钢—砼叠合梁自锚式悬索桥静动力特性模型试验研究

【摘要】自锚式悬索桥无论在结构构造、施工方法、还是在受力性能上,与地锚式悬索桥都有显著差异。它具有结构新颖,受力合理,景观效果突出等特点,在软土地基、沟壑纵横地带尤其能突出其优越性,在大跨径桥型比选中极具竞争力。目前国内外关于自锚式悬索桥力学性能的深入研究仍不够充分,相关成果较少。因此,本文以哈尔滨市三环西线跨松花江大桥为实际工程背景,依托哈尔滨市建设系统科学研究计划项目《钢-混凝土叠合梁自锚式悬索桥结构性能及全桥模型试验研究》(201107)系统开展了基于模型试验的结构整体静动力性能研究。钢桥低温焊接节点的疲劳性能是桥梁力学研究领域的一个重要分支。我国桥梁建造中普遍执行的《铁路钢桥制造规范》(TB10212-2009)规定：低于5℃必须停止焊接作业。但对突破该温度下限的焊接研究结果已表明,采取合理的焊接工艺与制造规范,低温焊接焊缝的常规力学性能能够满足规范要求。而在焊接结构的耐久性研究方面,低温焊接下焊缝局部疲劳性能的研究却极少见诸文献。鉴于本文的研究对象为高纬度、严寒地区首座自锚式悬索桥,该桥低温施焊的焊缝疲劳性能研究没有可以借鉴的先例。因此为了确保低温下焊接节点的使用安全,依托哈尔滨市建设系统科学研究计划项目《桥梁冬季低温焊接构造疲劳试验研究》(201106)开展-5℃的施焊的焊件疲劳性能试验研究。具体研究内容如下：首先进行大桥1：50缩尺模型设计研究。模型静力相似关系以刚度相似为主,采取方程式分析法,推导多相介质条件下试验模型与结构原型间的相似指标；基于质量系统下的量纲和谐性原理,通过构建判据因子的幂次三角矩阵,求解试验模型与结构原型间的动力相似准则。并根据相似分析成果进行模型的设计制作。根据有限元仿真分析,拟定模型试验的静力试验工况与加载方案。静力试验中重点关注了桥梁的应力及变形特征,同时采取试验测试值的推算值与实桥理论计算值校验的手段印证了试验模型设计的合理性；成桥恒载工况试验结果表明,轴力促使加劲梁在单一的弯矩作用下应力不均匀分布,向弯矩与轴力耦合作用下全跨受压均匀分布的转变,说明轴力对加劲梁产生了有利影响；最不利加载工况下,实测主梁的位移及变形特性与有限位移法计算理论相吻合,荷载校验系数位于0.88-1.15之间,叠合梁的顶板与底板应力幅值均小于材料的许用应力,主梁安全储备较大；实测卸载残余变形与残余应变接近零值,证明自锚式悬索桥在成桥荷载作用下,主梁处于良好的弹性工作状态；基于试验工况的关键构件评价分析,得到了大桥主缆与吊索的安全系数分别为2.81和3.75,主梁刚度为7/10000,均满足规范限值要求,结构受力具有足够的安全储备。动力学试验中,以环境激励法辅以衰减振动的测试技术和随机子空间法参数识别技术,成功获取自锚式悬索桥试验模型的前六阶频率。结果表明：桥梁结构的主振型分布明确。实测一阶振型为加劲梁一阶反对称纵漂伴随桥塔弯曲,符合自锚式悬索桥纵向半漂浮体系特征,前六阶振型中,除一阶振型外,横向振型发生在第四阶和第五阶,说明桥梁主跨具有足够的横向刚度,其它振型为竖向振动,一阶竖向弯曲以主跨弯曲为主,反映了大跨度叠合梁自锚式悬索桥主跨相对轻柔的特征。由于模型缩尺比例较小,针对动力学频率测试中试验值与理论值误差较大的问题,首次结合大型桥梁缩尺模型试验,采取基于响应面法的有限元模型修正技术,获取了符合结构本真状态的有限元动力修正模型。选取二次多项式作为响应面函数的数学模型,在修正参数的显著性分析和中心复合试验设计基础上,运用最小二乘法对试验设计的样本空间数据进行拟合,以目标达到法为迭代标准,得到了自锚式悬索桥响应面的显示函数关系,并直观的给出典型响应的空间曲面模型。