钢—混凝土结合梁桥动力性能及损伤识别的理论分析与模型试验研究

摘要

钢-混凝土结合梁桥是继钢结构桥梁与混凝土桥梁之后兴起的一种新型结构，它通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连接在一起，使二者形成组合作用，共同受力，充分发挥钢（抗拉）和混凝土（抗压）两种不同材料的特点。正是由于这种优点，钢-混凝土结合梁在公路、市政、轨道交通和铁路桥梁领域应用日益广泛。虽然钢-混凝土结合梁具有上述明显的优势，但由于材料和结构本身的限制，也不可避免地存在着一些问题，如负弯矩区混凝土容易开裂，收缩和徐变问题会导致结合梁挠度加大以及混凝土板裂缝，连接性能在长期荷载作用下容易劣化，动力作用下结合梁的受力和滑移机理不明确等问题。本文结合国家重点基础研究发展计划973项目、国家自然科学基金项目以及铁道部科技研究开发计划资助项目，以钢-混凝土结合梁桥为研究对象（文中简称为结合梁桥），通过理论推导、数值分析和模型试验，重点研究结合梁桥的动力行为，对其自振特性、外力荷载激励下的响应、车桥动力相互作用分析和损伤识别进行了深入的研究。主要工作和结论如下:
　　(1)建立了考虑钢梁与混凝土板之间相对滑移、阻尼的简支直线钢-混凝土结合梁的基本振动方程。运用直接平衡法，考虑了阻尼对结构响应的影响，把钢梁和混凝土板均视作Euler-Bernoulli梁，建立了简支直线钢-混凝土结合梁的基本振动方程，针对一定的边界条件进行求解，重点研究钢梁与混凝土板之间的相对滑移对结合梁桥自振特性的影响，分析其与单一材料梁的区别。在此基础上，得到了结合梁的质量、刚度和阻尼矩阵的正交条件，为下文的车桥动力相互作用分析提供了理论基础。
　　(2)给出了考虑滑移、简谐荷载共同作用的结合梁挠度通用表达式。通过本文建立的结合梁基本动力理论，得到了集中荷载（或其它形式的荷载）作用下结合梁静挠度的通用级数表达式，通过一定的变换，使其符合级数求和条件;将其相应的Bernoulli函数和Bernoulli数代入，即可得到与静力方法一致的结合梁挠度通用表达式，且能体现滑移引起的附加挠度以及简谐力的影响，为求解结合梁的挠度通用表达式提供了一种思路。
　　(3)根据结合梁的动力特性，提出了钢-混凝土简支结合梁的“动力刚度折减系数”和“频率折减系数”的概念。通过理论推导，得到了结合梁的动力刚度折减系数的表达式，并与《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中的公式进行了比较。对静力刚度折减系数的取值进行了分析，研究了其与动力刚度折减系数的联系和区别及应用的范围。结果表明，在结合梁的动力计算中，不能直接套用静力计算的公式来计算结合梁的等效刚度，否则会引起较大的误差。
　　(4)建立了钢-混凝土结合梁桥车桥动力相互作用分析模型。考虑铁路桥梁的行车特点、车-桥耦合特征以及结合梁桥的构造特点，对移动荷载作用下结合梁桥的动力响应进行了分析，推导了移动质量、简谐荷载、簧上质量、车辆作用下结合梁的振动方程，并进行了求解，重点分析移动荷载作用下钢梁与混凝土板之间的相对滑移对结合梁桥动力响应的影响。本文的理论分析结果表明，通过本文的结合梁动力理论所得到的结果与试验结果吻合良好，在某些条件下可以从结合梁的动力理论得到集中荷载作用下结合梁的挠度通用表达式。
　　(5)根据铁路结合梁桥实桥的构造特点，对6片钢-混凝土结合梁进行了动力特性的模型试验研究，其中包括两种连接刚度（完全连接、部分连接），对结合梁的自振特性、模型车辆移动荷载作用下梁的响应、简谐荷载持续作用下钢梁与混凝土板之间的相对滑移规律等进行了重点研究;并预设了6种栓钉损伤工况，针对栓钉连接件发生不同程度损伤时的动力特性进行测试。根据试验现象和结果，与理论分析、数值分析相互验证，进一步深入揭示铁路结合梁桥在静、动力荷载下的受力机理。结果表明结合梁的连接刚度对其动力特性产生重大影响，小范围损伤对其自振特性的影响甚微。
　　(6)进行了钢-混凝土结合梁桥状态评估与损伤识别研究。针对钢-混凝土结合梁桥的构造特点，基于现有的结构损伤识别方法，对常见的损伤识别方法应用在结合梁损伤识别中的适用性进行了评估，尤其是针对栓钉局部损伤的有效识别方法进行了研究和探讨。分析结合梁的刚度特点，找到了适合于结合梁桥的损伤识别方法，并以某钢-混凝土简支结合试验梁为例，应用曲率模态分析方法，对抗剪连接件进行了损伤识别方法研究。结果表明:由于结合梁栓钉抗剪连接件的存在，结合梁的整体刚度是不连续的，呈阶段性分布;以自振频率和自振模态等整体动力参数为识别指标的损伤识别方法效果并不理想，无法对损伤位置和程度进行量化;对结合梁的前3阶曲率模态进行综合分析，可以很好地识别混凝土板和钢梁之间的栓钉布置情况、栓钉的损伤位置。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．1．1 结合梁桥的分类

