详情

原文传递钢-砼叠合梁自锚式悬索桥静动力特性模型试验研究

论文题名：	钢-砼叠合梁自锚式悬索桥静动力特性模型试验研究
关键词：	自锚式悬索桥;钢-砼叠合梁;静动力特性;有限元仿真;疲劳性能
摘要：	自锚式悬索桥无论在结构构造、施工方法、还是在受力性能上，与地锚式悬索桥都有显著差异。它具有结构新颖，受力合理，景观效果突出等特点，在软土地基、沟壑纵横地带尤其能突出其优越性，在大跨径桥型比选中极具竞争力。目前国内外关于自锚式悬索桥力学性能的深入研究仍不够充分，相关成果较少。因此，本文以哈尔滨市三环西线跨松花江大桥为实际工程背景，依托哈尔滨市建设系统科学研究计划项目《钢-混凝土叠合梁自锚式悬索桥结构性能及全桥模型试验研究》(201107)系统开展了基于模型试验的结构整体静动力性能研究。　　钢桥低温焊接节点的疲劳性能是桥梁力学研究领域的一个重要分支。我国桥梁建造中普遍执行的《铁路钢桥制造规范》(TB10212-2009)规定:低于5℃必须停止焊接作业。但对突破该温度下限的焊接研究结果已表明，采取合理的焊接工艺与制造规范，低温焊接焊缝的常规力学性能能够满足规范要求。而在焊接结构的耐久性研究方面，低温焊接下焊缝局部疲劳性能的研究却极少见诸文献。鉴于本文的研究对象为高纬度、严寒地区首座自锚式悬索桥，该桥低温施焊的焊缝疲劳性能研究没有可以借鉴的先例。因此为了确保低温下焊接节点的使用安全，依托哈尔滨市建设系统科学研究计划项目《桥梁冬季低温焊接构造疲劳试验研究》(201106)开展-5℃的施焊的焊件疲劳性能试验研究。　　具体研究内容如下: 　　首先进行大桥1∶50缩尺模型设计研究。模型静力相似关系以刚度相似为主，采取方程式分析法，推导多相介质条件下试验模型与结构原型间的相似指标;基于质量系统下的量纲和谐性原理，通过构建判据因子的幂次三角矩阵，求解试验模型与结构原型间的动力相似准则。并根据相似分析成果进行模型的设计制作。　　根据有限元仿真分析，拟定模型试验的静力试验工况与加载方案。静力试验中重点关注了桥梁的应力及变形特征，同时采取试验测试值的推算值与实桥理论计算值校验的手段印证了试验模型设计的合理性;成桥恒载工况试验结果表明，轴力促使加劲梁在单一的弯矩作用下应力不均匀分布，向弯矩与轴力耦合作用下全跨受压均匀分布的转变，说明轴力对加劲梁产生了有利影响;最不利加载工况下，实测主梁的位移及变形特性与有限位移法计算理论相吻合，荷载校验系数位于0.88～1.15之间，叠合梁的顶板与底板应力幅值均小于材料的许用应力，主梁安全储备较大;实测卸载残余变形与残余应变接近零值，证明自锚式悬索桥在成桥荷载作用下，主梁处于良好的弹性工作状态;基于试验工况的关键构件评价分析，得到了大桥主缆与吊索的安全系数分别为2.81和3.75，主梁刚度为7/10000，均满足规范限值要求，结构受力具有足够的安全储备。　　动力学试验中，以环境激励法辅以衰减振动的测试技术和随机子空间法参数识别技术，成功获取自锚式悬索桥试验模型的前六阶频率。结果表明:桥梁结构的主振型分布明确。实测一阶振型为加劲梁一阶反对称纵漂伴随桥塔弯曲，符合自锚式悬索桥纵向半漂浮体系特征，前六阶振型中，除一阶振型外，横向振型发生在第四阶和第五阶，说明桥梁主跨具有足够的横向刚度，其它振型为竖向振动，一阶竖向弯曲以主跨弯曲为主，反映了大跨度叠合梁自锚式悬索桥主跨相对轻柔的特征。　　由于模型缩尺比例较小，针对动力学频率测试中试验值与理论值误差较大的问题，首次结合大型桥梁缩尺模型试验，采取基于响应面法的有限元模型修正技术，获取了符合结构本真状态的有限元动力修正模型。选取二次多项式作为响应面函数的数学模型，在修正参数的显著性分析和中心复合试验设计基础上，运用最小二乘法对试验设计的样本空间数据进行拟合，以目标达到法为迭代标准，得到了自锚式悬索桥响应面的显示函数关系，并直观的给出典型响应的空间曲面模型。R2和RMSE指标验证结果表明:基于响应面法的有限元动力修正准确可靠。经修正后各阶频率峰值误差明显降低，除横向二阶频率外，其余各阶频率修正效果理想，基频实测误差仅为0.96％。经修正后的有限元模型可作为结构再分析的基准模型。　　结合实桥焊接工位，设计-5℃施焊的等厚对接与十字对接焊接试件各两组，并设计相应的常温对照组试件，通过焊接节点的S-N疲劳曲线与疲劳开裂特征的分析，结果表明:经打磨处理后，-5℃对接焊的试验数据与常温等厚对接焊缝的试验数据基本相当;数据回归的标准差反映出，相对容易施焊的平位焊接试件优于立位焊接试件的疲劳强度，且平位焊接试件的疲劳数据的离散性较立位焊接试件为好;打磨处理对焊缝的疲劳强度有显著提升;低温等厚对接焊缝采取打磨处理，焊前预热、焊后缓冷措施，在-5℃环境温度下采取合理的焊接工艺进行对接焊缝焊接，对焊缝的疲劳强度影响不明显;对于类似不等厚十字对接焊的复杂构造，其疲劳数据离散性大、疲劳强度不稳定，且回归后的疲劳强度小于规范下限，不建议在-5℃的环境温度下施焊。
作者：	万利军
专业：	森林工程
导师：	单炜
授予学位：	博士
授予学位单位：	东北林业大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文