大跨径钢桥面铺装力学分析深入研究——静力结构分析、移动荷载响应及铺装结构优化分析

摘要

随着中国交通事业的迅猛发展,近十年来大跨径桥梁的建设也进入了高峰时期.为了减小桥梁自重和增大跨径,大多数钢桥的桥面板一般采用正交异性钢桥面板.由于桥面铺装不同于普通的高等级路面,它结构特殊,所处位置受到外界气候和温度的影响很大,所以很容易产生各种病害.桥面铺装技术是大跨径桥梁建设的关键性技术之一,国内外对桥面铺装问题,从材料的研制,正交异性钢板的结构优化,以及施工工艺的改进等各方面,都进行了深入的研究,对桥面铺装设计和工程实践都具有重要的意义.该文以润扬长江公路大桥为背景,对大跨径钢桥面铺装进行力学分析.具体分析时,将钢板、梯形加劲肋、铺装层和横隔板作为一个统一铺装体系进行研究,并采用三维有限元分析软件对其进行受力分析.首先,建立正交性钢桥面铺装体系力学分析模型,分析桥面铺装在车辆荷载作用下的受力特性及破坏类型,确定最不利荷位,并研究正交异性钢桥面铺装层的应力应变分布变化规律,提出桥面铺装设计的相关指标;同时,考虑到沥青混凝土在荷载作用下的变形呈现弹塑性特性,研究了钢桥面铺装层沥青混合料为多线性等向强化特性材料时铺装体系的受力特性;其次,将以一定的速度移动的车辆荷载对钢桥面铺装层的受力影响进行数值模拟,分析铺装体系在不同车速行驶的车辆移动荷载作用下的受力特性;最后,通过对大跨径钢桥面铺装体系的钢箱梁正交异性面板几何尺寸、铺装层厚度、铺装层材料的弹性模量等因素进行优化分析,得到钢桥面铺装结构设计的优化参数.该文的分析结果可以用于桥梁和桥面铺装层的设计,也可以为进一步分析桥面铺装问题提供理论参考.

目录

文摘

英文文摘

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第一章前言

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容

第二章钢桥面铺装层应力应变分析

2.1有限元分析基本参数和模型

2.1.1工程背景资料

2.1.2正交异性钢桥面铺装体系分析模型

2.1.3荷载条件

2.1.4基本假设和边界条件

2.2正交异性板体系不利荷位确定

2.2.1横桥向最不利荷位分析

2.2.2纵桥向最不利荷位分析

2.3本章结论

第三章钢桥面铺装层弹塑性特性力学分析

3.1材料弹塑性知识简介

3.1.1材料弹塑性的定义

3.1.2路径相关性

3.1.3率相关性

3.1.4强化准则

3.1.5弹塑性材料属性的定义

3.2有限元分析模型

3.2.1铺装体系模型

3.2.2问题的描述

3.2.3材料性能

3.3弹性模型和弹塑性模型在相同荷载作用下产生的应力对比

3.3.1弹性模型和弹塑性模型铺装层表面弯沉对比

3.3.2弹性模型和弹塑性模型产生的横向拉应力对比

3.3.3弹性模型和弹塑性模型产生的纵向拉应力对比

3.3.4弹性模型和弹塑性模型产生的横向剪应力对比

3.4弹性模型和弹塑性模型在相同荷载作用下产生的应变对比

3.4.1弹性模型和弹塑性模型产生的横向拉应变对比

3.4.2弹性模型和弹塑性模型产生的纵向拉应变对比

3.4.3弹性模型和弹塑性模型产生的剪应变对比

3.5铺装层在递增荷载作用下的计算结果分析

3.6结论

第四章钢桥面铺装对移动荷载的响应

4.1行车荷载的动力特性

4.2车辆荷载的形式

4.3动载特性影响因素

4.3.1车速

4.3.2 车型

4.3.3路面平整度

4.4有限元动力学方程及求解

4.5问题的描述

4.5.1分析模型

4.5.2边界条件

4.5.3荷载及求解

4.6计算结果及分析

4.6.1相同车速的移动荷载作用下铺装层横向拉应力比较

4.6.2不同车速的移动荷载作用下铺装层表面横向拉应力比较

4.6.3不同车速的移动荷载作用下铺装层纵向拉应力比较

4.6.4不同车速的移动荷载作用下铺装层表面竖向位移比较

4.6.5相同车速的移动荷载作用下铺装层剪应力比较

4.6.6不同车速的移动荷载作用下铺装层剪应力比较

4.7本章结论

第五章钢桥面铺装结构优化分析

5.1优化理论概述

5.2结构优化分析在有限元分析软件上的实现

5.3优化方法

5.4优化模型

5.5设计变量、约束条件和目标函数的确定

5.5.1设计变量

5.5.2约束条件

5.5.3目标函数

5.6计算结果及分析

5.7本章结论

第六章结束语

致谢

参考文献

读研期间发表的论文