高速铁路三主桁道碴整体桥面板桁组合桥受力特性及计算理论研究

论文摘要

整体桥面具有刚度大、整体性好、噪声小、动力性能好等优点,是高速铁路大跨度桥梁较为合适的桥面形式之一,但整体桥面结构中,下弦杆(系梁)和桥面系受力状态较复杂。四线或四线以上的铁路桥梁,三主桁(拱)结构是较佳的选择之一,与二主桁(拱)相比,桥面荷载在三主桁(拱)间的横向分配较复杂。本文结合京沪高速铁路在建中的南京大胜关长江大桥,对三主桁道碴整体桥面板桁组合桥受力特性及其计算理论和计算方法作了较深入的研究,主要取得如下创新性成果:1.提出了桥面荷载在三主桁(拱)间横向分配的横向框架法,研究了横联刚度、主桁刚度和桥面刚度等因素对桥面荷载在三主桁(拱)间横向分配的影响,基于能量原理,推导出了桥面荷载横向分配的计算公式,给出了横联合理刚度的建议值。研究结果表明:当三主桁(拱)刚度较接近时,靠近跨中的节间,横向均布的桥面荷载在三片主桁(拱)间的横向分配接近1∶1∶1,中桁稍大,靠近支座的节间约为1∶3∶1,中桁比边桁大得多,但靠近支座节间的桥面荷载大部分直接传到支座上,对主桁的整体变形和受力影响不大。该结论与模型试验结果和空间有限元分析结果吻合。2.研究了整体桥面结构中下弦杆的弯曲效应、节间横梁与节点横梁的传力比及其影响因素,给出了传力比的计算公式。该公式的计算结果与模型试验结果和空间有限元分析结果接近。3.针对道碴整体桥面结构特点,提出了一种包含多层板和纵、横梁(肋)的空间层合板梁单元LPGE,推导了单元刚度矩阵,给出了等效结点荷载的计算公式。该单元的位移模式采用位移和转角各自独立插值,是一种协调单元,且考虑了剪切变形;对ANSYS进行二次开发,将LPGE添加到ANSYS单元库,编制了程序LPGEP。4.完成了南京大胜关长江大桥桁段模型试验和拱段模型试验,采用LPGEP对这两个模型进行空间有限元计算。计算结果表明:LPGEP计算结果与试验值吻合较好。由于LPGE把不同材料的多层板和纵、横梁(肋)合成一个协调单元,建模方便,建立的有限元模型自由度较少,减少了计算时间,且保证了板与板间、板与梁间交界面上变形的协调性。5.将LPGEP应用于京沪高速铁路在建的南京大胜关长江大桥的空间分析计算中,对三主桁道碴整体桥面板桁组合桥的受力特性进行系统的研究,得出了一些有价值的结论,为设计提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高速铁路钢桁桥桥面结构形式
• 1.2.1 混凝土道碴槽板桥面结构
• 1.2.2 整体混凝土桥面结构
• 1.2.3 整体钢桥面结构
• 1.3 研究的必要性
• 1.3.1 道碴整体桥面研究的必要性
• 1.3.2 三主桁板桁组合桥研究的必要性
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 道碴整体桥面计算方法研究现状
• 1.4.2 三主桁板桁组合桥计算方法研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容和思路
• 第二章 桥面荷载传递规律及计算方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 桥面荷载的传力途径研究
• 2.2.1 桥面荷载两条传力途径的传力比
• 2.2.2 两条路径传力比的影响因素
• 2.2.3 路径传力比的经验公式
• 2.2.4 算例
• 2.3 桥面荷载在三主桁（拱）中横向分配的研究
• 2.3.1 桥面荷载横桥向二次分配
• 2.3.2 桥面荷载横向分配的横向框架法
• 2.3.3 桥面荷载横向分配的解析法
• 2.3.4 桥面荷载横桥向分配的影响因素研究
• 2.3.5 桥面刚度对桥面荷载在下弦节点分配的影响
• 2.3.6 算例
• 2.4 本章小结
• 第三章 空间层合板梁单元LPGE及程序设计LPGEP
• 3.1 引言
• 3.2 位移和转角各自独立插值的单层板单元
• 3.2.1 单元的位移自由度及位移模式
• 3.2.2 单层板单元刚度矩阵
• 3.3 位移和转角各自独立插值的层合板单元刚度矩阵
• 3.4 位移和转角各自独立插值的梁单元
• 3.4.1 单元的位移自由度及位移模式
• 3.4.2 梁单元刚度矩阵
• 3.5 层合板梁单元LPGE
• 3.5.1 与x轴平行的梁和LPGE结点位移关系及约束矩阵
• 3.5.2 与y轴平行的梁和LPGE结点位移关系及约束矩阵
• 3.5.3 LPGE刚度矩阵
• 3.5.4 T型梁、L型梁和单梁层合板梁单元LPGE刚度矩阵
• 3.6 LPGE的等效结点荷载
• 3.6.1 体分布荷载的等效结点荷载
• 3.6.2 面分布荷载的等效结点荷载
• 3.6.3 线分布荷载的等效结点荷载
• 3.7 单元刚度矩阵从局部坐标系到总体坐标系的转换
• 3.8 基于ANSYS二次开发的程序设计LPGEP
• 3.8.1 ANSYS二次开发的三种模式
• 3.8.2 ANSYS二次开发过程
• 3.8.3 单元LPGE在ANSYS中的实现
• 3.9 算例
• 3.10 本章小结
• 第四章 模型试验及LPGEP考核
• 4.1 引言
• 4.2 模型试验
• 4.2.1 试验模型
• 4.2.2 节点加载与桥面加载
• 4.2.3 加载工况
• 4.2.4 空间有限元模型
• 4.3 主桁计算结果和模型试验结果对比
• 4.4 LPGEP结果和模型试验结果对比
• 4.4.1 桁段纯钢模型结果对比
• 4.4.2 拱段钢—混模型结果对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 工程应用
• 5.1 引言
• 5.2 南京大胜关长江大桥概况
• 5.3 计算参数和计算工况
• 5.3.1 计算参数
• 5.3.2 计算工况
• 5.4 三主桁（拱）结构受力特性分析
• 5.4.1 两条路径的传力比
• 5.4.2 桥面荷载在三主桁（拱）中的横向分配
• 5.4.2 主桁受力分析
• 5.5 道碴整体桥面受力状态分析
• 5.5.1 纵梁
• 5.5.2 横梁
• 5.5.3 钢桥面板
• 5.5.4 混凝土道碴槽板
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果