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原文传递严寒地区钢箱梁桥面铺装力学响应研究

论文题名：	严寒地区钢箱梁桥面铺装力学响应研究
关键词：	正交异性钢箱梁桥;桥面铺装;力学响应;荷载作用
摘要：	沥青混凝土铺装是正交异性钢箱梁桥广泛使用的铺装结构形式，而铺装层作为直接承受车辆荷载的结构，其力学性能的优劣对于整个桥梁的服役水平至关重要。中国东北地区冬季温度低、温差大，沥青混凝土铺装受荷载与温度因素影响较大，铺装层病害呈现高发态势。因此，开展严寒地区正交异性钢箱梁桥沥青混凝土铺装结构的性能研究是十分必要的。本文依托吉林大路快速路立交桥，基于ANSYS建立正交异性钢箱梁桥局部有限元模型，研究了在双轮矩形荷载、温度荷载、温度-车辆荷载耦合作用下的力学响应，所做主要工作及结论如下：　　（1）利用ANSYS有限元分析软件建立双车轮矩形荷载作用下的正交异性钢箱梁沥青混凝土桥面铺装计算模型、构建了1/4车辆模型振动方程组。静载作用下铺装层表面竖向位移在横桥向呈现出“W”型分布，横向拉应力较大值分布在纵桥向两端处，铺装层与钢桥面板间的层间剪应力呈带状分布；动载作用下的铺装层表面最大竖向位移较静载提高32%，最大横向拉应力较静载提高103%，层间横向剪应力较静载提高243%。　　（2）利用ANSYS软件中的瞬态动力学模块，建立起正交异性钢箱梁沥青混凝土桥面铺装计算模型，分别对车速、超载率、面层弹模、钢桥面板厚度等参数与铺装层力学响应之间的关系进行了探究。发现车速变化对于最大竖向位移、层间剪应力影响不大，对最大横向拉应力有较大影响；超载率对上述各力学效应均有较大影响；桥面板厚度对上述各力学效应有一定的抑制作用，但影响程度逐渐减小。　　（3）基于ANSYS的瞬态热分析功能，建立了正交异性钢箱梁沥青混凝土桥面铺装温度作用计算模型，进行了铺装层热力学分析。结果表明：铺装层结构温度及温度应力与大气温度变化趋势基本相同，铺装层内部温度变化存在些许延迟；低温下最大温度拉应力约为0.89MPa，铺装层结构发生受拉破坏；铺装层表面的最大压应力约为1.12MPa，铺装层结构表面有较大变形。　　（4）利用ANSYS软件中的热-结构耦合分析模块，建立了正交异性钢箱梁沥青混凝土桥面铺装计算模型，进行了最低温度-车辆荷载耦合、连续降温-车辆荷载耦合两种工况下的耦合分析。结果表明：最低温度-车辆荷载耦合作用下的最大横、纵向拉应力分别为1.16MPa、1.21MPa，较低温作用下分别提高约30.34%、8.04%；连续降温-车辆荷载耦合作用下，纵向拉应力差值最大可达0.83MPa、横向拉应力差值最大可达0.76MPa。　　（5）将实际高频动载作用转化为考虑累计作用时间的静载，并考虑时变交通量的影响，进行了最低温度、连续降温两种工况下的铺装层结构永久变形分析。结果表明：最低温度下的各时间段竖向蠕变变形及横向蠕变应变与交通量变化规律大致相同，50万次作用后最大竖向变形可达1.729mm，较最低温度-车辆荷载耦合作用下的最大竖向变形约提高了24%，横向蠕变拉应变最大约为258με；连续降温下，铺装层各阶段的蠕变变形与温度变化情况基本相同。对超载率、轴载次数及二者同时作用三种工况下的永久变形进行分析，分析结果显示：竖向蠕变变形与超载率大致呈线性增长，超载率对横向蠕变应变影响不大；在不同参数组合下，轴载作用次达到50万次后才对竖向蠕变变形有明显影响，相同轴载作用次数不同超载率下结果最大相差达277%；铺装层横向蠕变应变以轴载作用次数为主要影响因素，相同超载率不同轴载作用次数下结果最大相差近20倍。
作者：	李想
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	郑一峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022