R2和RMSE指标验证结果表明：基于响应面法的有限元动力修正准确可靠。经修正后各阶频率峰值误差明显降低,除横向二阶频率外,其余各阶频率修正效果理想,基频实测误差仅为0.96%。经修正后的有限元模型可作为结构再分析的基准模型。结合实桥焊接工位,设计-5℃施焊的等厚对接与十字对接焊接试件各两组,并设计相应的常温对照组试件,通过焊接节点的S-N疲劳曲线与疲劳开裂特征的分析,结果表明：经打磨处理后,-5℃对接焊的试验数据与常温等厚对接焊缝的试验数据基本相当；数据回归的标准差反映出,相对容易施焊的平位焊接试件优于立位焊接试件的疲劳强度,且平位焊接试件的疲劳数据的离散性较立位焊接试件为好；打磨处理对焊缝的疲劳强度有显著提升；低温等厚对接焊缝采取打磨处理,焊前预热、焊后缓冷措施,在-5℃环境温度下采取合理的焊接工艺进行对接焊缝焊接,对焊缝的疲劳强度影响不明显；对于类似不等厚十字对接焊的复杂构造,其疲劳数据离散性大、疲劳强度不稳定,且回归后的疲劳强度小于规范下限,不建议在-5℃的环境温度下施焊。
【作者】万利军；
【导师】单炜；
【作者基本信息】东北林业大学，森林工程，2013，博士
【关键词】自锚式悬索桥；模型试验；静动力特性；有限元仿真；模型修正；低温疲劳；

【参考文献】
[1]裴雅茹.北京山地人工林生物量测定与模拟[D].北京林业大学,生态学,2013,硕士.
[2]尹唯佳.我国烟草消费税改革研究[D].首都经济贸易大学,财政学,2014,硕士.
[3]刘晓琳.反思性学习对促进高中生英语自主学习能力的实验研究[D].河北师范大学,学科教学,2014,硕士.
[4]卢燃.论网络传播中的人权保障[D].内蒙古大学,法律,2013,硕士.
[5]赵显富.中文投入产出表管理系统的设计[J].冶金自动化,1986,06:25-30.
[6]冯阿保.外商直接投资与山东农业产业结构升级关系研究[D].山东财经大学,国际贸易学,2013,硕士.
[7]谢彩凤.网络服务提供者的直接侵权和间接侵权责任[D].中国政法大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[8]王世鹏.变截面辊弯成形缺陷机理研究[D].北方工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[9]江凡.酯交换反应制备生物柴油CaO催化剂涂层研究[D].华东理工大学,化工过程机械,2014,硕士.
[10]王琳.资产减值准备对盈余管理影响的实证研究[D].山东财经大学,会计学,2014,硕士.
[11]吴楠.中国封闭式证券投资基金业绩评价研究[D].天津商业大学,金融学,2013,硕士.
[12]晏秋阳.企业人力资本培训投资风险及其控制研究[D].天津工业大学,企业管理,2004,硕士.
[13]黄成泉1,2,王士同1,蒋亦樟1,董爱美1,3.一种基于L2-SVM的多视角核心向量机[J].控制与决策.
[14]郝佰云.大理白族古民居传统建筑特色研究[D].云南师范大学,美术学,2013,硕士.
[15]曹志超,袁振洲,高永峰,孟均.路面破损情况下车辆行驶换道行为的建模[J].公路与汽运,2014,02:53-57.
[16]梁胜强.K公司汽车电器产品项目进度管理研究[D].东华大学,项目管理（专业学位）,2014,硕士.
[17]许益铵.舟山附近海域大黄鱼遗传多样性及家系的生长性状研究[D].浙江海洋学院,养殖（专业学位）,2014,硕士.
[18]王.主体教育视域下学生参与教学的有效性与提升策略研究[D].渤海大学,课程与教学论,2014,硕士.
[19]李扬.著作权合理使用制度研究[D].沈阳师范大学,民商法学,2014,硕士.