1．1．2 结合梁桥的应用和发展现状

1．1．3 结合梁应用中出现的问题

1．2 国内外研究现状

1．2．1 抗剪连接件研究

1．2．2 受力性能研究

1．2．3 损伤识别研究

1．2．4 综合评述

1．3 本文主要研究内容

第2章 结合梁基本动力理论分析

2．1 考虑外阻尼的结合梁振动方程

2．1．1 基本分析模型

2．1．2 竖向力平衡方程

2．1．3 弯矩平衡方程

2．1．4 振动方程的建立

2．1．5 振动方程的求解

2．2 考虑正交条件后的结合梁振动方程

2．2．1 振动方程及求解

2．2．2 初始条件

2．2．3 结合梁阻尼比的确定

2．3 考虑内阻尼的结合梁振动方程

2．3．1 基本分析模型

2．3．2 振动方程的建立

2．3．3 自由振动方程

2．4 简谐荷载作用下结合梁的响应

2．4．1 集中简谐荷载作用在结合梁上的响应

2．4．2 结合梁响应的解析解

2．4．3 结合梁挠度表达式

2．5 结合梁的刚度和频率折减系数

2．5．1 静力刚度折减系数

2．5．2 折减系数取值分析

2．5．3 动力刚度和频率折减系数

2．5．4 静力、动力刚度折减系数之比较

2．5．5 结论

2．6 算例分析

2．6．1 算例分析1：结合梁竖向自振频率计算

2．6．2 算例分析2：动力折减理论的应用

2．7 本章小结

第3章 结合梁动力特性模型试验

3．1 试验目的

3．2 模型梁设计

3．3 材料参数

3．4 试验设备

3．5 试验方案

3．5．1 加载方法

3．5．2 测点布置

3．6 自振特性测试结果

3．6．1 测试过程综述

3．6．2 自振特性测试结果

3．7 持续简谐荷载作用下结合梁的动力特性试验研究

3．7．1 加载和卸载过程分析

3．7．2 持续简谐荷载作用下结合梁的响应

3．7．3 简谐试验结果分析

3．8 结合梁自振特性理论分析、数值计算及试验研究对比分析

3．8．1 数值计算结果

3．8．2 结果对比

3．9 本章小结

第4章 考虑车桥动力相互作用的结合梁振动方程

4．1 移动荷载作用下结合梁的振动分析

4．1．1 简支结合梁在移动力作用下振动

4．1．2 动力平衡方程求解

4．1．3 移动质量作用下梁的振动

4．2 移动简谐荷载作用下的结合梁振动

4．2．1 考虑粘滞阻尼的结合梁振动方程

4．2．2 结合梁振动方程的求解

4．3 移动车轮加簧上质量作用下简支结合梁的振动

4．3．1 分析模型

4．3．2 考虑车轮、弹簧(阻尼器)以及簧上质量体系的简支结合梁动力平衡方程

4．4 结合梁车桥共振分析

4．4．1 简支结合梁竖向共振反应分析

4．4．2 结合梁横向共振反应分析

4．5 结合梁车桥动力相互作用模型

4．5．1 列车模型

4．5．2 桥梁模型

4．5．3 轮对蛇行运动与轨道不平顺

4．5．4 车桥系统动力平衡方程组

4．6 本章小结

第5章 结合梁移动荷载模型试验

5．1 试验目的

5．2 试验设备

5．2．1 采集设备

5．2．2 模型车辆

5．2．3 轨道及护栏设计

5．3 试验方案

5．3．1 加载方法

5．3．2 测点布置

5．4 测点布置

5．5 移动荷载作用下结合梁的响应测试结果

5．5．1 车速的确定

5．5．2 荷载工况

5．5．3 跨中响应测试过程综述

5．5．4 跨中响应测试结果

5．5．5 梁端滑移特性测试结果

5．6 本章小结

5．6．1 移动荷载作用下结合梁的跨中挠度响应测试

5．6．2 移动荷载作用下结合梁的跨中加速度响应测试

第6章 结合梁桥动力理论与试验对比分析

6．1 概述

6．2 简谐荷载下的结合梁振动响应

6．3 移动荷载作用下结合梁的动力响应分析

6．3．1 概述

6．3．2 结合梁振动方程的数值求解方法

6．3．3 结合梁理论分析与试验研究的对比分析

6．3．4 结合梁动力响应的参数分析

6．3．5 结论

6．4 结合梁车桥动力相互作用分析

6．4．1 计算模型

6．4．2 有限元模型的验证

6．4．3 考虑相对滑移时结合梁的自振特性分析

6．4．4 车桥相互动力作用分析

6．4．5 结论

6．5 本章小结

第7章 结合梁桥抗剪连接件的损伤识别研究

7．1 概述

7．2 结合梁损伤识别方法评估及分析

7．2．1 结合梁损伤识别方法评估

7．2．2 结合梁曲率模态损伤识别

7．3 试验结果分析

7．4 数值分析研究

7．4．1 自振频率分析

7．4．2 自振模态分析

7．4．3 曲率模态分析

7．5 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 本文主要工作与结论

8．2 本文主要创新点

8．3 需要进一步研究的问题

参考文献

作者简历

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