鋼-砼疊合梁自錨式懸索橋靜動力特性模型試驗研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、自錨式懸索橋無論在結構構造、施工方法、還是在受力性能上,與地錨式懸索橋都有顯著差異。它具有結構新穎,受力合理,景觀效果突出等特點,在軟土地基、溝壑縱橫地帶尤其能突出其優(yōu)越性,在大跨徑橋型比選中極具競爭力。目前國內外關于自錨式懸索橋力學性能的深入研究仍不夠充分,相關成果較少。因此,本文以哈爾濱市三環(huán)西線跨松花江大橋為實際工程背景,依托哈爾濱市建設系統(tǒng)科學研究計劃項目《鋼-混凝土疊合梁自錨式懸索橋結構性能及全橋模型試驗研究》(201107)

2、系統(tǒng)開展了基于模型試驗的結構整體靜動力性能研究。
  鋼橋低溫焊接節(jié)點的疲勞性能是橋梁力學研究領域的一個重要分支。我國橋梁建造中普遍執(zhí)行的《鐵路鋼橋制造規(guī)范》(TB10212-2009)規(guī)定:低于5℃必須停止焊接作業(yè)。但對突破該溫度下限的焊接研究結果已表明,采取合理的焊接工藝與制造規(guī)范,低溫焊接焊縫的常規(guī)力學性能能夠滿足規(guī)范要求。而在焊接結構的耐久性研究方面,低溫焊接下焊縫局部疲勞性能的研究卻極少見諸文獻。鑒于本文的研究對象為高緯

3、度、嚴寒地區(qū)首座自錨式懸索橋,該橋低溫施焊的焊縫疲勞性能研究沒有可以借鑒的先例。因此為了確保低溫下焊接節(jié)點的使用安全,依托哈爾濱市建設系統(tǒng)科學研究計劃項目《橋梁冬季低溫焊接構造疲勞試驗研究》(201106)開展-5℃的施焊的焊件疲勞性能試驗研究。
  具體研究內容如下:
  首先進行大橋1∶50縮尺模型設計研究。模型靜力相似關系以剛度相似為主,采取方程式分析法,推導多相介質條件下試驗模型與結構原型間的相似指標;基于質量系統(tǒng)下

4、的量綱和諧性原理,通過構建判據(jù)因子的冪次三角矩陣,求解試驗模型與結構原型間的動力相似準則。并根據(jù)相似分析成果進行模型的設計制作。
  根據(jù)有限元仿真分析,擬定模型試驗的靜力試驗工況與加載方案。靜力試驗中重點關注了橋梁的應力及變形特征,同時采取試驗測試值的推算值與實橋理論計算值校驗的手段印證了試驗模型設計的合理性;成橋恒載工況試驗結果表明,軸力促使加勁梁在單一的彎矩作用下應力不均勻分布,向彎矩與軸力耦合作用下全跨受壓均勻分布的轉變,

5、說明軸力對加勁梁產生了有利影響;最不利加載工況下,實測主梁的位移及變形特性與有限位移法計算理論相吻合,荷載校驗系數(shù)位于0.88~1.15之間,疊合梁的頂板與底板應力幅值均小于材料的許用應力,主梁安全儲備較大;實測卸載殘余變形與殘余應變接近零值,證明自錨式懸索橋在成橋荷載作用下,主梁處于良好的彈性工作狀態(tài);基于試驗工況的關鍵構件評價分析,得到了大橋主纜與吊索的安全系數(shù)分別為2.81和3.75,主梁剛度為7/10000,均滿足規(guī)范限值要求,

6、結構受力具有足夠的安全儲備。
  動力學試驗中,以環(huán)境激勵法輔以衰減振動的測試技術和隨機子空間法參數(shù)識別技術,成功獲取自錨式懸索橋試驗模型的前六階頻率。結果表明:橋梁結構的主振型分布明確。實測一階振型為加勁梁一階反對稱縱漂伴隨橋塔彎曲,符合自錨式懸索橋縱向半漂浮體系特征,前六階振型中,除一階振型外,橫向振型發(fā)生在第四階和第五階,說明橋梁主跨具有足夠的橫向剛度,其它振型為豎向振動,一階豎向彎曲以主跨彎曲為主,反映了大跨度疊合梁自錨式

7、懸索橋主跨相對輕柔的特征。
  由于模型縮尺比例較小,針對動力學頻率測試中試驗值與理論值誤差較大的問題,首次結合大型橋梁縮尺模型試驗,采取基于響應面法的有限元模型修正技術,獲取了符合結構本真狀態(tài)的有限元動力修正模型。選取二次多項式作為響應面函數(shù)的數(shù)學模型,在修正參數(shù)的顯著性分析和中心復合試驗設計基礎上,運用最小二乘法對試驗設計的樣本空間數(shù)據(jù)進行擬合,以目標達到法為迭代標準,得到了自錨式懸索橋響應面的顯示函數(shù)關系,并直觀的給出典型響

8、應的空間曲面模型。R2和RMSE指標驗證結果表明:基于響應面法的有限元動力修正準確可靠。經修正后各階頻率峰值誤差明顯降低,除橫向二階頻率外,其余各階頻率修正效果理想,基頻實測誤差僅為0.96%。經修正后的有限元模型可作為結構再分析的基準模型。
  結合實橋焊接工位,設計-5℃施焊的等厚對接與十字對接焊接試件各兩組,并設計相應的常溫對照組試件,通過焊接節(jié)點的S-N疲勞曲線與疲勞開裂特征的分析,結果表明:經打磨處理后,-5℃對接焊的試

9、驗數(shù)據(jù)與常溫等厚對接焊縫的試驗數(shù)據(jù)基本相當;數(shù)據(jù)回歸的標準差反映出,相對容易施焊的平位焊接試件優(yōu)于立位焊接試件的疲勞強度,且平位焊接試件的疲勞數(shù)據(jù)的離散性較立位焊接試件為好;打磨處理對焊縫的疲勞強度有顯著提升;低溫等厚對接焊縫采取打磨處理,焊前預熱、焊后緩冷措施,在-5℃環(huán)境溫度下采取合理的焊接工藝進行對接焊縫焊接,對焊縫的疲勞強度影響不明顯;對于類似不等厚十字對接焊的復雜構造,其疲勞數(shù)據(jù)離散性大、疲勞強度不穩(wěn)定,且回歸后的疲勞強度小于

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