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波形钢腹板PC组合箱梁桥空间网格法模型及模型修正的试验思考

日期:2022年04月17日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:127
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202111301712038139 论文字数:42585 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
相关标签:土木工程论文

本文是一篇土木工程论文,本文以太原市某高架桥一联波形钢腹板 PC 组合箱梁桥作为工程对象,开展空间网格模型应用于实际工程结构力学行为分析的试验研究,探讨采用腹板整体划分方式的空间网格分析方法建构实桥结构有限元模型的精确性,研究针对基于设计图纸建立的空间网格模型进行设计参数修正,从而提高模型分析精度的有效方法,研究成果对于推动当前组合箱梁桥结构分析方法向着实用化、精细化的方向深化具有参考价值。


第 1 章 绪论


1.1 研究背景及意义

桥梁作为公路与城市道路中跨越障碍、沟通两地的重要枢纽,在现代化交通网络中具有非常重要的作用。新中国成立之后,特别是改革开放以来,伴随着我国经济与社会建设的飞速发展,我国的桥梁基础设施建设也取得了巨大的成就。截至 2019 年,中国公路桥梁数量 87.83 万座,总里程达 6063.46 万米[1]。

在我国目前服役的桥梁中,特别是长大跨径的桥梁中,预应力混凝土连续箱梁桥占有很大的比重。长期的运营实践表明,预应力混凝土箱梁的自重过大和腹板开裂问题是制约该桥型结构承载力和运营安全性能的主要因素。对于预应力混凝土箱梁而言,腹板面积往往占其整个箱梁截面面积的 30%左右[2]。因此,减少腹板厚度对于减轻箱梁自重具有积极作用;同时,箱梁的腹板内需要配置竖向预应力束来克服运营阶段过大的弯剪复合应力作用引起的开裂现象,这既加大了腹板厚度,又增加了施工难度。正是为了克服上述缺陷,波形钢腹板 PC 组合箱梁桥这种新型梁桥结构体系应运而生,并逐步走向成熟。

波形钢腹板 PC 组合箱梁桥其结构由混凝土顶底板、波形钢腹板、横隔板、体内和体外的预应力筋组成,构造示意图如图 1-1 所示。1986 年在法国建成了世界上第一座波形钢腹板 PC 组合箱梁桥——Congac 桥,该桥为一座 105m 长的单箱单室三跨连续梁桥,此后几年法国相继建成数座该类型桥梁,如 Maupre 桥、Asterix 桥、Dole 桥等[3]。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 空间梁格法[7-8]的概念与研究现状

1、空间梁格法的概念

在分析桥梁结构时,我们可以将复杂结构的桥梁离散成若干个板块,再将这些板块等效成十字交叉的正交杆系,用每一组十字垂直交叉的纵横梁单元(6 自由度梁单元)的刚度等效代替其相对应的板块,这样等效之后的若干在不同平面且相互连接的十字交叉的网格就形成了一张空间“网”,这样桥梁的结构就可以用这样的“空间网格”来表示了。

2、研究现状

李宁等[9]依托实际工程为背景,采用空间网格法研究箱梁弯桥的性能,它将箱形梁弯桥离散成空间六自由度杆单元,通过这种离散方式建立起来的结构模型既具有实体单元模型的精细,又可以方便地读出各个部分的内力和应力,对薄弱环节重点设计。

徐栋等[10]通过建构一段 30m 长波形钢腹板组合简支箱梁桥的实体单元模型和空间网格模型,对比两种模型应力和挠度计算结果, 得出空间网格模型不仅能反映结构的荷载效应,而且可以通过空间网格模型计算得到混凝土桥梁结构的完整验算应力, 更全面地把握结构受力特征、分析结构中可能出现的问题,以及出现问题的原因。

曾思清等[11]在研究装配式钢板组合梁桥精细化结构分析时,对比分析了该类桥梁的平面梁格模型、实体单元模型和空间网格模型的数据结果与建模理论,得出空间网格模型在计算精度上优于平面梁格模型,而建模简化程度上又优于实体单元模型,故在装配式钢板组合梁桥的设计计算中有较好的适用性和可靠性。

孙远等[12]以某独斜塔双索面弯斜拉桥为例建立空间梁格模型,研究分析了该桥的特殊的非线性问题。根据实测结果,该空间梁格模型的建立以及对特殊非线性问题的处理方法为该桥的施工设计与监控提供了准确的数据,保证了体系转换施工的顺利完成,可供同类异形斜拉桥的施工模拟计算参考。

从上述研究可以出,当前采用空间梁格法建立实桥模型的研究主要以混凝土箱梁桥或组合钢板梁桥为主,应用于波形钢腹板 PC 组合连续箱梁桥实桥的研究不多,主要是因为该方法在应用于该类桥梁目前还有许多技术问题需要解决。


第 2 章 实桥静动载试验


2.1桥梁结构概况

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该高架桥为 3 联 12 跨连续箱梁桥,全桥总长 458m,跨径组合为(35+40×2+35)m+(40×3+35.5)m+(32.5+40×3)m,上部结构采用单箱三室波形钢腹板 PC 组合箱梁桥,下部结构桥墩为双肢花瓶墩,桥台为墙式桥台,墩台基础为桩基。该高架桥一联总体布置图见 2-1,箱梁横断面图见图 2-2。

