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大宽跨比正交异性板鱼腹式多室薄壁箱梁结构受力性能和试验研究

作　者: 张慧
导　师: 杨子江
学　校: 兰州交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 大宽跨比鱼腹式薄壁钢箱梁正交异性桥面板有机玻璃模型试验剪力滞效应解析材料正交异性有限元列式参数化优化设计
分类号: U448.213
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文以某跨线桥的实际工程——大宽跨比正交异性板鱼腹式薄壁钢箱梁为研究对象，在总结国内外研究成果的基础上，通过大比例模型试验与三维精细化有限元分析，系统地研究了该结构的力学性能，探讨了在分析此类结构不同问题时与之相适应的简化分析计算方法。论文的主要工作如下：首次进行了大宽跨比正交异性板鱼腹式薄壁箱梁桥的大比例有机玻璃模型试验研究，系统测试了结构的整体力学性能；通过试验结果和两种有限元模型计算值的对比分析，揭示了此类复杂结构的整体力学性能。比较了腹板和横隔板间顶板和底板应力分布状态，得到了该结构控制截面的正应力分布规律。为此类结构在工程上的推广应用提供了参考依据。基于最小势能原理，假定剪力滞翘曲函数为余弦函数模式，利用能量变分原理，推导出单箱多室（奇数）薄壁箱梁剪力滞控制微分方程和边界条件，并给出了微分方程的解析表达式；结合大比例有机玻璃模型，建立了全桥精细化三维有限元模型，通过数值分析、解析解与模型试验，对比分析了单箱五室两跨连续箱梁结构的顶底板的剪力滞系数的分布规律，并首次研究了斜曲边腹板对多室箱梁剪滞效应的贡献。以薄板的平面应力问题和薄板弯曲问题为对象，将带有纵向加劲肋的薄壁箱梁结构正交异性板换算为等厚度材料正交异性板，选取四节点矩形单元，构造出一种新的考虑材料正交异性的四节点位移形有限元列式，通过算例验证了计算方法的可靠性，本文计算方法可方便地纳入位移法通用有限元程序系统中。从钢箱梁与铺装结构一体化的角度出发，展开钢箱梁与铺装层相互作用的局部力学性能分析。以最不利工况为基础，讨论通过改变影响桥面铺装结构性能的参数：钢桥面板厚度、钢纤维混凝土铺装层厚度、沥青混凝土铺装层厚度及钢桥面顶板加劲肋密度等，通过精细化局部三维有限元数值模型，分析了钢桥面板和钢纤维混凝土铺装层的变形、应力（应变）随各参数变化的规律。给出了各参数的合理取值界限。基于梁格法的优化理论，以结构的单位长度用钢量为目标函数。把横隔板间距、横隔板厚度、横隔板高度、加劲肋高度、加劲肋厚度、加劲肋数量和桥面板厚度等七个参数作为优化设计变量。以结构的变形和容许应力限值作为主要约束条件，研究了以目标函数为标准的参数优化设计取值。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-31
  1.1 正交异性钢箱梁桥的发展历程  12-18
    1.1.1 正交异性钢箱梁桥的产生  12-13
    1.1.2 正交异性钢箱梁桥在国内外的发展现状  13-18
  1.2 正交异性钢箱梁桥的特点  18-19
    1.2.1 正交异性钢箱梁桥的构造特点  18-19
    1.2.2 正交异性钢箱梁桥的受力特点  19
  1.3 国内外研究现状及分析  19-25
    1.3.1 正交异性板宽体钢箱梁结构存在的主要问题  19-20
    1.3.2 正交异性钢箱梁的整体力学性能研究现状  20-21
    1.3.3 大型多室正交异性箱梁结构全桥模型试验研究现状  21
    1.3.4 多室箱梁结构剪力滞后效应的研究现状  21-23
    1.3.5 正交异性板箱梁结构简化计算理论研究现状  23-24
    1.3.6 正交异性箱梁结构设计参数研究现状  24-25
  1.4 本文的研究背景  25-26
  1.5 本文的研究内容  26-27
  参考文献  27-31
2 结构受力性能的试验研究及有限元分析  31-54
  2.1 结构模型试验  31-38
    2.1.1 试验目的及内容  31-32
    2.1.2 试验材料的选取  32
    2.1.3 材料参数测试  32-33
    2.1.4 模型设计思路  33-36
    2.1.5 试验具体实施方案  36-37
    2.1.6 加载工况  37-38
  2.2 数值计算模型  38-40
  2.3 试验数据及有限元计算结果的比较与分析  40-47
    2.3.1 位移对比  40-42
    2.3.2 应力对比  42-47
