中下承式拱桥吊杆疲劳安全研究与设计探讨

论文摘要

19世纪后,带吊杆的中下承式拱桥发展迅猛,吊杆是中下承式拱桥的重要传力构件,尺寸小、构件组成部分多、对疲劳腐蚀等因素比较敏感,吊杆及其组件的运营状态相当复杂。它的正常与否,关系着整个桥梁的运营安全和寿命。但是目前的桥梁设计理论却没有跟上桥型的发展,拱桥吊杆的设计准则、服役损伤、安全判据、寿命预测、拆换方案等都没有统一而科学的规范,以往的大多工程实践均是凭设计者的主观判断。再加上桥梁设计人员对吊杆的受力重视不足,在设计中通常只是采用一个安全系数来控制其最大应力,忽视对疲劳和腐蚀问题的控制,对影响吊杆疲劳的因素及其变化规律,几乎没有进行过系统全面的研究,因此吊杆破损屡屡发生。为此,本文在参考和总结已有成果和现状的基础上,以某下承式系杆拱桥为背景,对吊杆的静动力特性、影响吊杆疲劳的结构设计因素和吊杆的破损安全工况作了计算分析。本文的主要内容和结论如下:(1)吊杆静力动力分析。通过对简支和连续两种桥道系形式拱桥的吊杆的恒活载静力特性分析,以及结合破损安全角度考虑,得出简支桥道系不利于吊杆疲劳的结论。(2)通过匀速移动荷载动力时程响应来对车辆过桥进行模拟和利用冲击荷载作用下的瞬态动力响应来对跳车现象进行分析表明:吊杆的动力效应比较明显,且汽车速度越快动力效应越大;各吊杆中短吊杆的动力效应最强,在汽车高速过桥时,计算所得的短吊杆动力放大系数大于按照规范的取值,因此在设计中尽量对短吊杆进行单独的动力验算。(3)从结构设计的角度,通过对影响吊杆荷载疲劳的因素进行对比计算分析,包括吊杆的位置、吊杆的间距、边吊杆至拱脚的距离、吊杆截面积、拱桥矢跨比、拱梁刚度比等,得到有利于改善吊杆疲劳的结构设计方法。(4)通过对目前吊杆的设计准则和疲劳设计方法的探讨,认为目前的吊杆设计不能保证吊杆使用过程中的安全性,应尽快建立适合吊杆设计的理论和方法。并提出了吊杆破损安全工况验算的思路和方法,通过对本论文的桥梁模型吊杆破损安全的验算发现桥梁在部分吊杆破断的情况下不会发生连锁倒塌。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 拱桥的发展概述
• 1.2 拱桥的分类和结构体系
• 1.3 拱桥吊杆体系
• 1.4 本文研究的目的、意义和主要工作
• 2 吊杆的荷载行为分析
• 2.1 引言
• 2.2 中下承式拱桥的桥道系
• 2.3 吊杆的静力特性
• 2.3.1 吊杆的恒载静力特性
• 2.3.2 吊杆的活载静力特性
• 2.4 吊杆在车辆荷载下的动力响应分析
• 2.4.1 匀速移动荷载过桥的瞬态动力分析
• 2.4.2 冲击荷载作用下的动力响应分析
• 2.5 本章小结
• 3 吊杆的疲劳断裂分析
• 3.1 吊杆疲劳的相关基本理论
• 3.1.1 疲劳的概念
• 3.1.2 疲劳破坏与静力破坏的区别
• 3.1.3 吊杆疲劳裂纹的形成与扩展
• 3.1.4 疲劳应力
• 3.1.5 S-N 曲线
• 3.1.6 平均应力对疲劳寿命的影响
• 3.1.7 疲劳累积损伤理论
• 3.2 吊杆的疲劳性能分析
• 3.2.1 高强镀锌钢丝的疲劳性能
• 3.2.2 高强镀锌钢丝吊杆的疲劳性能
• 3.2.3 钢绞线吊杆的疲劳性能
• 3.3 吊杆的腐蚀疲劳
• 3.3.1 吊杆的化学腐蚀和电化学腐蚀
• 3.3.2 吊杆的应力腐蚀
• 3.3.3 吊杆的腐蚀疲劳
• 3.3.4 吊杆的防腐蚀保护
• 3.4 本章小结
• 4 影响吊杆疲劳的结构设计因素
• 4.1 引言
• 4.2 吊杆间距的影响
• 4.3 吊杆位置的影响
• 4.4 吊杆面积的影响
• 4.5 边吊杆至拱脚距离的影响
• 4.6 矢跨比的影响
• 4.7 拱梁刚度比的影响
• 4.8 本章小结
• 5 吊杆的设计探讨与破损安全工况
• 5.1 引言
• 5.2 吊杆的传统设计
• 5.2.1 拱桥吊杆设计准则
• 5.2.2 吊杆的安全系数
• 5.3 吊杆的疲劳设计
• 5.3.1 疲劳设计方法
• 5.3.2 吊杆的疲劳设计准则
• 5.3.3 吊杆的疲劳寿命预测
• 5.4 短吊杆问题
• 5.5 吊杆的防护
• 5.6 吊杆的检测及监测
• 5.7 吊杆的拆换
• 5.8 吊杆的破损安全工况计算
• 5.8.1 破损安全的概念
• 5.8.2 破损安全工况计算
• 5.9 本章小结
• 6 结语
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录