（固体力学专业论文）刚构连续梁桥墩梁固节点结构光弹性实验研究和有限元分析.pdf

摘要 预应力混凝土刚构连续梁桥是在预应力混凝土连续粱和t 型刚构基础上 发展起来的一种新型连续梁结构。这种结构兼具连续梁和t 型刚构桥的优点。 同时随着设计理论的日益完善以及预应力技术和现代化施工方法的发展，刚构 连续梁桥在国内外桥梁工程得到了迅猛的发展。但就其受力状况而言，刚构连 续梁桥却远比连续梁或t 构体系复杂，其中墩梁固节点结构是整个刚构连续梁 桥中应力最复杂的部分，是刚构连续梁桥的关键部位。因此，对墩梁固节点结 构进行应力分析，对优化工程结构是极其重要的工作。 本文结合铁路跨江某预应力混凝士刚构连续梁桥，分别通过三维光弹性冻 结应力法和有限元计算，对墩梁固节点结构在不同承载工况下进行了应力分 析。结果表明，两种方法所得的结果比较吻合。 本文在获取实验数据时，利用数字图像处理技术对光弹性条纹图像进行了 等差线条纹的倍增和等倾线条纹的分离和细化。研究了利用三角函数法实现了 单幅条纹图的三倍倍增。利用对数相减法实现了等倾线条纹的分离，并且使条 纹得到了细化，便于条纹中心线的提取。利用了一种实用的图像处理技术 灰度极值结合曲线拟合法成功地提取了等倾线条纹的中心线，提高了等倾线中 心线提取的速度和准确度。 本文对墩梁固节点结构进行有限元分析时，考虑到有限元计算模型要精 确、完善，且能反映结构复杂的几何形状，利用s o l i d w o r k s 软件建立固节点结 构空间模型，再利用图形接口引入到a n s y s 中进行有限元计算，提高了计算 精度。对结构在最不利载荷组合下应力计算结果验证了原设计的可靠性和合理 性，也为最佳结构型式的设计提供了参考依据。 本文通过实验和计算所得的应力分析结果，为刚构连续梁桥墩梁固节点结 构方寨的比较、优化设计和施工提供了重要依据，并已应用到工程实际中，发 挥了重要作用。 关键词：刚构连续梁桥；墩梁固节点；三维光弹性法；有限单元法；图像处理 a b s t r a c t t h ep r e s 订e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i d f r a m e b r i d g e ，w h i c hb a s e do n p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sb e a ma n dts h a p er i g i df r a m e ，i sak i n do fn e w d e v e l o p e d s t r u c t u r eo fc o n t i n u o u sb e a m t h i ss t r u c t u r eh a sa d v a n t a g e so f c o n t i n u o u sg i r d e ra n dts h a p er i g i d - f r a m eb r i d g e w i t ht h ep e r f e c t i o no fd e s i g n t h e o r i e si n c r e a s i n g l y , a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r e s t r e s s e dt e c h n i q u e sa n d m o d e mm e t h o d si nt h eb r i d g ec o n s t r u c t i o n ，t h ec o n t i n u o n sr i g i d f r a l t l eb r i d g eh a s g o t t e nr a p i dd e v e l o p m e n ti nt h ei n t e r n a la n de x t e r n a lb r i d g ee n g i n e e r i n g a sf a ra s t h ec o n d i t i o no ff o r c e s ，i ti sm o r ec o m p l e xt h a nc o n t i n u o u sg i r d e ra n dts h a p e s y s t e m i nt h ew h o l ec o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g e ，t h ej o i n ts t r u c t u r eb e t w e e np i e r a n dg i r d e ri sak e yl o c a t i