励，是车辆-桥面起振的主要原因，因此本文研究了不平度激励下车辆-桥面耦合体系相互作用的求解方法：通过虚功原理和振型叠加法并运用位移协调条件推导了将复杂的车辆-桥面时变系统转变为可以迭代求解的解耦计算公式，进而可以推知不同不平度条件下的车辆动荷载时间序列(动荷载谱)，为下一步铺装响应分析提供了荷载输入，由此克服了以往分析大跨径桥梁铺装分析中不能在考虑不平度的不足。 第三，由于钢桥面铺装受力状态局部效应很强，不仅受到整桥结构和不平度等级的影响，且与铺装材料属性以及车辆与其直接作用的轮胎特性密切相关，并且这些参数对受力模式十分敏感。本文首先选择能够模拟交通荷载下钢桥面铺装层体系受力状态的复合梁，基于部分共同作用理论，推出考虑铺装层与钢板之间剪切滑移的复合梁应变与挠度等的解析式，并通过室内复合梁应变试验和挠度试验反算了铺装层材料的模量和层间剪切系数；其次设计了混合料小梁阻尼试验，通过动态信号采集分析得到不同温度条件下的铺装材料阻尼；同时本文建立了轮胎与铺装体系相互作用的仿真模型，分析不同横向、纵向荷位以及不同荷载、胎压下的接地面积和接触压应力分布，为铺装动力响应分析提供荷载加载图式。 第四，在面向桥面铺装的大跨径桥梁模态分析的基础上，采用上述车辆一桥面系解耦计算方法，得到车辆前、中、后轴的轮组动荷载时程序列。分别以车队各车辆、桥梁各梁段为研究对象，分析了行车速度和不平度等级对轮组反力的影响，并采用各个梁段最大动力荷载放大系数的平均值等统计量分析车辆动荷载的变化规律。研究表明：不平度对动荷载放大系数的影响是单调递增的，即在某一车速下，铺装的不平度等级越差，动荷载放大系数越大；而不平度一定时，车速对于动荷载放大系数的影响并不单调，存在“最不利”车速；综合而言，对铺装动荷载，1/8跨附近和9/16跨附近的梁段，为最不利梁段。 第五，选择不利梁段建立带铺装的精细化子结构模型，通过在包含子结构的整桥模型上施加各轮组荷载时程序列并扩展求解的方法，得到大跨径钢桥面铺装动荷载响应。采用混合正交设计方法分析了①轮组荷载②不平度③车速④铺装模量⑤铺装阻尼比⑥荷位⑦胎压七种因素对铺装横向、纵向拉应力以及铺装与钢板之间剪应力的影响顺序，并深入研究不利条件下，荷载和模量对铺装层应力指标的影响规律；并且分别采用动荷载放大系数和铺装动力响应增大系数直接阐明了动力荷载和响应的联系与区别；研究表明考虑整桥动力特性因素的影响，将使计算结果比局部梁段模型的计算结果大10％左右，并且随着不平度的增大整桥结构的影响将逐渐增长；进一步研究铺装动力响应时程，计算分析动荷载下的铺装应力脉冲响应时间，并采用Gaussian型和Haversine型曲线回归得到脉冲响应波形特征参数，为疲劳试验加载波形的确定提供理论参考；分析了多联轴作用下的铺装动力响应时程，计算其波形参与系数，并通过室内复合梁试验得到了不同参与系数条件下的耗散能之比，进而采用能量原理推知钢桥面铺装的多联轴等效换算系数，为轴载换算和抗疲劳设计提供依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1国内外大跨径桥梁概况

