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《中南大学》 2010年
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南京大胜关长江大桥受力特性、计算方法、桥面疲劳和防腐问题研究

张敏  
【摘要】: 随着中国高速铁路建设的快速发展,中国的铁路特大钢桥迅速增多,目前已建、在建和正在设计中的有近10座。其中,京沪高速铁路上的南京大胜关长江大桥是最早也最具影响力的一座高速铁路钢桥。该桥是世界上第一座6线铁路大桥,主桥为(108+192+336+336+192+108)m六跨连续三主桁拱结构,其中2线高速铁路设计时速为300km,预留350km。 本文在广泛收集、研究国内外相关资料的基础上,采用理论分析和试验研究相结合的方法,对该桥的桥面结构形式、受力特性、设计计算方法、正交异性钢桥面U肋与横梁连接处的疲劳性能、钢桥面的防腐等问题作了较为系统的研究。本文的研究得到铁道部三个重点科研项目的支持。主要取得了如下创新性成果: 1、针对南京大胜关长江大桥线路多,跨度大,行车速度高的特点,经多方面综合对比研究,为南京大胜关长江大桥推荐(并被采纳)了密布横梁体系正交异性板整体钢桥面结构方案。该方案整体性好、刚度大,由于下弦杆和系梁加高,不仅桥梁的整体变形减小,而且也改善了桥面系的受力状态。 2、研究了密布横梁体系正交异性板整体桥面板桁组合结构桥面荷载的传力途径和传力比及其影响因素。首次定量地给出了两条路径的传力比,其中通过节间横梁传至下弦杆或系梁再传至下弦杆节点的桥面荷载有50%以上,这部分荷载会引起下弦杆和系梁的竖向弯曲。 3、研究了桥面荷载在三主桁拱中的分配。提出了桥面荷载在三主桁中两次分配的概念、两次分配的分配比及其影响因素,提出了密布横梁体系的正交异性板整体钢桥面板桁组合结构在桥面荷载作用下主桁的受力模式,该模式可用于三主桁拱的设计。 4、研究了整体桥面板桁组合结构的设计计算方法,总结归纳了整体分析和关键部位局部分析相结合的二步分析法、整体分析的三种实用有限元分析方法:空间板梁法、系统分解法和空间杆系结构法。空间板梁法适用于设计的中、后期,对桥梁施工过程和运营阶段的强度、刚度和稳定性作全面的检算;系统分解法适用于结构构造和构件的尺寸频繁改变的设计初期;空间杆系结构法适用于考察桥梁刚度、主桁杆件和桥面系骨架的强度和稳定性,对斜拉桥、拱桥等施工过程的优化计算、成桥的索力张拉顺序、张拉力的优化计算等也非常有效。 5、对正交异性板U肋与横梁连接处的疲劳性能进行了试验研究。参照南京大胜关长江大桥正交异性板整体桥面系制作了U肋与横梁连接处2个1:1的整体模型,完成了精细的有限元分析和疲劳试验。得出结论:正交异性板U肋与横梁连接处有较好的抗疲劳性能;U肋下方腹板开平底形孔还是苹果形孔对疲劳性能影响不大;U肋上方与横梁腹板、翼板连接处腹板开不开小孔无关紧要;铁路桥梁应避免钢轨位于U肋的正上方;对U肋与横梁腹板连接处的疲劳性能进行了评估,把U肋下方横梁腹板孔边归为Ⅰ类疲劳类别(母材),具有足够的安全性。 6、提出了一种具有柔性防水层的复合防腐体系,并完成了各种试验。结果表明:该体系具有较好的防腐、防水、抗磨、抗滑性能,施工工艺简单。但其防腐的长效性还有待长时间的考验,工地现场施工对环境的要求有待进一步降低。 7、提出了厚度组合为(3+16)mm的321-Q370q不锈钢复合钢板的防腐体系,并完成了各种试验。结果表明:321-Q370q不锈钢复合钢板几乎不增加桥面恒载,材料来源方便,板面尺寸大,爆炸焊接工艺成熟,防腐、抗滑性能好。但其长效性还有待长时间的考验,价格有待降低。 以上研究成果1-5已应用于南京大胜关长江大桥、济南黄河大桥、安庆铁路长江大桥、新广州站东平水道桥等多座特大铁路钢桥的设计。研究成果6、7还需进一步完善并经受长时间的考验。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:U448.13

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