o nw h i c hh a sm o s tc o m p l e xs t r e s ss t a t e s t h e r e f o r e ， d e t e r m i n i n gt h es t r e s si nt h ej o i n ts t r u c t u r ei sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hw o r kf o rt h e s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i nt h i st h e s i s ，t a k i n gap r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sr i g i d f l a m eb r i d g ea sa l l e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，t h e s t r e s s a n a l y s i sf o r t h ej o i n ts t r u c t u r eh a sb e e n p e r f o r m e dw i 协t h em e t h o do ft h r e e d i m e n s i o np h o t o e l a s t i c i t yf r o z e n s t r e s sa n d f i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o nu n d e rt h es t r e s ss t a t e so fd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s i t s h o w st h a tt h er e s u l t sf r o me x p e r i m e n t a ls t r e s sa n a l y s i sa g r e ew i t hc a l c u l a t i n gd a t a o f f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm e t h o dv e r yw e l l b e s i d e s ，i no r d e rt oo b t a i ne x p e r i m e n t a ld a t a , t h ea p p l i c a t i o n so fd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e st op h o t o e l a s t i c i t yf r i n g ep a t t e r n s a r ea l s os t u d i e d t h e a p p l i c a t i o n sm a i n l yi n c l u d ei s o c h r o m a t i cf r i n g em u l t i p l i c a t i o na n di s o c l i n l cf r i n g e s e p a r a t i n ga n ds h a r p e n i n g as i n g l ef r i n g ep a t t e mi si n c r e a s e db yt h r e et i m e sw i t h t h et r i g o n o m e t r i ch m c t i o nm e t h o d t h ei s o e l i n i cf r i n g ei sp e r f e c t l ys e p a r a t e dw i t h t h ei m a g el o g a r i t h ms u b t r a c t i o nm e t h o d ，a n dt h ei s o c l i n i cf r i n g e sa r es h a r p e n e d ，a n d i tm a k e st h ee x t r a c t i n go fc e n t r a ll i n e so ff r i n g e sb e c o m ee a s i e r au t i l i t yi m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，c a l l e de x t