钢桁梁柔性拱组合体系桥节点板受力性能分析与试验研究

摘要

厦深客运专线榕江特大桥系主跨为(110+220+220+110m)的下承式钢桁梁柔性拱组合体系桥，其跨度在同类型桥梁中位居世界首位。该桥的节点构造形式采用了整体式节点技术，其中部分节点相交杆件多、结构和受力复杂，本文结合原铁道部科技研究开发计划项目《高速铁路桥梁技术深化研究-大跨度连续钢桁梁柔性拱组合关键技术研究》（合同号2010G004-A）要求，以厦深高铁榕江特大桥为工程背景，以该桥E11节点整体节点板为研究对象，开展其受力性能和成桥试验研究，本文主要做了以下工作:
　　1.分别建立了榕江特大桥E11节点整体节点板的节段模型和多尺度模型，基于两种模型对整体节点板进行受力分析，得到了较为一致的结果。
　　2.通过对比力边界节段模型、位移边界节段模型和多尺度模型计算结果的差异性和规律性，揭示了节点刚度的影响规律:在节点区域内多尺度模型的刚度要比梁单元模型大得多，梁单元模型的节点刚度偏小。进一步分析了这一刚度差异对节段模型计算结果的影响，并指出基于多尺度模型的节点刚度更接近真实状态、多尺度模型的计算结果更加精确。
　　3.为探索整体节点刚度及其模拟方法对桁架杆件内力的影响，采用多尺度模型、刚臂梁单元模型和梁单元模型3种模拟方法开展分析。计算结果:随着节点刚度的增加，杆件轴力变化不大，部分杆件轴力有略微减小，而剪力和弯矩变化较大，且基本呈增大趋势，其中以直腹杆的增幅最为显著，也导致弯矩次应力在直腹杆中的增幅较显著。同时研究了在对桁架杆件进行受力分析时，刚臂梁单元法的适用性问题，发现其计算结果较多尺度模型存在一定差异率，精度不高，但结果均偏于安全，且该方法建模简便，计算快捷，在对结构较复杂、节点整体性较强、刚度较大的桁架结构，分析杆件受力时可以考虑该方法。
　　4.在该桥梁的成桥试验中，选取E11节点整体节点板进行了静力试验，完成了试验测点布置、数据采集和数据分析，理论和试验结果一方面验证了该节点板设计结构的安全性，另一方面验证了本文中“多尺度模型比节段模型精度更高”等的分析结论。
　　本文对整体式节点的分析方法、试验手段和分析结论可供同类结构设计和计算时参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内整体节点板的发展与应用

1．3 国内外整体节点分析研究现状

1．4 本文背景桥梁简介

1．5 本文宗旨与主要研究内容

2 整体式节点板有限元模型与分析

2．1 节点板结构形式

2．2 全桥有限元模型

2．2．1 有限元模型

2．2．2 荷载工况

2．2．3 有限元模型的校验

2．3 整体式节点板节段模型与单元划分

2．4 基于力边界的节段模型法

2．4．1 加载模式

2．4．2 几何约束与荷载

2．4．3 计算结果及分析

2．5 基于位移边界的节段模型法

2．5．1 边界条件与约束

2．5．2 计算结果及分析

2．6 多尺度模型法

2．6．1 多尺度模型

2．6．2 计算结果及分析

2．7 不同模型方法计算结果对比

2．8 本章小结

3 节点模型及其对整体结构效应影响分析

3．1 引言

3．2 节点分析模型

3．2．1 铰接桁架模型

3．2．2 常规梁模型

3．2．3 多尺度模型

3．2．4 刚臂梁单元模型

3．3 不同节点模型的桁架结构内力分析

3．3．1 杆件轴力计算结果及对比

3．3．2 杆件剪力计算结果及对比

3．3．3 杆件弯矩计算结果及对比

3．3．4 杆件组合应力极值计算结果及对比

3．4 结论

4 整体式节点板成桥试验与分析

4．1 榕江特大桥成桥试验简述

4．2 E11节点板试验理论计算与分析

4．2．1 节段模型法计算结果

4．2．2 多尺度模型法计算结果

4．3 E11节点板静力试验

4．3．1 试验位置选取及测点布置

4．3．2 试验设备及试验方法

4．4 节点板试验结果

4．5 实测与理论结果的分析

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 本文主要工作

5．2 本文主要结论

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果