大跨度铁路混合梁斜拉桥钢 - 混结合段静疲劳性能及关键影响因素探究.docxVIP

大跨度铁路混合梁斜拉桥钢-混结合段静疲劳性能及关键影响因素探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着交通事业的飞速发展，大跨度桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，在跨越江河、海峡等复杂地形时发挥着关键作用。大跨度铁路混合梁斜拉桥结合了钢梁和混凝土梁的优点，具有跨越能力大、结构刚度好、经济性佳等特点，在铁路桥梁建设中得到了广泛应用。例如，宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥主跨468米，是国内首座大跨度铁路混合梁斜拉桥，其建成有效提升了铁路运输能力。

在大跨度铁路混合梁斜拉桥中，钢-混结合段是连接钢梁和混凝土梁的关键部位，它不仅要实现两种不同材料结构之间的荷载传递，还要保证结构的整体性和刚度的平顺过渡。该结合段所处的受力状态复杂，承受着轴力、弯矩、剪力等多种荷载的共同作用，且在列车长期反复荷载作用下，容易产生疲劳损伤。一旦钢-混结合段出现问题，将直接影响桥梁的整体性能和安全运营，因此，研究其静力和疲劳性能具有重要的现实意义。

从保障桥梁安全的角度来看，深入了解钢-混结合段在静力荷载作用下的应力分布、变形规律以及承载能力，能够为桥梁的设计和施工提供可靠的理论依据，确保桥梁在正常使用状态下的结构安全。从提高桥梁耐久性的角度出发，研究其在疲劳荷载作用下的疲劳性能，如疲劳裂纹的萌生、扩展规律以及疲劳寿命等，有助于采取有效的预防和加固措施，延长桥梁的使用寿命，降低维护成本。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对大跨度铁路混合梁斜拉桥钢-混结合段的静力和疲劳性能开展了大量研究。在静力性能方面，研究内容主要涵盖钢-混结合段的刚度、承载能力、传力机理以及各构造参数的影响等。部分研究通过理论分析和有限元模拟，深入探讨了结合段在不同荷载工况下的应力和变形分布情况，明确了承压板、剪力连接键等关键构件在传力过程中的作用。例如，有研究运用推导的考虑纵向滑移的多自由度单元对组合梁材料非线性问题进行了分析研究；还有学者利用CR列式法推导了几何非线性的组合梁单元，并通过算例分析证实了其有效性。在试验研究方面，不少学者通过设计制作缩尺模型，进行静力加载试验，验证了理论分析和数值模拟的结果，为结合段的设计和优化提供了实践依据。

在疲劳性能研究方面，学者们主要关注疲劳荷载谱及应力谱的确定、疲劳设计分析方法以及疲劳累积损伤理论等。通过对实际桥梁的监测和模拟，获取了不同交通荷载作用下钢-混结合段的疲劳荷载谱和应力谱。同时，基于Miner线性累积损伤理论等方法，对结合段的疲劳寿命进行预测和评估。部分研究还探讨了材料特性、构造细节、荷载历程等因素对疲劳性能的影响。

然而，已有研究仍存在一些不足之处。一方面，对于复杂荷载工况下钢-混结合段的受力性能研究还不够全面，尤其是考虑多种因素耦合作用时的研究相对较少；另一方面，在疲劳性能研究中，由于实际桥梁的服役环境复杂多变，现有的疲劳寿命预测方法还存在一定的误差，对疲劳裂纹扩展过程的模拟也有待进一步精确。本文将针对这些不足，展开深入研究，以期为大跨度铁路混合梁斜拉桥钢-混结合段的设计和应用提供更完善的理论支持。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括：对大跨度铁路混合梁斜拉桥钢-混结合段的典型构造形式进行分析，明确各组成部分的作用和特点；运用有限元软件建立钢-混结合段的精细化模型，分析其在静力荷载作用下的应力分布、变形特性以及承载能力，研究不同构造参数对静力性能的影响规律；设计并进行钢-混结合段的模型试验，包括静力试验和疲劳试验，通过试验数据验证有限元模型的准确性，获取结合段在实际受力情况下的性能指标；基于试验和有限元分析结果，深入研究钢-混结合段的疲劳性能，分析疲劳裂纹的萌生、扩展机制，建立疲劳寿命预测模型；提出针对大跨度铁路混合梁斜拉桥钢-混结合段的优化设计建议，以提高其静力和疲劳性能。

在研究方法上，采用有限元分析、模型试验和理论分析相结合的方式。有限元分析方面，利用ANSYS、ABAQUS等专业软件，建立考虑材料非线性、几何非线性以及接触非线性的钢-混结合段模型，进行数值模拟分析；模型试验方面，按照相似性原理设计制作缩尺模型，在实验室环境下进行静力加载和疲劳加载试验，测量关键部位的应力、应变和变形等数据；理论分析方面，基于材料力学、结构力学等基本理论，对试验结果和有限元分析结果进行深入剖析，推导相关计算公式，建立理论模型，为研究提供理论支撑。

二、大跨度铁路混合梁斜拉桥钢-混结合段概述

2.1混合梁斜拉桥的结构特点

混合梁斜拉桥主要由索塔、加劲梁、拉索、墩台和基础等部分组成，在一些大跨径斜拉桥的边跨还会设置辅助墩。其中，加劲梁沿梁长方向由钢梁和混凝土梁两种不同材料构成，通常主跨采用钢梁，边跨（或伸入主跨的一部分）采用混凝土梁。这种结构形式