[20]黄增彩.基于控股股东特征视角的股权激励效果研究[D].中国矿业大学,企业管理,2014,硕士.
[21]程福安.B2C电子商务网站市场现状与盈利模式研究[D].首都经济贸易大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[22]王文彬.微波烧结铝基复合材料组织和性能研究[D].河南科技大学,材料学,2014,硕士.
[23]綦甲帅.梁弯曲问题的重心有理插值Galerkin法[D].山东建筑大学,工程力学,2013,硕士.
[24]徐成.电子文档管理系统实现方案[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[25]李智.基于增强现实技术的数字旅游设计及用户体验研究[D].哈尔滨工业大学,艺术学,2013,硕士.
[26]柏舜.噻吩并嘧啶及噻吩并吡啶并嘧啶类化合物的合成及抗肿瘤活性研究[D].中南民族大学,有机化学,2013,硕士.
[27]谭红.《三遂平妖传》世德堂本与嘉会堂本比较研究[D].山东师范大学,中国古代文学,2013,硕士.
[28]李俊杰.物联网定位服务器的设计与实现[D].武汉理工大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[29]杜彬,史小萌,张新.尺寸效应在岩体相似材料模型试验中的应用[J].北京交通大学学报,2014,06:88-92.
[30]舒锦屏.电子交易平台下的大宗物资物流解决方案优化研究[D].西南交通大学,物流工程,2013,硕士.
[31]周金程.高压电源快切装置在企业电网中的应用研究[D].天津理工大学,电力系统及其自动化,2013,硕士.
[32]鲁珍.我国传媒业上市公司多元化经营与绩效的关系研究[D].宁波大学,企业管理（专业学位）,2014,硕士.
[33]丛丹丹.新世纪好莱坞歌舞片探究[D].河北大学,广播电视艺术学,2014,硕士.
[34]徐欢.论“练声曲”在视唱练耳教学中的作用[D].湖南师范大学,音乐学,2014,硕士.
[35]张雅洁.基于语域理论谈《暮光之城》终篇—《破晓》[D].南京农业大学,英语语言文学,2012,硕士.
[36]许懿洋.电力电子集成系统（PEBB）控制及其通讯体系的研究[D].浙江大学,电力电子与电力传动,2003,硕士.
[37]吴铮.复杂性系统认识论与马克思主义哲学认识论比较研究[D].西北大学,马克思主义哲学,2014,硕士.
[38]刘国海,戴先中.具有不确定负载的交流电机自适应后推控制方法[J].控制与决策,2001,06:947-949+953.
[39]贾江南.三苯胺类染料及钴配合物的合成与性能研究[D].天津理工大学,药物化学,2013,硕士.
[40]邹慧.神东风积沙区煤炭开采对土壤水分运移规律的影响[D].中国矿业大学（北京）,土地资源管理,2014,博士.
[41]崔小艳.大学生参加健美操课外锻炼的研究[D].西北师范大学,运动训练,2013,硕士.
[42]吴玉山.依托初中物理实验开展学生学习减负的实践探索[D].河北师范大学,学科教学,2014,硕士.
[43]张庆.食品卫生监督工作质量综合评价方法的研究[D].山西医科大学,卫生统计,2002,硕士.
[44]钱颖翔.阿米卡星联合抗假单胞菌β-内酰胺类抗菌药物经验性治疗医院获得性肺炎的系统评价[D].湖南师范大学,生药学,2013,硕士.
[45]佟玥.破片侵彻作用下新型舱壁结构型式及动态响应研究[D].江苏科技大学,船舶与海洋工程,2014,硕士.
[46]成建平.滚动直线导轨结合面耦合的动力学仿真[D].华中科技大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[47]郑伟宁.深圳润天智公司发展战略研究RJ汽车销售公司员[D].西安科技大学,工商管理,2013,硕士.
[48]王尚志.航空零件加工的表面完整性[J].航空工艺技术.1988(02)
[49]雷星.城市占道施工的交通影响与交通组织研究[D].重庆交通大学,交通运输规划与管理,2012,硕士.
[50]杨以荣.中天广场办公楼8.5m高转换层施工技术[J].建筑技术.1997(10)