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大跨度钢箱梁悬索桥温度所致力学响应的数值分析

邓敬良  
【摘要】:温度是桥梁的一种重要荷载形式,对桥梁的力学响应有显著的影响,是桥梁性能退化的重要原因之一,甚至造成严重的安全事故。因此,采用合适的数值分析方法,准确、有效、连续地计算分析桥梁结构的温度场分布规律以及温度所致的力学响应是十分有必要的。本文探索了桥梁结构温度效应的影响机理,并以一大跨度钢箱梁悬索桥为研究对象,采用有限元数值分析方法,对桥梁结构温度场分布和温度所致力学响应进行研究。主要研究内容如下:(1)对温度对结构力学响应的影响进行理论分析,从梁端转动约束刚度、支座竖向刚度、轴力三个参数的变化探究温度对结构边界的影响,通过一混凝土桥算例,对比分析温度所致各类边界条件变化对结构自振频率的影响。并建立简支箱梁模型实验系统,置于外部自然环境下,通过静、动力测试以及有限元分析,验证结构频率-温度相关计算的准确性和有效性。(2)以某大跨度钢箱梁悬索桥为研究对象,建立该桥各类构件截面的二维有限元热分析模型,确定热边界条件并施加到二维有限元模型上,计算各截面在环境影响下的时变温度场分布,并与桥梁现场监测值进行对比,验证本文温度场数值分析方法的正确性。建立悬索桥三维有限元结构分析的全桥模型,施加计算的温度场,计算温度荷载作用下结构的力学响应变化,并与实测值进行对比分析,验证本文温度所致力学响应数值分析方法的准确性和有效性。(3)通过控制变量法,对比分析桥梁不同构件温度变化对跨中竖向位移的影响,发现跨中竖向位移变化主要由主缆温度变化和钢箱梁温度变化引起的;同时,分析跨中横向倾斜量与钢箱梁横向温度梯度的关系,发现当东西侧上腹部温差增大时,横向倾斜量的绝对值也随之增大。(4)对钢箱梁、主缆、吊索、桥塔上关键节点的温度应变进行分析,研究表明不同构件之间以及同一构件不同位置之间的温度所致的应变变化存在较大差异。在运营阶段桥塔温度应变主要受自身温度荷载作用和缆索、钢箱梁温度效应对其作用的影响,且面向主跨的一侧与背向主跨的一侧的节点温度应变存在差异。(5)探究悬索桥结构前20阶自振频率及振型特性,以及温度变化对其的影响,发现温度上升时,结构自振频率减小,且各阶频率的变化率并不相同。通过探究温度对结构模态曲率的影响,验证了“温度对模态曲率的影响可忽略不计”的结论。通过控制变量法,对比分析悬索桥不同构件温度变化对全桥自振频率变化的影响,结果表明悬索桥各类构件温度变化对频率的影响程度从高到低依次为钢箱梁、缆索结构、梁端边界条件、桥塔结构。


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