r e m ev a l u eo fg r a ys c a l ec o m b i n e dw i t h c u r v e f i t t i n gm e t h o d ，i su s e da n dt h ec e n t r a ll i n e so fi s o c l i h i cf r i n g e sa r ee x t r a c t e db yt h i s m e t h o ds u c c e s s f u l l y t h es p e e do f p r o c e s si sr a i s e da n dt h e p r e c i s i o ni si m p r o v e d w h i l et h ej o i n ts t r u c t u r eb e t w e e np i e ra n d g i r d e ri sc o m p u t e dw i t hf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e li ss e tu pw i t hs o f t w a r e s o l i d w o r k si n t h a tf i n i t ee l e m e n tm o d e lm u s tb ea c c u r a t ea n dp e r f e c tf o rr e f l e c t i n gt h ec o m p l e x s t r u c t u r es h a p e tt h e n ，t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e li si n p u t t e di n t oa n s y s t h r o u g ht h e g r a p h i ci n t e r f a c e t h e r e f o r e ，t h ep r e c i s i o no fc o m p u t a t i o ni si m p r o v e d t h ef i l l i t e e l e m e n ta n a l y s i sr e s u l t so ft h es t r u c t u r eu n d e ra d v e r s el o a d i n gp r o v et h a tt h ed e s i g n i sr e a l i z a b l ea n dr e a s o n a b l e ，a n dp r o v i d ear e f e r e n c ef o r d e s i g n i n gb e s t 咖d 1 1 r e s h a p e t h er e s u l t so b t a i n e dw i t hm o d e le x p e r i m e n ta n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa f e h e l p f u lf o rc o m p a r i n gt h es t r u c t u r es c h e m e s ，a n df o ro p t i m i z i n gt h es t r u c t u r ed e s i g n a n dc o n s t r u c t i o n - t h er e s u l t sh a v ea l r e a d ya p p l i e dt oa c t u a le n g i n e e r i n g a n dm a d e g r e a ts i 嘶f i c a n c e k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g e ；p i e rb e a mj o i n t s t r u c t u r e ：t h r e e d i m e n s i o n a lp h o t o e l a s t i cm e t h o d ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；i m a g ep r o c e s s i n g i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 防；z 袭 签字日期：矽。