桥梁全寿命盆式球钢支座力学及抗震性能探讨

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论文字数:49566 论文编号:sb2021062820131236200 日期:2021-07-27 来源:硕博论文网
本文通过试验来验证支座的基本力学性能和耐久性,同时在试验研究的过程中收集后续数值模拟中所需的支座力学性能参数。支座的试验研究主要包括承载力、变形、转动、摩擦系数等基本力学性能试验和支座疲劳、聚四氟乙烯滑板磨耗耐久性测试。

第 1 章 绪论

1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
近年来,我国经济发展迅猛,在城市化建设推进过程中,先后形成了长三角、珠三角、京津冀等协同发展经济圈。与此同时我国公路网也在快速形成,成为了沟通经济圈之间与辐射周边地区的重要通道。2019 年末,全国公路总里程达 501.25 万公里,高速公路总里程已达 16.9 万公里,位居全球第一。其中河北省高速公路总里程达到 7279 公里,位居全国第二位。现阶段为疏解首都交通压力、推进北京大外环规划建设,同时打赢交通脱贫攻坚战,河北省内高速公路网正在加速建设。但在交通建设高速推进的背后,诸多问题也在凸显。当前我国交通建设的重心已经由新建进入到养护、加固维修阶段。
桥梁工程作为公路交通建设及城市道路中的重要组成部分,其建设成本已经十分高昂,而在运营养护期的资金投入同样是一笔巨大的开销。桥梁支座作为桥梁结构的重要组成部分,是桥梁上、下部结构的连接点,其作用是将上部结构承受的各种荷载(静、动及冲击载荷)安全、有效的传递到墩台上去,同时保证上部结构在荷载、温度变化、混凝土收缩等因素下产生的变形(水平位移及转角)不会对墩台等下部结构产生不利影响,其性能优劣直接影响到桥梁受力性能的可靠、运营的安全[1-2]。
20 世纪 60 年代之前,几乎全部桥梁支座都是普通钢支座。德国交通局对近几十年修建的预应力混凝土桥梁使用支座的状况进行了调查,结果表明在 1964 年以前,100%的桥梁采用普通钢支座。从 20 世纪 60 年代初开始,随着化工技术的进步,出现了橡胶支座及使用聚四氟乙烯板的平面滑动支座,橡胶支座更是成为了研发主流,其中盆式橡胶支座[3]与板式橡胶支座[4]得到了快速的发展和广泛的应用,并很快成为取代普通钢支座的主流桥梁支座形式。
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1.2 桥梁支座简介
1.2.1 桥梁支座作用机理
桥梁支座作用机理主要包承压传力机理、转动机理、滑动机理。承压传力机理主要是指桥梁支座的结构形式为高度较小的轴心受压构件,将桥梁上部结构承受的荷载和变形(位移和转角)可靠的传递给桥梁下部结构。转动机理是指通过塑性材料的压缩回弹或刚性材料构造球形滑动面来实现转动。滑动机理是指通过塑性材料压缩变形发生水平位移或者刚性材料构造低磨阻滑轨来实现水平滑动。
1.2.2 桥梁支座的类型及适用范围
桥梁支座根据其使用功能的不同,可以分为两大类:固定支座和滑动支座。固定支座又称固定铰支座,用来传递竖向应力和水平力,允许桥梁上部结构支承处在竖向平面内转动但在水平方向上限制其产生位移。滑动支座由是否限制其滑动方向又分为单向滑动支座和多向滑动支座,滑动支座只传递竖向应力,保证在荷载、温度变化、混凝土收缩和徐变等因素作用于桥跨时能自由转动和平移。
按照支座材料和构造来分,又分为:钢支座、橡胶支座、其他类型支座等[8-9]。
1. 钢支座
20 世纪 60 年代之前,几乎全部桥梁支座都是钢支座。由于技术水平等因素,最初的钢支座均为铸钢支座,该支座又称切线式支座或线支座。上支座为平板,下支座为弧形钢板,二者彼此相切而成线接触的支座。直到 20 世纪 70 年代,球型钢支座的研究逐步出现并很快在弯桥上应用。现阶段工程上广泛应用的钢支座指的是球型钢支座。球型钢支座是靠钢部件的滚动、摇动和滑动来实现支座的位移和转动功能的,它的特点是承载能力强,能适应桥梁的位移和转动的需要,目前多应用于铁路桥梁。但是球型钢支座的球冠底部曲面转动与滑动未分离,使得耐磨板磨耗大;球冠在转动的同时还需承受水平分力和竖向力,球冠底部处于偏压状态,转动与滑动复合受力,球冠有滑出下支座板的趋势,转动球冠未封闭,受力不均匀、不明确、结构稳定性相对较差。同时由于钢铸件在使用过程中易出现锈蚀,导致支座转动和滑动部位锈死,从而影响其使用性能。
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第 2 章 全寿命盆式球钢支座力学性能试验

