大跨径钢桥面铺装体系力学分析与优化设计.pdf

东南大学
博士学位论文
大跨径钢桥面铺装体系力学分析与优化设计
姓名:胡光伟
申请学位级别:博士
专业:道路与铁道工程
指导教师:黄卫
20050630
摘要大跨径钢桥的铺装结构体系通常采用扁平薄壁流线型钢箱梁及薄层沥青混合料铺装层与结构总体强度,正交异性钢桥面板厚度,加劲肋尺寸以及横隔板厚度、间距等。首先对钢上,多副示优秀设计方法对大跨钢桥的铺装层厚度,正交异性钢桥面板厚度,加劲肋尺寸以及横隔板厚度、间距等进行了优化设计,并提出一种新型的钢桥面铺装层结构——双层铺装。以减轻恒载,提高跨越能力。由于正交异性钢桥面板的结构特异性以及由于沥青混合料的材料特性,在行车荷载和环境温度荷载的作用下,在沥青混合料锚装层表面易出现疲劳开裂和车辙、拥包等病害,严重影响了大跨径钢桥的使用性能。因此,开展对大跨径钢桥铺装结构体系力学分析和设计研究显得十分迫切。本文在对钢桥面铺装结构体系的功能及病害产生原因进行综合分析的基础上,提出铺装结构体系的设计应综合考虑沥青混合料材料特性,行车荷载等级与交通量,沥青铺装层厚度桥面铺装层沥青混合料进行试验研究,在试验基础上选择合适的沥青混合料,同时获取沥青混合料的材料特性参数;其次,通过沥青混合料的蠕变试验,建立沥青混合料的粘弹塑性分析模型,对钢桥面铺装层的车辙破坏机理进行研究;在高等级公路沥青路面结构的温度应力研究的基础上,利用二维粘弹性层状理论体系对钢桥面铺装层的温度应力进行了探讨;应用多目标优化分析方法对钢桥面铺装结构体系进行了优化设计,分别给出了铺装层厚度、钢桥面板厚度、横隔板间距、厚度、加劲肋间距及加劲肋刚度等优化值;最后,应用有限单元法对钢桥面铺装结构体系进行局部力学分析,研究了正交异性钢桥面铺装层内应力、应变分布规律以及极限荷载位置,通过改变结构特性、荷载特性以及材料特性,分析了钢桥面铺装层对这些因素的敏感性,得出了大跨径钢桥必须限制超载车辆通过的结论。在力学分析的基础同时,以润扬长江公路大桥试验桥为对象,通过现场实验研究,验证了本文关于钢桥面铺装体系的设计理论。总之,本文在大跨径钢桥面沥青铺装层的力学分析及结构设计方面所做的研究工作,对我国大跨径钢桥铺装结构体系的设计将有重要的参考意义。关键词:大跨径钢桥,沥青混合料,铺装层,正交异性板,粘弹塑性,温度应力,有限元,应力,应变,优化设计,实验桥
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第一章绪论§引言在我国现代化建设进程中,交通运输事业起到了先导作用,其本身也得到了蓬勃发展。近十几年来,国家建设了许多大跨径桥梁。正交异性钢桥面板具有构件质量轻、运输和架设方便、施工周期短等特点,因此,大跨径的悬索桥、斜拉桥几乎都采用正交异性钢板面和沥青混合料铺装体系作为桥面系。目前已建的或在建的西陵长江大桥、虎门大桥、重庆长江鹅公岩大桥、汕头磐石大桥,厦门海沧大桥,江阴长江大桥、南京长江二桥南汉斜拉钢桥以及润扬长江大桥均采用了。的很复杂、很关键技术,是一项世界性的技术难题。这是一项系统工程,涉及到力学分析、材料特性、施工工艺等多方面的研究,对正交异性钢桥面的受力状态、铺装材料的基本强度、变形性能、抗腐蚀性、水稳性、高温稳定性、低温抗裂性、.罂缇陡智琶嫫套疤逑档慕峁剐问大跨径钢梁悬索桥、斜拉桥的设计在国外已有较长的历史。早期桥梁结构绝大部分采用桁架式加劲粱和钢筋混凝土桥面结构。如美国的维拉扎诺桥、金门大桥。年英国在布里斯托尔建造主跨的塞文桥时,首次突用钢箱梁的顶面板通过纵肋加劲,直接作为桥面,上铺沥青混合料桥面铺装。其后丹麦的小贝尔特桥、土耳其的博斯普鲁斯一桥、英国的汉博尔桥、±耳其的博斯普鲁斯二桥等均采用了这种扁平流线型钢箱梁,并由箱梁顶板形成的桥面系统和沥青混合料薄层铺装。日本发展大跨径钢桥始于世纪年代末,主要引进美国的建桥经验,多数桥梁采用桁架式加劲梁,但建大跨径桥梁起步较晚,但发展却较为迅速,目前正交异性钢桥面板体系己成为我国大跨径桥梁结构的主要形式。表列举了部分国内外著名桥梁的主梁结构正交异性钢桥面板加劲肋的截面形式一般分为开口截面和闭口截面,相应地加劲肋亦称为开口加劲肋和闭口加劲肋,如图所示。开口加劲肋的主要形式现有大桥中均有应用,如广东北江大桥采用慰?谧堇撸醭そ笄、南京长江第二大桥采用闭口梯形纵肋。由于闭口加劲肋能提供较大的抗扭劲度和抗弯刚度,能改善整个桥面钢板的受力状态,减小钢板的应力,因此成为现代正交异性钢桥面板首选的加劲肋截面形式,目前最常用的截面形式正交异性钢桥面板。但是,正交异性钢桥面的桥面铺装问题是大跨径钢桥建设中粘接性、抗滑