，年夕月上占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：雎茄 导师签名 渺心 签字日期：砷弦年，月x 日签字日期：陬年 月矽日 第一章绪论 1 1光弹性实验和有限元计算在桥梁工程中的重要作用 1 1 1光弹性实验在桥梁工程中的重要作用 光弹性应力分析方法是一种测定结构内各点主应力大小和方向的光学测 量方法。它使用具有特殊光学性质的透明塑料制成与实际结构形状相似的模 型，州：使模型承载与作用于结构的实际载荷满足相似定律。采用模型冻结应力 法，对光弹性切片进行光弹性实验分析。通过分析、计算，便可求出模型各点 的应力状态。 早在1 8 1 6 年b r e w s t e r 就发现，当玻璃受力时，其具有双折射光学性能。 b r e w s t e r 这发现奠定了光弹性应力分析方法的物理基础吼十九世纪四、五 十年代庄右，n e w m a n n 和m a x w e l l 建立了光弹性材料的折射率与应力、应变之 间的关系，即应力光学定律。以后，随着科学和生产的发展，应力冻结现 象的发现，使三向光弹性冻结应力法得以实现。光弹性仪器设备的改进以及新 的模型材料环氧树脂的采用，使得光弹性实验技术更加同益成熟和完善。 光弹性作为一种有效的实验方法，在生产中获得了广泛地应用。 三维光弹性应力冻结法口_ 】是通过制作光弹性模型，对实物受载状况进行模 拟，通过对受力模型进行应力冻结，保存了模型内各点的应力状态信息，然后 对切片进行观测，就可得到任一点的应力状态。光弹性冻结切片法是目前解决 二三维复杂结构受力状态最有效的方法。这种方法具有直观性和全场性的优点， 可以观测到结构内的应力分布规律，观察与模型上各点应力状态有关的条纹， 通过应力条纹的密集程度，可直观判断应力集中部位，从强度观点改进设计， 寻求合理的结构截面的形状和尺寸。 和桥梁 一程中，出现了许多新型的结构i5 | ，为考虑桥梁设计的合理性，就 必须剥其进行应力分析，而对于这类问题，采用三维光弹性应力分析法将是最 为有效的。例如，李鸿琦、李德才等1 6 1 对北京丰台路带网状系杆拱连续梁桥进 行了威力分析，陔桥是崮内首例采用组合体系的铁路桥，通过对该桥详细的廊 第章绪论 力分杌，确定了危险区和最大应力点的位置，为桥梁的结构优化设计提出了改 进意见。佟景伟、杨建阁等口嘲铁路客运专线上一座钢筋混凝土斜交刚构连续 梁双线桥梁进行了应力分析。佟景伟、唐明等1 8 l 刑一座有2 2 根斜索的独塔斜拉 桥h 型桥塔锚固区进行了应力分析，从而为设计部门优化工程设计、制定施 二 方案提供了必要的参考依掘。吕忠久、边文宽等口l 对新型设计公路大桥桂 林雉l 1 1 桥，其形状复杂的一隅节点处附近的应力分布情况，进行了三维光弹性 应力分析。胡德麟、张烈等对二潍电站一座主梁为对称双室预应力混凝士箱 型梁的斜拉桥第t 七、十八节梁的锚固区进行了光弹性应力分析。这些重大复 杂的桥梁均是采用维光弹性冻结应力法分析的，为工程设计提供了有价值的 实验数据，同时也为结构的优化设计和施工工艺提供了一定的参考价值。 1 12 有限元计算在桥梁工程中的重要作用 随着材料科学和桥梁施工工艺的发展，现代桥梁结构向大跨径、轻型化和 柔性化方向发展，这就对桥梁的结构设计提出了更高的要求，需要对桥梁结构 的各种力学性能进4 7 ；, t 锋与分析，如静力学特性，主要包括强度、刚度与变形 等；动力学特性，主要包括固有频率及振型，动刚度及动位移等。对于以板梁 和j 二字梁等为扛，且形状、载荷及约束都较为简单的桥梁结构，采用经典公式 和简单的数值计算，能够得到满意的结果1 2 】。但对于结构、受载和边界条件 相对复杂的桥梁工程的实际问题，由于无法较合理地将问题简化为简单的力学 模型，因而不能得到理想的计算结果。 刚构连续梁体系是一种复杂的空间受力体系，显然，若采用解析法来分析 求解，其困难是相当大的。近年来计算机及计算技术的高速发展，以及电了 计算机在一 程上的应用阿益广泛，为数值法来解决复杂空间结构提供了有利的 条件。有限单元法就是随计算机的出现而迅速发展起来的一种数值解法，近年 来在 ：程分析中已得至i l r 泛的应用【13 , 1 4 】。 有限元法日前被公认为是一种最强有力且相当完善的结构分析方法。该方 法就是在力学模型上进行近似的数值计算，即先把连续体简化为有限个单元组 成的离敞化模型，然后再对离散的模型给出数值解。其主要优点有：( 1 1 物理 概念清晰。有限元一开始就从力学角度进行分析，易于掌握和应用；( 2 1 在使用 中具有灵活性和通用性。有限元对于各种复杂的因素，例如复杂的几何形状( 如 桥梁q i 的单室、多室、申箱、多箱、简支、连续等) ，任意边界条件，任何支撑 天津人学硕十学位论文 情况以及材料的4 i 均匀特性和结构中由不同类型构件组合而成的构件等都能 灵活的加以考虑，而不会发生处理上的困难：( 3 ) 有限7 l 易丁实现自动化。