海洋腐蚀环境下大跨度钢斜拉桥动力特性和承载力的演化研究

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腐蚀是影响桥梁使用寿命的重要因素之一。本文以某大跨度钢斜拉桥为工程背景,针对该桥在海洋环境下的大气腐蚀开展研究。通过有限元软件Midas Civil进行建模,在确定桥梁构件锈蚀随时间的变化规律后,通过荷载基本组合,得到桥梁承载力随时间的变化规律,同时可研究不同锈蚀程度对桥梁变形产生的影响。研究结果可指导桥梁工程设计和施工,还可为海洋环境下既有桥梁的运维提供有益参考。主要工作如下:(1)利用子空间迭代法对斜拉桥开展模态分析,得到桥梁前15阶模态及考虑桥梁锈蚀的结构动力特性随时间的变化规律。结果表明,斜拉桥频率分布密集,仅在前6阶模态就出现了包括主梁一阶侧向、竖向、扭转振动;随着腐蚀的发展,主梁截面减薄,截面刚度下降,导致与主梁相关的模态频率有稍微的浮动,但桥梁的前6阶振型无变化。(2)结合截面正应力计算公式,将结构重要性系数折算后的最大正应力与钢材强度设计值进行比较,得到正截面承载力退化规律。结果表明,钢主梁截面的最小剩余承载力随腐蚀普遍呈线性变化,最低承载力出现在主梁第2节段,在由钢主梁梁端向主梁跨中靠拢的过程中,承载余量逐渐增加。(3)通过研究钢主梁正应力分布可得,钢主梁各节段的最大正应力虽未达到钢材强度设计值,但在100年腐蚀期内,钢主梁梁端至主梁9节段一直处于高应力工作状态,桥梁的正应力对腐蚀比较敏感,极易发生应力腐蚀或腐蚀疲劳破坏,在实际工程中应加强对该区域的检测和防护。(4)结合规范要求,对钢主梁腹板所承受的剪应力进行研究。结果表明,剪应力对腐蚀非常敏感,在100年腐蚀期内呈抛物线显著增加,应力水平提升了约50%,虽未达到腹板钢材的抗剪强度设计值,但后期应加强对腹板剪应力水平的监测。(5)按照规范要求对桥梁的竖向挠度进行验算。结果表明,主梁梁端的挠度值远低于主梁跨中截面,主梁整体的挠曲线型以跨中为波谷呈抛物线特征;跨中截面的挠度值随腐蚀深入呈线性增加,但在100年腐蚀期内无明显变化,最大挠度仅为0.689 m,远没有达到规范要求的竖向挠度限值1.9 m。
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