移动车辆作用下裂缝梁式桥动力响应分析

发布时间：2020-06-14 10:51

【摘要】：桥梁结构作为现代交通运输系统中的重要组成部分,对国家经济发展具有巨大的推进作用,其运营状态的安全与否关乎着人民生命财产安全及社会的长治久安。然而,桥梁作为功能性建筑,其建成之后往往需要服役上百年的时间。由于桥梁结构所处环境十分复杂,在长期的服役过程中,会受到各种因素的影响(材料老化、环境侵蚀、超载运行、自然灾害等),不可避免地导致结构出现损伤以及服役性能的降低。车辆作为移动载荷,相比等效静载荷会使桥梁结构产生更大的挠度和应力。当桥梁结构出现疲劳损伤时,其服役性能的降低主要体现在荷载作用下损伤桥梁结构动力响应的增大。因此,分析车辆作用下在役桥梁结构的位移响应对于评估桥梁结构的运营状态意义重大。而裂缝作为桥梁结构损伤的主要病害之一,裂缝的存在增加了局部柔度,导致结构刚度降低,进而改变了结构的动力响应,时刻危害着桥梁结构的承载能力。针对荷载作用下裂缝梁式桥的动力响应分析仍是土木工程领域的前沿课题。在我国的公路桥梁结构设计中,中小跨径混凝土桥梁应用广泛。依据主梁的组成形式,中小跨径梁式桥可分为整体式及多片式两大类。随着混凝土梁桥服役期的延长,在役的桥梁结构不可避免的会出现不同程度和不同形式的病害。对于整体式桥梁,其病害主要体现在梁体受弯产生的纵向裂缝;而对于多片式桥梁,不仅主梁会产生裂缝损伤,其横向连接受损也是主要的病害之一,典型特征为横隔板连接处开裂。横隔板出现裂缝损伤会降低桥梁结构的整体性,直接影响了荷载的横向分布规律,导致受力梁挠度增大,极易出现破坏。因此,探究整体式桥梁的纵向裂缝损伤、多片式桥梁的主梁裂缝损伤和横向连接裂缝损伤对车辆作用下桥梁结构动力响应的影响是十分有意义的。为了解决以上问题,本文结合国家自然科学基金项目“考虑车辆和温度耦合作用的中小跨径梁式桥固有频率分析方法研究”和吉林大学种子基金项目“车辆作用下中小跨径梁式桥固有频率分析方法研究”,开展了移动车辆作用下裂缝梁式桥动力响应分析,具体研究内容如下:(1)建立了具有任意截面形式的平面裂缝梁单元模型和空间裂缝梁单元模型。基于断裂力学理论推导了裂缝梁单元的单元刚度矩阵;根据板单元、平面和空间完好梁单元的形函数推导了各自的单元刚度矩阵和一致质量矩阵,并组装集成了带有裂缝损伤的桥梁结构的整体刚度矩阵和质量矩阵。假设桥梁阻尼为瑞利阻尼,基于模态叠加法分别建立了平面和空间裂缝梁模型的运动平衡方程。(2)采用平面半车模型,基于达朗伯原理建立了车辆系统的运动平衡方程;通过车桥耦合系统的位移协调条件和作用力平衡关系,在考虑桥面不平整度的情况下,建立了车桥耦合系统的振动方程并得到了平面裂缝梁单元的形函数矩阵;确定了呼吸裂缝的开口、闭合状态判定依据,采用Newmark-b方法求解了移动车辆作用下带有呼吸裂缝的梁式结构动力响应;最后,通过与已有文献的比较验证了本文方法计算车桥耦合系统动力响应的可靠性,并在数值算例中以整体式混凝土连续梁为例,讨论了桥面不平整度和车辆移动速度对整体式裂缝连续梁动力响应的影响。(3)采用空间整车模型,基于达朗伯原理建立了车辆系统的运动平衡方程;通过车桥耦合系统的位移协调条件和作用力平衡关系,在考虑桥面不平整度的情况下,建立了车桥耦合系统的振动方程,并得到了移动车辆作用下带有呼吸裂缝的多片梁式结构的动力响应。在数值算例中以某钢筋混凝土多片简支T梁为例,讨论了主梁和横隔板出现裂缝损伤对结构动力响应的影响,并侧重研究了横隔板出现损伤时,裂缝位置、车辆横桥向行驶位置和桥面不平整度对多片简支T梁动力响应的影响。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U441
【图文】：

三维有限元模型,简支梁,裂缝

过图 2.9 可以发现，采用本文方法计算裂缝悬臂梁的一阶频率折减系数与果吻合较好，最大相对误差为 0.2%。说明了采用本文方法建立平面裂缝靠性。间裂缝梁模型的可靠性了验证本文方法建立空间裂缝梁模型的可靠性，采用 ANSYS 有限元分析带有矩形截面的裂缝简支梁的三维有限元模型。所采用的矩形截面简支梁料参数如下：梁长 l 10m；矩形截面宽 b 0.3m、高 h 0.2m；弹性105 1 0Pa；材料密度3 2500k g /m；泊松比 0.3。裂缝位于距简支梁左5m 处，且相对裂缝深度变化范围为 a h 0.0~ 0.3。 ANSYS 有限元模拟中，采用八节点 SOLID45 单元来模拟三维梁单元。除的梁单元，每个 SOLID45 单元的长度均为 0.1m，裂缝宽度为 0.01m。裂缝维有限元模型如图 2.9 所示。

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移动车辆作用下带有呼吸裂缝的梁式桥动力响应计算流程图

【参考文献】