大跨度鐵路鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結構行為分析與疲勞性能研究.pdf

1、斜拉橋作為一種索、塔、梁組合體系，具有良好的力學性能和經(jīng)濟指標，已成為大跨徑橋梁的主要橋型之一，在鐵路橋梁中也被廣泛應用。作為在斜拉橋索、梁之間起到聯(lián)系作用的結構，即索梁錨固區(qū)，其傳遞的荷載較大、傳力機理復雜、局部應力集中等問題突出。目前，大跨度斜拉橋多采用錨箱式索梁錨固結構作為其索、梁之間傳遞荷載的構件。新建寧波鐵路樞紐北環(huán)線甬江特大斜拉橋首次在國內大跨度鐵路斜拉橋中采用了鋼箱梁與混凝土箱梁組成的混合梁結構作為主梁，針對鐵路橋活載重、

2、索梁錨固區(qū)應力幅度變化較大的特點，甬江特大橋鋼箱梁節(jié)段索梁錨固區(qū)采用全新設計的雙挑式索梁鋼錨箱。作為雙挑式索梁鋼錨箱的主要受力構件，錨箱支承板和承壓板分別通過其雙側焊縫與主梁邊腹板和風嘴板焊接在一起，形成由主梁風嘴板與邊腹板共同承受并傳遞索力的新型索梁錨固結構。本文基于甬江特大橋新型雙挑式索梁鋼錨箱，對其進行了全面深入的研究，研究的主要內容如下:
　　1、采用有限元仿真分析的方法，進行該新型索梁錨固結構傳力機理及應力分布狀態(tài)的研究

3、。研究表明:雙挑式索梁鋼錨箱通過錨箱支承板與主梁邊腹板一側的3條縱向連接焊縫傳遞了55.39％的斜拉索索力，而通過支承板和主梁風嘴板之間的3條縱向連接焊縫傳遞了38.14％的索力;雙挑式索梁鋼錨箱各板件應力分布均勻，但各主要受力構件均存在不同程度的應力集中，其中主梁邊腹板和風嘴板上連接焊縫附近的應力集中區(qū)域，屬于疲勞破壞的敏感部位，因此需要被重點關注;相比于傳統(tǒng)柱式鋼錨箱，雙挑式索梁鋼錨箱通過對結構構造上的改進，消除了兩塊主要支承板與主

4、梁連接焊縫頂端應力集中的情況。
　　2、通過資料調查和理論研究，基于Monte Carlo方法建立了適用于鐵路橋梁的列車荷載譜。采用面向對象的思想，利用C＃與WPF語言模擬生成列車荷載譜，完成了核心算法的設計與程序界面的開發(fā)。并且在此基礎上添加了影響線加載子模塊，通過采用隨機生成的列車荷載譜對影響線進行加載，從而得到時程曲線，再通過雨流計數(shù)法統(tǒng)計得到結構荷載的效應譜。通過程序模擬得到的列車荷載譜不僅適用于本課題中對雙挑式索梁鋼錨箱

5、進行疲勞驗證試驗以及疲勞評估計算，同時可適用于國內其他鐵路橋梁列車荷載譜的模擬。
　　3、基于相似理論，以應力等效為原則，設計了雙挑式索梁鋼錨箱模型試驗方案，并對其進行了靜力以及疲勞驗證性試驗。靜力試驗結果表明:通過靜力測試數(shù)據(jù)與有限元仿真分析結果的對比，確定了試驗模型設計的合理性，同時也對仿真分析結果加以印證，進一步明確了雙挑式索梁鋼錨箱各關鍵受力構件的應力分布。疲勞驗證性試驗結果表明:雙挑式索梁鋼錨箱具有良好的抗疲勞性能，并且

6、具有足夠的疲勞強度安全儲備。
　　4、對雙挑式索梁鋼錨箱進行了設計參數(shù)的分析以及優(yōu)化設計研究，以期對未來該新型索梁錨固結構的應用與發(fā)展提供基礎。所涉及的關鍵受力構件參數(shù)主要包括:支承板厚度、主梁風嘴板和邊腹板厚度、承壓板厚度、支承板長度。主要分析了上述參數(shù)的改變對于雙挑式索梁鋼錨箱各關鍵受力構件應力分布與傳力焊縫處受力變化的規(guī)律。對結構的優(yōu)化研究則表明:在不影響結構靜力強度以及疲勞性能的情況下，適當簡化部分板件，可以降低其制造的難

7、度，減少焊接工作量，有利于保證焊接質量。
　　5、針對全橋23個不同構造的雙挑式索梁鋼錨箱進行研究，采用有限元仿真分析的方法，研究了各錨箱的受力特性，并分析其中規(guī)律。并采用基于S-N曲線的方法對全橋雙挑式索梁鋼錨箱的疲勞壽命進行評估。評估結果表明:全橋23個雙挑式索梁鋼錨箱均有較好的抗疲勞性能，其中在設計使用期內計算得到損傷度最大的為主梁跨中附近M20號斜拉索對應的雙挑式索梁鋼錨箱，而橋塔附近M03號斜拉索對應的錨箱損傷度最低。<