    2.3.3 试验值与有限元计算值的误差分析  47
  2.4 顶底板整体应力分布情况  47-51
    2.4.1 相邻横隔板间应力分布模式（横桥向）  48-49
    2.4.2 相邻腹板间应力分布模式（纵桥向）  49-51
  2.5 对比分析结果  51-52
  2.6 小结  52
  参考文献  52-54
3 宽翼缘单箱多室箱梁剪力滞的解析法研究及数值分析  54-70
  3.1 剪力滞效应  54-55
  3.2 剪力滞后效应的解析法推导  55-64
    3.2.1 基本假定  55-57
    3.2.2 基本微分方程推演  57-61
    3.2.3 适合单箱奇数室连续梁的剪力滞效应表达式  61-64
  3.3 研究背景实例分析  64-68
    3.3.1 剪力滞后效应的解析法计算  64-66
    3.3.2 剪力滞后效应的有限元分析  66-67
    3.3.3 斜曲腹板对结构剪力滞后效应的影响  67-68
  3.4 小结  68-69
  参考文献  69-70
4 正交异性板纵向加劲肋换算厚度理论  70-93
  4.1 概述  70-74
    4.1.1 各向异性材料分类  71
    4.1.2 纵向加劲肋的换算厚度  71-72
    4.1.3 正交各向异性板的公式表达  72-74
  4.2 正交材料异性钢板在薄板理论中的两类问题  74-86
    4.2.1 平面应力问题  75-81
    4.2.2 薄板弯曲问题  81-86
  4.3 算例  86-88
    4.3.1 平面应力问题  86-87
    4.3.2 薄板弯曲问题  87-88
  4.4 实例应用  88-89
    4.4.1 计算分析  88-89
    4.4.2 算法比较  89
  4.5 DOE 实验设计在本章简化计算方法中的应用  89-90
    4.5.1 实验设计简介  89-90
    4.5.2 实验设计在简化计算分析中的实现  90
  4.6 本章小结  90-92
  参考文献  92-93
5.钢箱梁桥面板结构的影响参数分析  93-106
  5.1 概述  93-94
  5.2 有限元分析  94-97
    5.2.1 计算假定  94
    5.2.2 建立有限元模型  94-95
    5.2.3 材料参数的选取  95
    5.2.4 设计荷载及荷载工况  95-96
    5.2.5 最不利荷载工况  96-97
  5.3 正交异性桥面板与铺装层间力学性能的影响参数  97-104
    5.3.1 钢纤维混凝土桥面铺装厚度的参数研究  98-99
    5.3.2 沥青混凝土铺装层  99-101
    5.3.3 桥面板厚度  101-102
    5.3.4 纵向加劲肋厚度  102-104
    5.3.5 纵向加劲肋高度  104
  本章小结  104-105
  参考文献  105-106
6 基于结构稳定的正交异性桥面板优化设计  106-122
  6.1 优化设计  106-107
    6.1.1 传统设计与优化设计  106
    6.1.2 优化设计内容  106-107
    6.1.3 结构优化算法  107
  6.2 正交异性桥面的优化算法  107-113
    6.2.1 优化算法——可行方向法  107-109
    6.2.2 正交异性体系的研究目标的确立  109-110
    6.2.3 简化计算方法的选取  110-111
    6.2.4 优化控制条件  111-113
  6.3 桥面板第二体系合理优化设计研究  113-115
    6.3.1 目标函数的提出  114
    6.3.2 优化参数设计  114-115
  6.4 桥面板第二体系优化设计模型  115-120
    6.4.1 梁格法计算模型  116
    6.4.2 优化模型  116-117
    6.4.3 优化结果  117-120
  本章小结  120
  参考文献  120-122
结论与展望  122-125
  一、本文完成的主要工作  122-124
  二、需要进一步研究的问题  124-125
致谢  125-126
附录 1 其他试验实施及试验照片  126-132
附录 2 4.3 节推导的计算公式  132-136
攻读学位期间的研究成果  136-137

大宽跨比正交异性板鱼腹式多室薄壁箱梁结构受力性能和试验研究

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