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立转式开启桥主桥结构为悬臂梁,一般设计成钢箱梁,无论从主梁结构受力形式还是从横截面型式来看,立转开启式桥梁的大悬臂结构力学特性明显区别于大跨径悬索桥或斜拉桥。车载作用和结构的开启将使铺装体系处于多变的受力状态,尤其是铺装层与钢桥面板之间的剪切应力会随着桥跨结构的开启而有复杂的分布,桥面铺装体系是立转式开启桥建设和使用维护的关键对象之一。
本文以天津海河响螺湾开启桥为背景,对不同状态下桥面铺装体系的力学响应进行了数值分析。
本文首先利用通用有限元软件ADINA建立了1/4整桥模型,计算了车载静力作用于不同位置时桥面铺装层的拉应力、层间剪应力和铺装层的竖向位移,确定了铺装体系的最不利受力位置。将计算结果与南京长江第二大桥铺装层力学计算结果进行了比较。分析了铺装层厚度和模量对铺装体系力学特性的影响规律。结果表明,铺装层厚度和模量的改变对车载静力作用下的力学响应有明显的影响。
然后,利用模型研究了带铺装体系1/4整桥的振动特性。分析了桥跨结构在不同开启角度时铺装体系的动态响应。结果表明,开启过程中铺装层的应力有明显的局部效应,随着开启角度的变化有复杂的分布规律,铺装层密度、厚度和模量的变化对开启过程中的铺装层应力有明显的影响。比较了铺装体系在车载静力和开启两种不同状态下的力学响应。
最后,利用1/4整桥模型分析了铺装体系在设计车速移动恒载作用下铺装层的动力响应。分析了铺装层厚度和模量的变化对设计车速移动恒载作用下铺装体系动力响应的影响。将设计车速移动恒载作用下铺装层的动力响应同车载静力作用下的结果进行了对比。分析了车速对铺装层动力响应的影响规律,结果表明,随着车速的增加铺装层表面的纵向拉应力、层间剪应力和铺装表面的竖向位移都有增大的趋势。
综合立转式开启桥钢桥面铺装在动静状态下的力学响应分析结果,轻质铺装材料能明显降低铺装体系的控制剪应力幅值。将理论分析结果用于指导本课题组开发轻质陶粒铺装材料及薄型铺装结构,验证采用薄型铺装层其力学性能指标值能够满足理论分析提出的要求。