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箱梁腹板采用 4 道波形钢腹板,钢腹板采用 Q345 钢材,板厚为 18、16、14、12mm,波形采用 1600 型,波板水平宽幅 430mm,斜腹板水平方向长 370mm,波高 220mm,其结构尺寸见图 2-4 所示。波形钢腹板与混凝土的顶板连接方式为 T-PBL 型,孔径大小为 60mm,直径为 25mm 的 HRB400 级钢筋贯穿其中。腹板与底板采用 S-PBL+焊钉的连接方式。腹板纵向连接采用 M22 的高强螺栓定位,然后贴角焊接。预应力钢束采用高强度低松弛的预应力钢绞线,其标准符合《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T5224-2003)的规定。单根钢束的直径为 15.2mm,每股公称面积 139mm2,强度标准为 1860MPa,弹性模量 1.95×105MPa。主梁顶底板布设纵向预应力束,端横梁、中横梁沿横向也布置了预应力束。

桥梁附属设施中,桥面铺装采用 80mm 厚的防水钢筋混凝土调平层+防水层(采用水泥基防水材料)+100mm 的厚沥青混凝土进行铺装。护栏采用防撞等级为 SA 的钢混组合式防撞护栏,采用轻钢栏杆作为人行道栏杆。伸缩缝类型为:160 型。


2.2动载试验

2.2.1 试验目的

桥梁动载试验是利用某种激振方法激起桥梁结构的振动,用以测定桥梁结构的固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数等参数,从宏观上判断桥梁结构的整体刚度和动力性能。本文中的动载试验主要进行的是两个项目:

(1)行车试验荷载作用下桥梁动力性能测试。该试验项目是为了获取桥梁在移动车辆荷载作用下产生的动力响应值的动态增量。

(2)自振特性测试。采用汽车在桥面刹车制动的方法激起桥梁的自由振动,测得桥跨结构的自由振动特性指标,为桥梁结构动力性能评估提供重要依据。

2.2.2 试验仪器和方法

(1)动态增量测试:采用大容量数据自动采集仪和动态应变仪将行车试验过程中收集到的动态应变和动态挠度值进行收集,通过分析动应变的时程曲线,确定桥梁结构在动荷载作用下的动应力与其动态增量。

(2)动力特性测试:利用大容量数据自动采集仪与信号处理分析系统,采集行车试验的振动信号,并通过分析其信号时频来确定桥梁结构的强迫振动频率、阻尼和振幅等。

(3)自振特性测试:采用脉动激励试验测量桥梁结构的模态参数,利用信号处理分析系统将采集的自由振动响应信号进行分析,以此来确定桥梁结构的固有频率、阻尼和振型等自振特性参数。


第 3 章 实桥空间网格模型的建立及有限元数值模拟.........................19

3.1 引言................................19

3.2 空间网格模型建构方法...............................19

第 4 章 基于响应面法的空间网格模型修正...........................39

4.1 引言....................................39

4.2 基于响应面法有限元模型修正的基本方法........................................40

第 5 章 结论与展望..................................61

5.1 结论..................................61

5.2 展望..........................................62


第 4 章 基于响应面法的空间网格模型修正


4.1 引言

基于设计图纸尺寸和材料参数所建构的结构有限元模型(简称初始有限元模型)。由于建模过程中有较多的构造细节被简化处理或忽略,导致初始有限元模型用于实际工程结构的力学行为分析上出现较大的误差。因此对初始有限元模型进行模型修正,得到接近结构真实工作状态的有限元模型,藉以作为桥梁结构损伤识别和运营安全性能评估的技术手段具有非常重要的工程价值,也是当前的研究热点问题。

基于响应面法的有限元模型修正,通过合理的试验设计和参数显著性分析,筛选出显著性影响较大的因素并进行响应面拟合,得到关于显著性参数和结构响应数据所共同组合构成的响应面方程。利用动载试验数据对响应面方程进行优化,实现对初始有限元模型的修正。

宗周红等[41]以白石特大桥为工程背景建立了实体单元模型,将桥梁混凝土材料的弹性模量、支座与伸缩缝的刚度作为模型的待修正参数,以三个方向的频率作为响应特征构造响应面函数并拟合,运用非线性规划优化方法对响应面模型进行非线性最优化求解,修正后的计算结果与实测结果比较吻合;刘杰等[42]采用四阶多项式响应面模型、径向基函数、克里格模型、Chebyshev 模型四种方法对一座单塔双跨双索面斜拉桥的有限元模型进行修正,结果发现四阶多项式响应面模型用于斜拉桥损伤识别精度最高;魏锦辉等[43]提出一种基于响应面方法的桥梁动静力有限元模型修正方法,并将其方法应用到实际桥梁中,经过修正后的有限元模型的计算值与实测值吻合度较高,能够反映实际桥梁的动静力特性;周林仁等[44]建立了某大跨度斜拉桥试验室物理模型的有限元模型,基于灵敏度分析,选取模型的待修正参数,建立待修正参数与特征量关系的径向基函数响应面模