可充 分利升j 电子计算机求进行结构分析，从而提高效率。 人型有限元分析程序包将是对各种结构新颖的桥梁实际工程问题进行数 值分j ! j h y j 有力 二具，i f 受到桥梁工程界的广泛重视。因此，国内外的一些大型 商业化有限元程序得到了较大的发展，其中最著名的软件有：s a p 系列、 a d i n a 、a n s y s 、n a s t r a n 等，它们在功能上、求解器的能力及规模上以 及在建模手段| 二均有了很大的提高，并且各自有自己的风格。这些软件包都能 解决 ：程结构的线性和非线性的静、动力问题，并且在土建、水利等结构分析 中发挥了巨大的作用1 1 6 1 。其中a d l n a 软件包是幽美国麻省理工学院研制开发 的，它的最大特点是具有卜分丰富的材料库，可以处理各种各样材料非线性问 题，例如在它提供混凝土模式中，考虑了混凝土在拉伸与压缩时有不同的性能， 以及托断、压碎和软化等现象。a n s y s 软件包是由美国s w a n a s o n 分析 公司丌发研制的，它具有丰富的单元库，它能进行各种物理场相互影响的耦合 分析，及瞬态冲击类蒯题的结构分析等等，因此多场耦合及非线性计算是它突 出特色。m s c n a s t r a n 是美国宇航局丌发研制的，它是集几何访问、有限元 建模、分析及数据可视化于一体的新叶框架式软件系统，并提供了1 0 余种 c a d 接口，以满足用户的特殊需要。 r f 前在桥梁设计中进行结构分析时，通常将其建立成一个杼系计算模型， 可以对桥梁进行平面计算、空间分析，整体的稳定性分析以及动力学特性分析； 或采用空间粱单元、壳单元以及三维实体单元来模拟结构。例如，靳欣华、郑 凯锋等【”】对位于位于广州肇庆高速公路上的一座斜拉与t 构协作体系桥 金马人桥进行了全桥结构仿真分析，为此类桥提供了技术参考。田学民、 李乔等对处f 设计阶段的京沪高速铁路线上座下承式钢管混凝土提篮式 系杆拱桥进行r 结构静力分析和对结构自振特性进行了研究，评价了提篮拱桥 设计的合理性。 足埘桥梁结构整体分析时，未能反映构成梁的各部件，如顶板、底板 和腹板的局部受力特征，也无法完整、合理地反映梁、腿相交处，墩梁圃结处 的复杂应力状态。因此，对这些局部区域进行空间应力分析，评价其受力的合 理性，具有重要的现实意义。王砺义刺大跨度连续刚构墩梁固接处的复杂应 力状念进行了分机，为桥梁设计和施工提供了参考依据。陈达章、方世乐等| 2 ” 第一章绪论 对一座跨越珠江特大型桥梁崖门大桥的主桥斜拉索塔上锚圃区、0 号块以 及主墩防撞设施等进行有限元计算分析，总体评价了受力方案的可行性。郭健、 刘世忠等口2 】对一大跨度预应力混凝土斜腿刚构桥进行了空间三维板壳有限元 计算，着重对梁与斜腿相交处的复杂应力状态进行了分析，对同类型桥梁的设 计具有重要的参考价值。 总之，有限元分析是许多结构包括桥梁结构进行数值计算最常用的方法之 18 - 2 4 , 5 0 , 5 1 i 。利用大型有限元分析软件求解问题时，应该注意合理、统一地处 理各利i 约束条件和各类荷载，以建立合理的有限元模型及提高计算结桑的准确 性使计算结果接近于真实解，否则将得出错误的结果。 但在实际工程应用中，无论是建设新型桥梁、超高层建筑结构，还是航空、 航天的上程结构，都要进行非规范设计的工作，这时往往是将光弹性实验和有 限元讣算相结合来解决实际问题1 2 3 , 2 4 。光弹性实验直观性较强，尤其对应力集 中区域，其边界应力的实验值较为可靠。此外，并可应用光弹性实验结果检查 有限几分析建模的可靠性。但光弹性实验费时、费力、费人。而与光弹性实验 相比，有限元计算则速度快、耗资少，并且可以模拟各种危险工况，为工程结 构设计优化提供了更为快捷、简便的方法。因此，要充分发挥实验和计算两者 各自的优点，相互取长补短，为工程结构的非规范设计工作提供有力的依掘。 实验力学与计算力学在工程结构设计的关系见图1 1 所示。 幽1 1实验力学与汁算力学在f 稃结构设计的关系 1 2 刚构连续梁桥的特点 预应力混凝土刚构连续梁桥是六十年代在预应力混凝土连续梁和t 型刚构 4 第一章绪论 对一座跨越珠江特大型桥梁崖i 、 大桥的主桥斜拉索塔上锚固区、0 号块以 及主墩防撞设施等进行有限元计算分析，总体评价了受力方案的可行性。郭健、 刘世忠等 矧对一大跨度预应力混凝上斜腿刚构桥进行了空f 日j 三维板壳有限j 计算，着重列梁与斜腿相交处的复杂应力状态进行了分析，对同类型桥梁的设 计具有重要的参考价值。 总之，有限元分析是许多结构包括桥梁结构进行数值计算最常用的方法之 82 45 。”i ，利用大型有限元分析软件求解问题刚，应该注意合理、统一地处 理各种约束条件和各类荷载，以建立合理的有限元模型及提高计算结栗的准确 性，使汁算结果接近于真实解，否则将得出错误的结果。 