鋼-砼疊合梁自錨式懸索橋靜動(dòng)力特性模型試驗(yàn)研究.pdf

1、自錨式懸索橋無(wú)論在結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)新穎，受力合理，景觀效果突出等特點(diǎn)，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(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于自錨式懸索橋力學(xué)性能的深入研究仍不夠充分，相關(guān)成果較少。因此，本文以哈爾濱市三環(huán)西線跨松花江大橋?yàn)閷?shí)際工程背景，依托哈爾濱市建設(shè)系統(tǒng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目《鋼-混凝土疊合梁自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)性能及全橋模型試驗(yàn)研究》(201107)

2、系統(tǒng)開(kāi)展了基于模型試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)整體靜動(dòng)力性能研究。
　　鋼橋低溫焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞性能是橋梁力學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。我國(guó)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(duì)突破該溫度下限的焊接研究結(jié)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(xué)性能能夠滿足規(guī)范要求。而在焊接結(jié)構(gòu)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(jiàn)諸文獻(xiàn)。鑒于本文的研究對(duì)象為高緯

3、度、嚴(yán)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(méi)有可以借鑒的先例。因此為了確保低溫下焊接節(jié)點(diǎn)的使用安全，依托哈爾濱市建設(shè)系統(tǒng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目《橋梁冬季低溫焊接構(gòu)造疲勞試驗(yàn)研究》(201106)開(kāi)展-5℃的施焊的焊件疲勞性能試驗(yàn)研究。
　　具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　首先進(jìn)行大橋1∶50縮尺模型設(shè)計(jì)研究。模型靜力相似關(guān)系以剛度相似為主，采取方程式分析法，推導(dǎo)多相介質(zhì)條件下試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c結(jié)構(gòu)原型間的相似指標(biāo);基于質(zhì)量系統(tǒng)下

4、的量綱和諧性原理，通過(guò)構(gòu)建判據(jù)因子的冪次三角矩陣，求解試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c結(jié)構(gòu)原型間的動(dòng)力相似準(zhǔn)則。并根據(jù)相似分析成果進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)制作。
　　根據(jù)有限元仿真分析，擬定模型試驗(yàn)的靜力試驗(yàn)工況與加載方案。靜力試驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注了橋梁的應(yīng)力及變形特征，同時(shí)采取試驗(yàn)測(cè)試值的推算值與實(shí)橋理論計(jì)算值校驗(yàn)的手段印證了試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的合理性;成橋恒載工況試驗(yàn)結(jié)果表明，軸力促使加勁梁在單一的彎矩作用下應(yīng)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(zhuǎn)變，

5、說(shuō)明軸力對(duì)加勁梁產(chǎn)生了有利影響;最不利加載工況下，實(shí)測(cè)主梁的位移及變形特性與有限位移法計(jì)算理論相吻合，荷載校驗(yàn)系數(shù)位于0.88～1.15之間，疊合梁的頂板與底板應(yīng)力幅值均小于材料的許用應(yīng)力，主梁安全儲(chǔ)備較大;實(shí)測(cè)卸載殘余變形與殘余應(yīng)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(yàn)工況的關(guān)鍵構(gòu)件評(píng)價(jià)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(jié)構(gòu)受力具有足夠的安全儲(chǔ)備。
　　動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中，以環(huán)境激勵(lì)法輔以衰減振動(dòng)的測(cè)試技術(shù)和隨機(jī)子空間法參數(shù)識(shí)別技術(shù)，成功獲取自錨式懸索橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那傲A頻率。結(jié)果表明:橋梁結(jié)構(gòu)的主振型分布明確。實(shí)測(cè)一階振型為加勁梁一階反對(duì)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(shuō)明橋梁主跨具有足夠的橫向剛度，其它振型為豎向振動(dòng)，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(duì)輕柔的特征。
　　由于模型縮尺比例較小，針對(duì)動(dòng)力學(xué)頻率測(cè)試中試驗(yàn)值與理論值誤差較大的問(wèn)題，首次結(jié)合大型橋梁縮尺模型試驗(yàn)，采取基于響應(yīng)面法的有限元模型修正技術(shù)，獲取了符合結(jié)構(gòu)本真狀態(tài)的有限元?jiǎng)恿π拚Ｐ?。選取二次多項(xiàng)式作為響應(yīng)面函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，在修正參數(shù)的顯著性分析和中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，運(yùn)用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的樣本空間數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以目標(biāo)達(dá)到法為迭代標(biāo)準(zhǔn)，得到了自錨式懸索橋響應(yīng)面的顯示函數(shù)關(guān)系，并直觀的給出典型響

8、應(yīng)的空間曲面模型。R2和RMSE指標(biāo)驗(yàn)證結(jié)果表明:基于響應(yīng)面法的有限元?jiǎng)恿π拚郎?zhǔn)確可靠。經(jīng)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(shí)測(cè)誤差僅為0.96％。經(jīng)修正后的有限元模型可作為結(jié)構(gòu)再分析的基準(zhǔn)模型。
　　結(jié)合實(shí)橋焊接工位，設(shè)計(jì)-5℃施焊的等厚對(duì)接與十字對(duì)接焊接試件各兩組，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的常溫對(duì)照組試件，通過(guò)焊接節(jié)點(diǎn)的S-N疲勞曲線與疲勞開(kāi)裂特征的分析，結(jié)果表明:經(jīng)打磨處理后，-5℃對(duì)接焊的試

9、驗(yàn)數(shù)據(jù)與常溫等厚對(duì)接焊縫的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相當(dāng);數(shù)據(jù)回歸的標(biāo)準(zhǔn)差反映出，相對(duì)容易施焊的平位焊接試件優(yōu)于立位焊接試件的疲勞強(qiáng)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(duì)焊縫的疲勞強(qiáng)度有顯著提升;低溫等厚對(duì)接焊縫采取打磨處理，焊前預(yù)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(jìn)行對(duì)接焊縫焊接，對(duì)焊縫的疲勞強(qiáng)度影響不明顯;對(duì)于類似不等厚十字對(duì)接焊的復(fù)雜構(gòu)造，其疲勞數(shù)據(jù)離散性大、疲勞強(qiáng)度不穩(wěn)定，且回歸后的疲勞強(qiáng)度小于