鋼—混凝土結(jié)合梁橋動(dòng)力性能及損傷識(shí)別的理論分析與模型試驗(yàn)研究.pdf

1、鋼-混凝土結(jié)合梁橋是繼鋼結(jié)構(gòu)橋梁與混凝土橋梁之后興起的一種新型結(jié)構(gòu)，它通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板連接在一起，使二者形成組合作用，共同受力，充分發(fā)揮鋼（抗拉）和混凝土（抗壓）兩種不同材料的特點(diǎn)。正是由于這種優(yōu)點(diǎn)，鋼-混凝土結(jié)合梁在公路、市政、軌道交通和鐵路橋梁領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。雖然鋼-混凝土結(jié)合梁具有上述明顯的優(yōu)勢(shì)，但由于材料和結(jié)構(gòu)本身的限制，也不可避免地存在著一些問題，如負(fù)彎矩區(qū)混凝土容易開裂，收縮和徐變問題會(huì)導(dǎo)致結(jié)合梁撓度加大以及

2、混凝土板裂縫，連接性能在長(zhǎng)期荷載作用下容易劣化，動(dòng)力作用下結(jié)合梁的受力和滑移機(jī)理不明確等問題。本文結(jié)合國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目，以鋼-混凝土結(jié)合梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象（文中簡(jiǎn)稱為結(jié)合梁橋），通過理論推導(dǎo)、數(shù)值分析和模型試驗(yàn)，重點(diǎn)研究結(jié)合梁橋的動(dòng)力行為，對(duì)其自振特性、外力荷載激勵(lì)下的響應(yīng)、車橋動(dòng)力相互作用分析和損傷識(shí)別進(jìn)行了深入的研究。主要工作和結(jié)論如下:
　　(1)建立了考

3、慮鋼梁與混凝土板之間相對(duì)滑移、阻尼的簡(jiǎn)支直線鋼-混凝土結(jié)合梁的基本振動(dòng)方程。運(yùn)用直接平衡法，考慮了阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，把鋼梁和混凝土板均視作Euler-Bernoulli梁，建立了簡(jiǎn)支直線鋼-混凝土結(jié)合梁的基本振動(dòng)方程，針對(duì)一定的邊界條件進(jìn)行求解，重點(diǎn)研究鋼梁與混凝土板之間的相對(duì)滑移對(duì)結(jié)合梁橋自振特性的影響，分析其與單一材料梁的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上，得到了結(jié)合梁的質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣的正交條件，為下文的車橋動(dòng)力相互作用分析提供了理論基礎(chǔ)。

4、
　　(2)給出了考慮滑移、簡(jiǎn)諧荷載共同作用的結(jié)合梁撓度通用表達(dá)式。通過本文建立的結(jié)合梁基本動(dòng)力理論，得到了集中荷載（或其它形式的荷載）作用下結(jié)合梁靜撓度的通用級(jí)數(shù)表達(dá)式，通過一定的變換，使其符合級(jí)數(shù)求和條件;將其相應(yīng)的Bernoulli函數(shù)和Bernoulli數(shù)代入，即可得到與靜力方法一致的結(jié)合梁撓度通用表達(dá)式，且能體現(xiàn)滑移引起的附加撓度以及簡(jiǎn)諧力的影響，為求解結(jié)合梁的撓度通用表達(dá)式提供了一種思路。
　　(3)根據(jù)結(jié)合梁的

5、動(dòng)力特性，提出了鋼-混凝土簡(jiǎn)支結(jié)合梁的“動(dòng)力剛度折減系數(shù)”和“頻率折減系數(shù)”的概念。通過理論推導(dǎo)，得到了結(jié)合梁的動(dòng)力剛度折減系數(shù)的表達(dá)式，并與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)中的公式進(jìn)行了比較。對(duì)靜力剛度折減系數(shù)的取值進(jìn)行了分析，研究了其與動(dòng)力剛度折減系數(shù)的聯(lián)系和區(qū)別及應(yīng)用的范圍。結(jié)果表明，在結(jié)合梁的動(dòng)力計(jì)算中，不能直接套用靜力計(jì)算的公式來計(jì)算結(jié)合梁的等效剛度，否則會(huì)引起較大的誤差。
　　(4)建立了鋼-混凝土結(jié)合梁

6、橋車橋動(dòng)力相互作用分析模型。考慮鐵路橋梁的行車特點(diǎn)、車-橋耦合特征以及結(jié)合梁橋的構(gòu)造特點(diǎn)，對(duì)移動(dòng)荷載作用下結(jié)合梁橋的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了移動(dòng)質(zhì)量、簡(jiǎn)諧荷載、簧上質(zhì)量、車輛作用下結(jié)合梁的振動(dòng)方程，并進(jìn)行了求解，重點(diǎn)分析移動(dòng)荷載作用下鋼梁與混凝土板之間的相對(duì)滑移對(duì)結(jié)合梁橋動(dòng)力響應(yīng)的影響。本文的理論分析結(jié)果表明，通過本文的結(jié)合梁動(dòng)力理論所得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，在某些條件下可以從結(jié)合梁的動(dòng)力理論得到集中荷載作用下結(jié)合梁的撓度通用表

7、達(dá)式。
　　(5)根據(jù)鐵路結(jié)合梁橋?qū)崢虻臉?gòu)造特點(diǎn)，對(duì)6片鋼-混凝土結(jié)合梁進(jìn)行了動(dòng)力特性的模型試驗(yàn)研究，其中包括兩種連接剛度（完全連接、部分連接），對(duì)結(jié)合梁的自振特性、模型車輛移動(dòng)荷載作用下梁的響應(yīng)、簡(jiǎn)諧荷載持續(xù)作用下鋼梁與混凝土板之間的相對(duì)滑移規(guī)律等進(jìn)行了重點(diǎn)研究;并預(yù)設(shè)了6種栓釘損傷工況，針對(duì)栓釘連接件發(fā)生不同程度損傷時(shí)的動(dòng)力特性進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，與理論分析、數(shù)值分析相互驗(yàn)證，進(jìn)一步深入揭示鐵路結(jié)合梁橋在靜、動(dòng)力荷載

8、下的受力機(jī)理。結(jié)果表明結(jié)合梁的連接剛度對(duì)其動(dòng)力特性產(chǎn)生重大影響，小范圍損傷對(duì)其自振特性的影響甚微。
　　(6)進(jìn)行了鋼-混凝土結(jié)合梁橋狀態(tài)評(píng)估與損傷識(shí)別研究。針對(duì)鋼-混凝土結(jié)合梁橋的構(gòu)造特點(diǎn)，基于現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，對(duì)常見的損傷識(shí)別方法應(yīng)用在結(jié)合梁損傷識(shí)別中的適用性進(jìn)行了評(píng)估，尤其是針對(duì)栓釘局部損傷的有效識(shí)別方法進(jìn)行了研究和探討。分析結(jié)合梁的剛度特點(diǎn)，找到了適合于結(jié)合梁橋的損傷識(shí)別方法，并以某鋼-混凝土簡(jiǎn)支結(jié)合試驗(yàn)梁為例，應(yīng)用