大跨度鐵路鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)行為分析與疲勞性能研究.pdf

1、斜拉橋作為一種索、塔、梁組合體系，具有良好的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，已成為大跨徑橋梁的主要橋型之一，在鐵路橋梁中也被廣泛應(yīng)用。作為在斜拉橋索、梁之間起到聯(lián)系作用的結(jié)構(gòu)，即索梁錨固區(qū)，其傳遞的荷載較大、傳力機(jī)理復(fù)雜、局部應(yīng)力集中等問(wèn)題突出。目前，大跨度斜拉橋多采用錨箱式索梁錨固結(jié)構(gòu)作為其索、梁之間傳遞荷載的構(gòu)件。新建寧波鐵路樞紐北環(huán)線甬江特大斜拉橋首次在國(guó)內(nèi)大跨度鐵路斜拉橋中采用了鋼箱梁與混凝土箱梁組成的混合梁結(jié)構(gòu)作為主梁，針對(duì)鐵路橋活載重、

2、索梁錨固區(qū)應(yīng)力幅度變化較大的特點(diǎn)，甬江特大橋鋼箱梁節(jié)段索梁錨固區(qū)采用全新設(shè)計(jì)的雙挑式索梁鋼錨箱。作為雙挑式索梁鋼錨箱的主要受力構(gòu)件，錨箱支承板和承壓板分別通過(guò)其雙側(cè)焊縫與主梁邊腹板和風(fēng)嘴板焊接在一起，形成由主梁風(fēng)嘴板與邊腹板共同承受并傳遞索力的新型索梁錨固結(jié)構(gòu)。本文基于甬江特大橋新型雙挑式索梁鋼錨箱，對(duì)其進(jìn)行了全面深入的研究，研究的主要內(nèi)容如下:
　　1、采用有限元仿真分析的方法，進(jìn)行該新型索梁錨固結(jié)構(gòu)傳力機(jī)理及應(yīng)力分布狀態(tài)的研究

3、。研究表明:雙挑式索梁鋼錨箱通過(guò)錨箱支承板與主梁邊腹板一側(cè)的3條縱向連接焊縫傳遞了55.39％的斜拉索索力，而通過(guò)支承板和主梁風(fēng)嘴板之間的3條縱向連接焊縫傳遞了38.14％的索力;雙挑式索梁鋼錨箱各板件應(yīng)力分布均勻，但各主要受力構(gòu)件均存在不同程度的應(yīng)力集中，其中主梁邊腹板和風(fēng)嘴板上連接焊縫附近的應(yīng)力集中區(qū)域，屬于疲勞破壞的敏感部位，因此需要被重點(diǎn)關(guān)注;相比于傳統(tǒng)柱式鋼錨箱，雙挑式索梁鋼錨箱通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的改進(jìn)，消除了兩塊主要支承板與主

4、梁連接焊縫頂端應(yīng)力集中的情況。
　　2、通過(guò)資料調(diào)查和理論研究，基于Monte Carlo方法建立了適用于鐵路橋梁的列車荷載譜。采用面向?qū)ο蟮乃枷?，利用C＃與WPF語(yǔ)言模擬生成列車荷載譜，完成了核心算法的設(shè)計(jì)與程序界面的開(kāi)發(fā)。并且在此基礎(chǔ)上添加了影響線加載子模塊，通過(guò)采用隨機(jī)生成的列車荷載譜對(duì)影響線進(jìn)行加載，從而得到時(shí)程曲線，再通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)得到結(jié)構(gòu)荷載的效應(yīng)譜。通過(guò)程序模擬得到的列車荷載譜不僅適用于本課題中對(duì)雙挑式索梁鋼錨箱

5、進(jìn)行疲勞驗(yàn)證試驗(yàn)以及疲勞評(píng)估計(jì)算，同時(shí)可適用于國(guó)內(nèi)其他鐵路橋梁列車荷載譜的模擬。
　　3、基于相似理論，以應(yīng)力等效為原則，設(shè)計(jì)了雙挑式索梁鋼錨箱模型試驗(yàn)方案，并對(duì)其進(jìn)行了靜力以及疲勞驗(yàn)證性試驗(yàn)。靜力試驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)靜力測(cè)試數(shù)據(jù)與有限元仿真分析結(jié)果的對(duì)比，確定了試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)也對(duì)仿真分析結(jié)果加以印證，進(jìn)一步明確了雙挑式索梁鋼錨箱各關(guān)鍵受力構(gòu)件的應(yīng)力分布。疲勞驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果表明:雙挑式索梁鋼錨箱具有良好的抗疲勞性能，并且

6、具有足夠的疲勞強(qiáng)度安全儲(chǔ)備。
　　4、對(duì)雙挑式索梁鋼錨箱進(jìn)行了設(shè)計(jì)參數(shù)的分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以期對(duì)未來(lái)該新型索梁錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展提供基礎(chǔ)。所涉及的關(guān)鍵受力構(gòu)件參數(shù)主要包括:支承板厚度、主梁風(fēng)嘴板和邊腹板厚度、承壓板厚度、支承板長(zhǎng)度。主要分析了上述參數(shù)的改變對(duì)于雙挑式索梁鋼錨箱各關(guān)鍵受力構(gòu)件應(yīng)力分布與傳力焊縫處受力變化的規(guī)律。對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究則表明:在不影響結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度以及疲勞性能的情況下，適當(dāng)簡(jiǎn)化部分板件，可以降低其制造的難

7、度，減少焊接工作量，有利于保證焊接質(zhì)量。
　　5、針對(duì)全橋23個(gè)不同構(gòu)造的雙挑式索梁鋼錨箱進(jìn)行研究，采用有限元仿真分析的方法，研究了各錨箱的受力特性，并分析其中規(guī)律。并采用基于S-N曲線的方法對(duì)全橋雙挑式索梁鋼錨箱的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估結(jié)果表明:全橋23個(gè)雙挑式索梁鋼錨箱均有較好的抗疲勞性能，其中在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)計(jì)算得到損傷度最大的為主梁跨中附近M20號(hào)斜拉索對(duì)應(yīng)的雙挑式索梁鋼錨箱，而橋塔附近M03號(hào)斜拉索對(duì)應(yīng)的錨箱損傷度最低。<