1.2国内外大跨径桥梁钢桥面铺装技术发展及现状

1.2.1正交异性钢桥面铺装不同于沥青路面的特点

1.2.2正交异性钢桥面铺装力学分析研究概况

1.3本文研究问题的提出

1.4大跨径桥梁钢桥面铺装动荷载响应涉及的研究领域

1.4.1铺装材料的特性

1.4.2轮胎接触应力与荷载图式的影响

1.4.3大跨径桥梁桥面不平度的分析方法

1.4.4大跨径桥梁桥面铺装和车辆相互作用的分析方法

1.5国内外相关研究综述

1.5.1桥面铺装材料性能研究

1.5.2轮胎荷载图式研究

1.5.3桥面不平整度及其对动荷载的影响

1.6本文的研究内容和技术路线

1.6.1研究内容

1.6.2技术路线

本章参考文献

第二章 钢桥面铺装复合结构特性参数研究

2.1钢桥面铺装模量和剪切刚度理论计算方法

2.1.1钢桥面铺装复合结构特性参数试验模型

2.1.2钢桥面铺装复合结构理论分析方法推导

2.2钢桥面铺装模量和剪切刚度的求解结果

2.2.1弯拉挠度试验

2.2.2应变试验

2.2.3复合梁模量和剪切系数分析

2.3桥面铺装阻尼参数的分析方法

2.3.1应用梁理论动力模型的局限性

2.3.2基于混合料长梁的铺装阻尼试验

2.4桥面铺装材料阻尼试验结果

2.5本章小结

本章参考文献

第三章 轮胎与钢桥面铺装接触压力的模拟

3.1概述

3.2轮胎有限元模拟

3.2.1轮胎组成材料的性质

3.2.2轮胎有限元模型参数确定

3.3轮胎与桥面铺装的相互作用问题

3.3.1轮胎与桥面铺装作用时的几何非线性

3.3.2轮胎和桥面铺装的接触

3.3.3仿真模型建立

3.3.4模型验证

3.4轮胎与桥面铺装接触分析

3.4.1轮胎桥面铺装之间的接触应力分布

3.4.2轮胎桥面铺装之间的接触压印尺寸分析

3.5本章小结

本章参考文献

第四章 面向铺装的大跨径桥梁整体模型的建立

4.1悬索桥结构计算分析理论

4.1.1弹性理论

4.1.2挠度理论

4.1.3有限位移理论

4.1.4结合现代计算机技术的有限元理论

4.2大跨径悬索桥整体结构有限元模拟的考虑因素

4.2.1大跨径悬索桥有限元模拟的研究现状

4.2.2大跨径悬索桥各组件结构的模拟

4.3面向桥面铺装结构分析的整桥有限元模型建立

4.3.1建立面向桥面铺装结构分析的整桥模型须考虑的因素

4.3.2江阴大桥面向桥面铺装的有限元模型的建立

4.3.3面向桥面铺装整桥模型的结构初始条件确定

4.3.4模态分析

4.3.5车辆荷载下主梁位移检验

4.4本章小结

本章参考文献

第五章 不平度条件下的车辆—桥面耦合分析

5.1桥面不平度的模拟

5.1.1不平度的概念和表述方式

5.1.2大跨径桥梁钢桥面铺装不平度的模拟方法

5.1.3桥面随机不平度序列的生成

5.2车辆—桥面作用的原理

5.2.1车—桥系统研究概况

5.2.2车辆模型的建立

5.2.3桥梁的强迫振动方程

5.2.4车辆—桥面系统振动的求解

5.3大跨径桥梁钢桥面铺装动荷载分析

5.3.1车辆参数的确定

5.3.2桥梁动力特性参数的确定

5.3.3动荷载放大系数

5.3.4不同不平度等级和车速条件下的动荷载

5.4本章小结

本章参考文献

第六章 大跨径钢桥面铺装动力响应及影响因素分析

6.1考虑钢桥面铺装体系的精细子结构模拟方法

6.1.1动力子结构方法

6.1.2子结构有限元模型

6.2阻尼设置

6.2.1比例阻尼(正交阻尼)

6.2.2非比例阻尼(非正交阻尼)

6.2.3面向桥面铺装的桥梁结构模型的阻尼参数

6.3动力分析与静力分析结果对比

6.3.1横向荷位设置

6.3.2应力结果分析

6.3.3最不利应力出现位置

6.4钢桥面铺装动力响应的影响因素分析

6.4.1横向拉应力分析

6.4.2纵向拉应力分析

6.4.3铺装与钢板之间剪应力分析

6.5荷载和模量对铺装层应力指标的影响

6.5.1不平度等级为A时荷载和模量对铺装层的影响

6.5.2不平度等级为C时荷载和模量对铺装层的影响

6.6铺装动力响应增大系数

6.7铺装动力响应时程研究

6.7.1单轴荷载

6.7.2多联轴荷载

6.7.3多联轴的轴载换算

6.8本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1主要结论

7.2主要创新点

7.3研究展望

附录

致谢

作者攻读博士学位期间发表的论文

发表专利及参加的科研项目