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原文传递大跨度钢桥面铺装体系力学特性分析

论文题名：	大跨度钢桥面铺装体系力学特性分析
关键词：	大跨度;钢桥面铺装层;铺装体系;沥青混凝土;剪切应力;铺装结构;横向拉应力;铺装材料;结构体系;接触刚度;水平荷载;层间剪切;粘弹性;力学指标;有限元;力学特性;正交异性钢桥面板;设计;挠度;力学性能
摘要：	大跨度钢桥桥面铺装体系是由正交异性钢桥面板和沥青混凝土铺装层组成。在交通荷载和环境因素共同作用下铺装层和层间等整个铺装结构疲劳开裂、车辙和脱层等早期病害非常普遍，已成为一直困扰学术界和工程界的技术难题之一。为此，本文以珠江黄埔大桥钢箱梁悬索桥钢桥面铺装体系的研究为背景，开展大跨度钢桥面铺装体系的结构和材料力学性能研究，揭示钢桥面铺装破坏的基本机理，为改善钢桥面铺装层体系设计提供可靠的依据。　　首先，对钢桥面铺装结构体系的功能和病害产生原因进行综合分析，运用通用有限元软件ABAQus建立钢桥面铺装结构体系有限元模型，研究了钢桥面铺装结构体系局部力学特性，得到了正交异性钢桥面铺装层内应力和局部挠度分布规律，确定了其中的最不利荷载位置。在此基础上，进一步研究刹车所引起水平荷载对层间剪切应力影响，结果表明：水平荷载对于最大横向剪切应力大小基本没有影响，而对纵向剪切应力大小确有着决定性的作用。当急速刹车时，最大纵向剪切应力将成为控制钢桥面铺装层剪切应力设计指标。　　其次，对钢桥面铺装体系主要力学指标随构造参数的变化的敏感性进行详细的研究，采用最小二乘法回归分析得到相应力学指标与构造参数之间函数关系式，通过对各主要影响因素进行比较分析，结果表明：影响钢桥面铺装层内部最大横向拉应力大小的主要因素是铺装层弹性模量和顶板厚度；而决定钢桥面铺装层局部挠度大小的主要因素为U肋高度和厚度。　　再次，以考虑层间接触的有限元分析方法为基础，研究不同层间接触条件下，钢桥面铺装体系主要力学性能指标的变化规律。结果表明：接触状态的变化对钢桥面铺装层顶面横向拉应力和局部挠度的分布规律影响不大。然而，随着接触刚度的变化，钢桥面铺装体系界面表现出明显的非线性，因此铺装层内部最大横向拉应力随着接触刚度的增大而出先减少后增大的非线性变化过程。由于铺装层具有一定分散车轮荷载的作用，随着接触刚度的增大，铺装层顶面的最大挠度和钢桥面板的Mise应力逐渐减少。这一定程度上表明：一方面，钢桥面铺装体系的滑移，对钢桥面铺装体系顶板说是不利的，另一方面，层间的接触刚度的释放，导致层间剪切应力逐渐减少，因此，按照完全连续分析钢桥面铺装体系的层间剪切应力是偏于安全的。　　最后，本文对钢桥面铺装沥青混凝土粘弹性本构关系进行了分析，提出了一种实现沥青混凝土蠕变与松弛曲线相互转换计算的基本方法，并编写了相应的计算程序。同时，基于广义maxwell本构模型理论和沥青混凝土粘弹性材料的时温等效的基本原理，对环氧沥青混凝土、SMA10改性沥青混凝土、 AC10重交沥青混凝土三种不同的铺装材料的粘弹性力学特性进行研究，并获得到三种不同铺装材料松弛曲线族。在此基础上，结合钢桥面铺装体系的特点，对沥青混凝土钢桥面铺装体系在荷载作用下的粘弹力学响应进行仔细的研究，结果表明：钢桥面铺装层各主要力学指标随荷载作用时间的延长而呈现出复杂的变化，当外界温度较低时，铺装层表现出弹性性质，随着温度升高，其粘性性质逐渐增强，表现出明显的粘弹性。三种沥青混凝土铺装材料中，环氧沥青混凝土较沥青玛蹄脂沥青混凝土和普通沥青混凝土具有较良好抵抗结构变形的能力；常温下其延迟变形能力比高温状态更强的。而加卸载过程中钢桥面铺装层顶面最大横向拉应力的交替变化，一定程度上加速了钢桥面铺装材料的疲劳破坏，同时也说明把沥青混凝土铺装层作为一种简单的弹性材料只能是力学计算中的一种近似。　　总之，本文在大跨度钢桥面铺装体系的力学分析及结构设计方面所做的研究工作，对我国大跨度钢桥铺装结构体系的设计和研究具有重要的参考意义。
作者：	陈映贞
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	王荣辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文