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原文传递斜拱曲梁异型拱桥断索响应模型试验与有限元分析

论文题名：	斜拱曲梁异型拱桥断索响应模型试验与有限元分析
关键词：	斜拱曲梁异型拱桥;吊杆骤断;动力响应;模型试验;有限元分析
摘要：	拱桥吊杆作为主要传力构件，在外界环境腐蚀和移动荷载的激振作用下，吊杆易出现开裂损伤，导致吊杆安全储备降低，应力幅逐渐增加；在运营阶段吊杆最大应力逼近极限承载力时会导致吊杆发生脆性断裂，桥面随之发生不规则下凹甚至垮塌，对拱桥的安全运营造成极大的威胁，因此有必要了解拱桥断索后剩余结构力学性能的退化过程和传力机理。当前学者多以等高等宽截面且加以简化模型的直线型梁桥形式进行断索数值模拟，相较于常规类型拱桥，斜拱曲梁钢结构拱桥空间效应显著，传力方式更为复杂，弯扭耦合作用更加明显，针对该类型拱桥断索的动力响应分析和剩余结构受断索冲击效应引起的内力重分配规律研究较少。故本文基于相似比理论，以某斜拱曲梁钢结构拱桥为工程背景，设计并制作了几何相似比为1：40的缩尺模型开展断索模拟试验，并采用Ansys有限元软件分别对原桥和缩尺模型进行空间有限元建模分析，通过有限元断索模拟和断索试验实测结果相结合的方式开展课题研究，本文主要工作如下：　　（1）以广州海心桥为工程背景，采用Ansys Apdl参数化设计语言对全桥进行空间有限元建模并开展模拟断索的参数化分析，包括不同位置处吊杆断裂、不同的断索数量和相邻吊杆不同失效时间间隔，选取主梁和拱肋挠度、主梁和拱肋应力以及剩余吊杆索力作为研究指标，以评估该类型拱桥剩余结构受吊杆冲击效应的影响程度。主要得到结论为，通过有限元对比分析确定了准确反映吊杆骤断冲击响应的吊杆失效时间，明确了斜拱曲梁拱桥在吊杆骤断后剩余结构的力学性能变化趋势和剩余吊杆的内力重分布规律，对典型位置处吊杆断裂后的剩余构件的DAF取值展开讨论分析，得出在考虑多根吊杆同时断裂后的动力响应不能简化为相应不同单根吊杆逐一断裂后的线性叠加。　　（2）以广州海心桥为工程背景，基于相似理论设计并制作了一座几何相似比为1：40的缩尺模型，详细阐述了拱梁截面几何尺寸等效设计计算过程，模型的制作加工过程，主梁和拱肋的配重方案。选择典型位置处吊杆以缓慢卸载索力和突然断裂两种工况开展断索模拟试验，采用Ansys Apdl对缩尺模型进行空间有限元建模分析，并将有限元模拟断索结果和试验实测结果相互验证对比，证实了该有限元建模方法探究断索后剩余构件的静、动力响应变化规律的可行性和准确性，也验证了缩尺模型的设计和断索模拟试验的合理性，可以真实地反映原型桥典型位置处吊杆断裂后对剩余结构的力学性能变化规律。　　（3）在已验证的有限元建模分析和断索模拟方法的基础上，以一座下承式钢箱系杆拱桥为工程背景，在原型拱桥设计的基础上，以不同拱梁刚度之比为设计参数，首先计算并讨论了不同拱梁刚度之比下该拱桥的静力响应变化情况，然后对该拱桥进行断索动力时程分析，探究不同刚度之比下的拱桥受断索冲击效应的影响规律。分析得到，随着拱梁刚度之比的增大可以减缓邻近吊杆受断索引起的冲击效应，同样也可以减小断索区域邻近吊杆的索力分配比例，吊杆骤断后主梁跨中处下挠幅度随着拱梁刚度比的增大而增大，拱肋跨中处上拱幅度随着拱梁刚度比的增大而减小。
作者：	霍建宏
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	黄永辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广州大学
学位年度：	2023