但在实际工程应用中，无论足建设新型桥梁、超高层建筑结构，还是航空、 航天的工程结构，都要进行非规范设计的t 作，这时往往是将光弹性实验和有 限元讣算相结合来解决实际问题| 2 3 , 2 4 】。光弹性实验直观性较强尤其对应力集 中区域，其边界应力的实验值较为可靠。i = l ：9 1 - ，并可应用光弹性实验结果检查 有限，l 分析建模的可靠陛。但光弹性实验费时、费力、费人。而与光弹性实验 相比，肯限元计算则速度快、耗资少，并且可以模拟各种危险上况，为工程结 构设讣优化提供了更为快捷、简便的方法。因此要充分发挥实验和计算两者 各自的优点，相瓦取长补短，为工稃结构的非规范设计工作提供有力的依抓。 实验力学与计算力学在工程结构设计的关系见图1 1 所示。 幽1 1实验力学与计算力学在l 程结构设计的芙系 12 剐构连续粱桥的特点 预应力混凝土刚构连续梁桥是六十年代在预应力混凝土连续梁和t 型刚构 预应力混凝土刚掏连续梁桥是六十年代在预应力混凝土连续梁祁t 型刚构 天津大学硕士学位论文 基础上发展起来的墩梁固结的一种新型连续梁结构。这种结构既保持了连续梁 无伸缩缝，行车平稳的优点：又保持了t 型刚构桥不设支座，不需转换体系的 优点。它利用高墩的柔度来适应结构由预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化 所引起的位移，能满足特大跨径桥梁的受力要求，故在过去二十年内，刚构连 续梁桥得到了迅速的发展。在1 9 9 8 年挪威建成了主跨3 0 1 m 的斯托尔马桥 ( s t o l m a ) ，而国内1 9 9 6 年建成了主跨2 4 5 m 的黄石长江大桥，1 9 9 7 年建成的虎 门辅航道桥，主跨2 7 0 m ，为当时世界最大跨径。这些大跨径刚构连续梁桥的 设计和施工，大大推动了桥梁结构分析理论的发展。 刚构连续桥梁体系的主要特点是：( 1 ) 构造上一般要求两个以上主墩采用 墩梁固结，要求主墩有一定的柔度，常用在大跨径高墩结构中。( 2 ) 墩梁固结 有利于悬臂施工，同时也可避免更换支座，主梁常选用变截面形式。( 3 ) 在受 力方面上，由于桥墩有一定的柔度，使其所受的弯矩有所减小。( 4 ) 边跨桥墩 较矮，相对刚度较大，为适应上部结构位移的需要，将其做成铰支座。由于墩、 台均可以斜做，因此能较好地满足铁路与道路、河流等斜交时桥下净空的要求。 ( 5 ) 伸缩缝位置在连续梁的两端，可置于桥台处，对于长桥也可设置在铰结处。 随着设计理论的日益完善以及预应力技术和现代化施工方法的发展，刚构连续 梁桥这一新型的桥梁结构，将以其优美的外形和良好的受力状况，在国内外桥 梁工程得到了迅猛的发展。 1 3 墩梁固节点结构应力分析的目的和重要性 刚构连续梁桥与连续梁或t 构体系相比有很多的优点但就其受力状况而 言，却远远较后两者复杂，而墩梁固节点结构是整个刚构连续梁桥中应力最复 杂的部分，是刚构连续梁桥的关键部位，因此，对墩梁固节点进行应力分析而 开展的研究工作是具有现实意义的。 本文以铁路跨江某特大桥为工程实例，该桥主桥部分采用6 0 m + 9 6 m + 6 0 m 三跨预应力混凝土刚构连续梁桥，跨径在国内虽然不处于领先地位，但由于其 处于严寒地区，温差很大，气候条件、地理位置以及长联、低桥等特点，其综 合技术水平在国内同类铁路桥梁中有所创新。这些均使得本文所开展的研究工 作都具有实际重大的意义。对刚构连续粱桥墩梁固节点结构进行综合应力分 析，目的在于为固节点结构的优化设计提供重要的根据，并为全桥的按期施工 起到了积极的推动作用。 s 第一章绪论 在桥梁设计的结构分析时，通常是将桥梁建成个平面杆系计算模型，用 平面杆系有限元法作内力计算、配筋计算和其它验算，这样进行分析，基本上 符合或接近于实际情况的。但对固节点而言，差异很大，这是由于固节点结构 的特殊结构形状和复杂的边界条件，使得其处于复杂的三维应力状态下，故不 能用简单的平面梁理论来分析其应力状态。 鉴于此，本文在对墩梁固节点结构进行了空间应力分析时，考虑到以下几 点： ( 1 ) 用三维有限元对固节点结构进行分析时，计算模型要精确、完善，能 反映出结构复杂的几何形状。因此，先利用s o l i d w o r k s 软件建立墩梁固节点结 构模型，再引入到a n s y s 中进行有限元计算。为保证足够的计算精度，网格 划分要细密。 f 2 ) 对墩梁固节点结构在最不利载荷组合下的应力计算，通过计算的应力 结果，一方面可以验证和分析原设计的可靠性和合理性，另一方面可为固节点 结构的优化设计提供依据。 ( 3 ) 对墩梁固节点不同结构型式在各种不利载荷组合下的应力计算结果分 析，确定了最佳的构型，同时也为进一步优化设计及改进施工方法提供了依据。 