大件运输车辆过桥实体车桥耦合振动分析与性能评价研究

作     者：毛旺涛 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩万水

授予年度：2020年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：混凝土断裂力学 应力强度因子 车桥耦合振动 室内破坏试验 大件运输 

摘      要：由于材料内部缺陷、环境影响、荷载作用等,使得混凝土桥梁在服役期间常处于带裂缝工作阶段,一般车辆荷载作用下梁体裂缝较为稳定,但是非常规的大件运输车辆（以下简称大件车）荷载作用下裂缝情况会大有不同。大件车荷载是一种轴数、轴距、载重量等均超出桥梁设计规范的特殊车辆荷载,其作用在含裂缝桥梁上时必定会对裂缝性能产生较大的不利影响。为探究大件运输车辆荷载作用下典型中小跨径桥梁既有裂缝的开展性能,进而为大件运输相关部门的管理、加固及养护工作提供建议,本文基于有限元软件展开了对含裂缝混凝土桥梁的裂缝研究。首先,基于混凝土断裂力学理论选择合适的裂缝模型和应力强度因子计算方法,并根据相关学者的试验数据和Bazant尺寸效应率计算典型中小跨径桥梁的起裂韧度和失稳断裂韧度;其次,基于有限元软件ANSYS建立实体车桥耦合振动分析系统,进行含裂缝梁的精细化分析;然后,通过空心板室内破坏试验和现场荷载试验,验证所建立的实体车桥耦合分析系统的正确性与适用性;最后,建立一个大件运输车辆过桥评估体系,计算中小跨径桥梁在五种类型大件车作用下的裂尖应力强度因子,并基于耐久性考虑计算起裂韧度和失稳断裂韧度下相应的梁体跨中截面弯矩值,作为裂缝开展两个阶段的控制弯矩。得到以下主要结论:（1）对于工程应用来说,利用既有试验数据和Bazant尺寸效应率计算典型中小跨径桥梁的断裂参数是一种便捷且具有较高准确性的途径,它能解决足尺梁断裂参数测定试验成本高、耗时长、数据较难测量等问题;（2）对于断裂力学这种局部精细化的理论,建立的实体车桥耦合振动分析系统能够与之有机融合,并准确计算裂尖的应力强度因子时程,由于ANSYS的参数化建模优势,使得所建立的大件运输车辆过桥评估体系具有较高的便捷性与实用性;（3）普通钢筋混凝土桥梁在移动大件车荷载作用下跨中裂缝尖端的应力强度因子会达到起裂韧度,但不会达到失稳断裂韧度;预应力钢筋混凝土桥梁由于预应力的存在,使得裂缝在大件车作用下处于外力压迫的闭合状态,不会起裂;（4）不同跨径的桥梁由于大件车在最不利时刻作用在其上的轴数与轴重不同,导致裂缝性能的控制车型不同:混凝土简支空心板桥由CII型大件车控制,预应力混凝土简支空心板桥中除20m跨径由CIII型大件车控制外,其余由CII型大件车控制;预应力混凝土简支T梁桥基本由CIV型大件车控制;预应力混凝土连续小箱梁桥由CV型大件车控制;（5）对普通钢筋混凝土桥梁而言,当跨中最不利正弯矩达到设计汽车荷载效应的0.32～0.39倍时,跨中既有裂缝起裂;而当跨中最不利正弯矩达到设计汽车荷载效应的1.02～1.25倍时,混凝土可能会出现比较明显的开裂,影响桥梁结构的耐久性;（6）建立了基于线弹性断裂力学的中小跨径桥梁大件运输车辆通行快速评估方法,此评估体系操作简单便捷,评价指标物理意义明确,可为相关部门制定大件运输车辆通行方案提供技术支持和现实参考。