大跨度环形钢箱梁人行桥力学行为研究及曲率优化探讨

发布时间：2020-06-22 21:59

【摘要】：本文以研究大跨度环形钢箱梁人行桥的力学行为为对象,在总结环形钢箱梁桥的力学特性及计算理论的基础上,使用Midas Fea有限元程序,利用板单元来精准模拟钢箱结构的每一个细节构造,从一大跨径环形人行天桥工程实例的计算分析入手,深入探讨和分析了影响环形人行天桥力学特性的相关因素,包括不同跨径布置方式、环形连续非闭合结构变为环形连续闭合结构(即有无伸缩缝)、箱梁截面高度、腹板厚度、加劲肋设置、整体温度变化、曲率变化等,得到环形钢箱梁人行桥原桥跨径具有一定的优化空间,且应尽量按照连续梁跨径布置原则进行布置;环形钢箱梁人行桥非闭合结构改为闭合结构后可提高结构自振频率,可有效改变结构力学状态,使结构受力更合理;箱梁截面高度在1.2m~2.2m范围内变化时,截面高度的增加使环形钢箱梁桥结构强度与刚度均增加,结构自身应力与位移大幅减小;腹板厚度在14mm~22mm范围内变化时,对环形钢箱梁桥的力学特性影响较小,且发现腹板厚度并不是越厚越好;对原桥分析时,发现在某些局部位置(支座附近)的横隔板、纵向肋板的等效应力值最大达到170.27MPa,这是以往文献未见的结果,而在以往类似结构的验算中都忽略了对横隔板、加劲肋的强度验算,同时通过进一步分析发现:加劲肋高度在50mm~140mm范围内的变化时,环形钢箱梁人行桥的力学状态无明显变化,且加劲肋高度的增加会使结构自身应力增加;加劲肋间距在200mm~800mm范围内变化时,加劲肋间距的增加或减少都有可能使结构自身应力增大;温度变化对环形钢箱梁桥非闭合结构与闭合结构的力学特性影响均较显著,温度的增加,使结构自身应力和结构轴向位移也大幅度增加,但对结构各跨挠度基本无影响;曲率半径在33.759m~58.759m范围内变化时,曲率半径的增加,使结构自身应力与位移大幅增加。另外,本文还研究了横隔板与加劲肋对环形钢箱梁桥结构自振频率的影响,得到横隔板与加劲肋的设置有利于提高环形钢箱梁人行桥的自振频率,可有效控制环形钢箱梁人行桥在自振下的位移等结论。根据以上结论,提出了大跨度环形钢箱梁人行桥合理的跨径设置方式以及合理的构造设计和设计理念:伸缩缝对该类环形钢箱梁桥的结构力学状态影响显著,在类似边跨跨径较大的环形人行桥中可以不设置伸缩缝,宜设置为环形闭合结构;钢箱梁腹板厚度并非越大越好,腹板的厚度宜控制在14 mm~18mm内的设计理念;钢箱梁结构设计时应校核横隔板及加劲肋的强度,特别是支座处的横隔板和加劲肋的强度。针对本文中工程实例优化了在满足现场实际位置的情况下钢箱梁桥跨径布置方式,使得桥梁具有更好的力学性能。所有这些大跨度环形钢箱梁人行桥的设计思想,对类似结构的设计具有重要的指导意义。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U448.11
【图文】：

过街天桥,天桥,梯道

m+29.48m +32.59m +25.79m+38.03m+36.14m+37.02m，共计 8 跨，曲率半.759m。桥梁全长 274.94m，桥面净宽 4.0m，梯道宽 2.5m。天桥双向横坡，纵坡为 1.5%。栏杆采用钢结构钢化玻璃组合栏杆。上部结构采用斜腹板箱梁梁高 1.7m，顶宽 4.5m，底宽 2.3m。支座采用板式橡胶支座和盆式橡下部结构天桥桥墩采用钢筋混凝土花瓶墩和钢管混凝土圆柱墩。桥面做下依次为：（1）30 厚芝麻白花岗石；（2）1:2 水泥砂浆找平层兼找坡层（20mm）；（3）梯道梁；（4）梯道钢箱梁。箱梁除顶板、底板、腹板和墩顶采用 Q345qC 钢。桃花大道为城市主干道，长寿路、沙井路、桃东路、桃干道。对交叉口进行渠化升级改造后，桃西路宽 24m，桃东路宽 24m，南侧宽 27m，桃花大道北侧宽 30.5m。拟建天桥场地地震抗震设防烈度为场地地震动峰值加速度 0.05g。根据《建筑工程抗震设防分类标准50223-2008）城镇交通设施的抗震类别为乙类，人行天桥结构应提高一度（要求构造设防。设计安全等级为二级。东方之骄人行天桥现场实况图、图见图 3.1、图 3.2。

全桥,有限元模型,支座位置,自由度

采用空间杆系梁单元不能正确模拟真实结构，因此采用空间有限元板单元法建立结构计算模型。3.3.2 有限元模型运用桥梁领域通用结构分析及设计有限元软件 Midas Fea，通过点-线-面-网格划分以及直接生成网格面的方式，对东方之骄环形钢箱梁人行桥主梁建立空间有限元模型，采用容许应力法对其进行整体受力分析，全桥有限元模型见图 3.5。由于该桥在第一联与第二联两端相接的位置处留有伸缩缝，在建模过程中需按照实际情况留出伸缩缝位置，如图 3.6。在建模过程中，由于支座处均有钢板加强，将支座的边界约束转换为支座位置底板处各节点的边界条件约束；1#、5#墩采用单向盆式支座，该支座位置处节点的轴向平动自由度被释放，其余自由度均被约束，只允许轴向变形；2#、4#、6#、8#墩是固结墩，该支座位置处节点的平动自由度和旋转自由度均被约束；3#、7#墩采用的是矩形橡胶支座，该支座位置处节点的轴向平动自由度和径向平动自由度被释放，其余自由度均被约束，只允许轴向变形和径向变形。

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