2.1 试验样品及设备
本次试验针对全寿命盆式球钢支座的力学性能[22-32],对支座的竖向承载力进行与盆式橡胶支座的对比试验,探究两种支座基本力学性能之间的差异及优劣。对支座进行转动试验以验证其转动性能。为进一步研究全寿命盆式球钢支座的全寿命特性,对支座进行疲劳试验及磨耗试验,模拟在桥梁全寿命周期内支座的老化磨损情况。
2.1.1 试验样品
试验涉及的试验样品名称及型号详见表 2-1:
表 2-1 试验样品
表 2-1 试验样品
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2.2.1 支座的主要试验项目
(1)支座竖向承载力试验
(2)支座转动性能试验
(3)支座疲劳试验
(4)改性聚四氟乙烯滑板摩擦试验
2.2.2 全寿命盆式球钢支座应满足的力学性能指标
本试验主要以竖向压缩变形和盆环径向变形作为支座竖向承载力试验及疲劳试验的力学性能指标;以转角大小和转动力矩作为支座转动性能试验的力学性能指标;以磨耗率和摩擦系数作为改性聚四氟乙烯滑板磨耗试验的力学性能指标。
表 2-3 盆式橡胶支座荷载-变形值
表 2-3 盆式橡胶支座荷载-变形值
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第 3 章 基于有限元理论的支座抗震性能分析··················31
3.1 抗震性能仿真模拟设计··················31
3.2 Ansys workbench 支座内力仿真模拟研究······················· 31
第 4 章 整桥模型中支座节点抗震性能研究···························53
4.1 反应谱模拟分析设计·······························53
4.1.1 反应谱函数基本参数··························· 53
4.1.2 支座布置基本参数·························· 54

第 4 章 整桥模型中支座节点抗震性能研究

4.1 反应谱模拟分析设计
在通过 Ansys、Abaqus 有限元分析软件模拟分析了全寿命盆式球钢支座自身结构的抗震性能以及与加载方式、锚栓保护层厚度的关系后,为更深一层研究并验证全寿命盆式球钢支座在桥梁整体结构中的抗震性能,拟将支座布置于整体桥梁结构中进行反应谱模拟分析研究。基本模拟思路为运用 Midas 有限元软件对支座建立整体桥梁模型,并控制场地类型、地震烈度等变量,模拟应用全寿命盆式球钢支座的桥梁在支座位置处的抗震性能[68-69]。
该模拟拟建立四种不同结构形式、不同跨径的整体桥梁模型,分别为 3-25m 小箱梁桥、3-35m 小箱梁桥、4-30m T 梁桥和 4-40m T 梁桥。
由单跨跨径均小于 150m,可以确定桥梁抗震设防类别为 B 类,B 类桥梁应采用两水准抗震设防,在模拟中地震作用选择工程场地重现期较长的 E2 地震作用,即震后使用要求为经临时加固后可供维持应急交通使用,损伤状态为不致倒塌或产生严重结构损伤。根据桥梁抗震设防类别和地震作用两个指标,可以确定桥梁抗震重要性系数 Ci取值为 1.3。
表 4-1 桥梁工程场地类型划分
表 4-1 桥梁工程场地类型划分
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结论与展望

主要结论
本文围绕一种新开发的“全寿命盆式球钢支座”进行了分析研究。研究从全寿命盆式球钢支座的力学性能、耐久性、地震作用下弱节点位置定位、锚栓保护层厚度及加载方式不同引起的弱节点位置受力变化差异及应用于不同桥梁结构形式中的抗震性能五个方面的关键问题开展试验、有限元模拟和理论研究。
通过试验来验证支座的基本力学性能和耐久性,同时在试验研究的过程中收集后续数值模拟中所需的支座力学性能参数。支座的试验研究主要包括承载力、变形、转动、摩擦系数等基本力学性能试验和支座疲劳、聚四氟乙烯滑板磨耗耐久性测试。
通过有限元数值模拟对支座的抗震性能进行研究分析,有限元数值模拟分为两部分,第一部分为支座自身结构的抗震性能模拟研究;第二部分为支座应用于整体桥梁中的抗震性能研究。
第一部分支座自身结构的抗震性能模拟研究主要分为两步进行:
(1)运用 Ansys workbench 有限元分析软件建立支座数值模型,来探究在水平地震力作用下,即在水平荷载作用下,支座内部结构受力的情况,定位在水平荷载作用下支座结构中的弱节点位置。
(2)在确定支座弱节点位置后,运用 Abaqus 有限元分析软件针对支座弱节点位置建立有针对性的细化分析模型,遵循控制变量的原则对支座进行水平荷载-位移-破坏模拟,对支座自身结构的抗震性能进行分析研究。
参考文献(略)
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