大跨度铁路钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构行为分析与疲劳性能研究

发布时间：2019-04-22 21:32

【摘要】：斜拉桥作为一种索、塔、梁组合体系,具有良好的力学性能和经济指标,已成为大跨径桥梁的主要桥型之一,在铁路桥梁中也被广泛应用。作为在斜拉桥索、梁之间起到联系作用的结构,即索梁锚固区,其传递的荷载较大、传力机理复杂、局部应力集中等问题突出。目前,大跨度斜拉桥多采用锚箱式索梁锚固结构作为其索、梁之间传递荷载的构件。新建宁波铁路枢纽北环线甬江特大斜拉桥首次在国内大跨度铁路斜拉桥中采用了钢箱梁与混凝土箱梁组成的混合梁结构作为主梁,针对铁路桥活载重、索梁锚固区应力幅度变化较大的特点,甬江特大桥钢箱梁节段索梁锚固区采用全新设计的双挑式索梁钢锚箱。作为双挑式索梁钢锚箱的主要受力构件,锚箱支承板和承压板分别通过其双侧焊缝与主梁边腹板和风嘴板焊接在一起,形成由主梁风嘴板与边腹板共同承受并传递索力的新型索梁锚固结构。本文基于甬江特大桥新型双挑式索梁钢锚箱,对其进行了全面深入的研究,研究的主要内容如下：1、采用有限元仿真分析的方法,进行该新型索梁锚固结构传力机理及应力分布状态的研究。研究表明：双挑式索梁钢锚箱通过锚箱支承板与主梁边腹板一侧的3条纵向连接焊缝传递了55.39%的斜拉索索力,而通过支承板和主梁风嘴板之间的3条纵向连接焊缝传递了38.14%的索力；双挑式索梁钢锚箱各板件应力分布均匀,但各主要受力构件均存在不同程度的应力集中,其中主梁边腹板和风嘴板上连接焊缝附近的应力集中区域,属于疲劳破坏的敏感部位,因此需要被重点关注；相比于传统柱式钢锚箱,双挑式索梁钢锚箱通过对结构构造上的改进,消除了两块主要支承板与主梁连接焊缝顶端应力集中的情况。2、通过资料调查和理论研究,基于Monte Carlo方法建立了适用于铁路桥梁的列车荷载谱。采用面向对象的思想,利用C#与WPF语言模拟生成列车荷载谱,完成了核心算法的设计与程序界面的开发。并且在此基础上添加了影响线加载子模块,通过采用随机生成的列车荷载谱对影响线进行加载,从而得到里程曲线，再通过雨流计数法统计得到结构荷载的效应谱。通过程序模拟得到的列车荷载潜不仅适用于本课题中对双挑式索梁钢锚箱进行疲劳验证试验以及疲劳评估计算,同时可适用于国内其他铁路桥梁列车荷载谱的模拟。3、基于相似理论,以应力等效为原则,设计了双挑式索梁钢锚箱模型试验方案,并对其进行了静力以及疲劳验证性试验。静力试验结果表明：通过静力测试数据与有限元仿真分析结果的对比,确定了试验模型设计的合理性,同时也对仿真分析结果加以印证,进一步明确了双挑式索梁钢锚箱各关键受力构件的应力分布。疲营验证性试验结果表明：双挑式索梁钢锚箱具有良好的抗疲劳性能,并且具有足够的疲劳强度安全储备。4、对双挑式索梁钢锚箱进行了设计参数的分析以及优化设计研究,以期对未来该新型索梁锚固结构的应用与发展提供基础。所涉及的关键受力构件参数主要包括：支承板厚度、主梁风嘴板和边腹板厚度、承压板厚度、支承板长度。主要分析了上述参数的改变对于双挑式索梁钢锚箱各关键受力构件应力分布与传力焊缝处受力变化的规律。对结构的优化研究则表明：在不影响结构静力强度以及疲劳性能的情况下,适当简化部分板件,可以降低其制造的难度,减少焊接工作量,有利于保证焊接质量。5、针对全桥23个不同构造的双挑式索梁钢锚箱进行研究,采用有限元仿真分析的方法,研究了各锚箱的受力特性,并分析其中规律。并采用基于S-N曲线的方法对全桥双挑式索梁钢锚箱的疲劳寿命进行评估。评估结果表明：全桥23个双挑式索梁钢锚箱均有较好的抗疲劳性能,其中在设计使用期内计算得到损伤度最大的为主梁跨中附近M20号斜拉索对应的双挑式索梁钢锚箱,而桥塔附近M03号斜拉索对应的锚箱损伤度最低。通过对于这一新型索梁钢锚箱的研究,可以掌握其承载能力与抗疲劳性能,确保这一新型结构在桥梁建造及运营过程中的安全性,并且充分了解其优点与不足,为今后同类结构提供设计依据与指导。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441;U448.27

【参考文献】