1 4 本文的主要工作 本文根据设计部门所提出的要求，对刚构连续梁桥墩梁固节点结构，制作 了光弹性模型，应用冻结应力切片法进行了三维光弹性实验应力分析，并且对 墩梁固节点实际结构进行了三维有限元分析。 1 4 1光弹性实验的主要内容 三维光弹性应力分析主要内容包括如下： ( 1 ) 对应两种载荷下，墩梁固节点结构主要纵向截面的边界应力分布。 ( 2 ) 对应两种载荷下，墩梁固节点结构主要横向截面的边界应力分布。 ( 3 ) 对应两种载荷下，结构纵横切片的主应力迹线。 在实验数据测试与采集时，本文利用了数字图像处理技术对光弹性条纹图 像进行了处理。主要包括条纹图倍增技术和等倾线提取技术。利用光弹性明暗 场两幅图实现等差线条纹图倍增。用数字模拟技术验证了可利用三角函数法实 天津大学硕士学位论文 现了单幅条纹图像条纹的三倍倍增。在等倾线的提取方面，利用图像相除法实 现了等倾线条纹与等差线条纹的分离。利用两幅不同参数的等倾线条纹图实现 了等倾线条纹的细化和倍增。利用对数相减法是对参数为0 a 0 两幅等倾线条 纹图处理，消除了等差线，且使得等倾线也得到了细化，便于等倾线中心线的 提取。在等倾线条纹中心线即骨架线提取上，利用了一种实用图像处理技术 扶度极值结合曲线拟合法，提高了中心线提取的速度和准确度。 1 42 有限元分析的主要内容 有限元分析的主要内容有： ( 1 ) 墩梁固节点结构在1 1 种载荷工况下的变形和应力分布情况。 ( 2 ) 将固节点结构在对应两种载荷下，主要纵向、横向截面的边界应力分 布与光弹性实验结果作了比较分析。 ( 3 ) 指出危险区和最大应力点的位置。 通过实验与数值分析相结合的手段，为墩梁固节点结构的优化设计和施工 工艺提供了重要的依据。 7 第二章墩梁固节点光弹性模型的设计与制作 2 1 光弹性模型的制作 根据设计单位的要求，考虑刚构连续梁桥的结构及其受载特点，选取墩梁 固节点结构制作三维光弹性模型。考虑到实验加载和应力冻结设备的限制，且 为提高光弹性数据的测试精度，尽量制作了比较大尺寸的光弹性模型。在此选 取光弹性模型与实际结构的尺寸比为1 ：7 5 。墩梁固节点实际结构尺寸见图2 1 所示。 卜 i ；* 十女l 糕 可r 商一 第二章墩粱固节点光弹性模型的设计与制作 半卜一i c l l 0 0 ) i 暑 嗣剐4 0 ，4 0 上一 厂 耳 司 副 可， i 一 l 1 帛 局 嗣 吊 。4 0 _ 4 0 _ 蜀同 吲 ( 6 ) j i+ i ， 、 t n 疆= 。 ，_ ， l 丙扩一 。 i _ j l m c 5 0 i皓 柏t n 、 c 4 0 q l - ，1 图2 1墩梁同节点实际结构形状和尺寸 9 天津大学硕士学位论文 光弹性模型采用光学灵敏的环氧树脂材料制作。由结构图2 1 可以看出， 墩梁固节点结构形状比较复杂，并采用箱型结构。由于有内部孔腔，无法用机 械加工方法加工模型内部，故采用蜡芯模具精密浇铸光弹性模型内腔，制作蜡 芯步骤如下l lj ： ( 1 ) 用白铁片( 厚度为0 3 o 7 毫米) 锡焊制成一个长方形盒予，并在盒子中 央固定一个木条，以便于蜡芯的定位和蜡芯的机加工定位。 ( 2 ) 将蜡料熔化后倒入长方形铁皮盒中。蜡料配比为地蜡：硬脂酸：石蜡 = 6 0 ：3 0 ：1 0 ( 按重量比) 。 ( 3 ) 待其冷却硬化后，焊开铁皮盒，取出蜡芯。 ( 4 ) 按蜡芯尺寸，进行机加工。为保证蜡芯的尺寸精度，本实验制作了一 对有定位销的钢质靠模板，将蜡芯夹在靠模板中，这样就使得加工时易于掌握 尺寸的精度，并能防止机加工时夹坏蜡芯。 f 5 ) 经过机加工后的蜡芯表面上沾有油污，须经脱脂处理。将蜡芯放在 3 0 c 4 0 。c 的肥皂水中清洗后，再用清水洗净。蜡芯经脱脂处理后，可以增强 脱模剂的挂涂性。 经过以上步骤，制作出符合本次实验要求的蜡芯，见图2 2 所示。用这种 蜡芯浇铸成的模型内腔，其尺寸精度一般可控制在1 5 2 o 以内，且由于蜡 芯的刚度较小，故模型材料的铸造应力较小。 图2 - 2 实验中的蜡芯 图2 - 3 实验中的木模 光弹性阴模使用质地坚硬且易于加工成型的木材制成，见图2 3 所示。在 一1 0 - 第二章墩粱固节点光弹性模型的设计与制作 制作阴模时，考虑到加工方便，留有加工余量。外模使用薄铁皮制成，表面涂 蜡料作为脱膜剂。为了提高光弹性模型内腔的光洁度，在蜡芯的表面上涂以室 温硫化硅橡胶作为脱模剂。 2 2 光弹性模型的浇铸与固化工艺 制作光弹性模型的材料用6 1 0 14 环氧树脂，固化剂为分析纯顺丁烯二酸酐， 增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯，它们按重量的配比为 6 1 0 14 环氧树脂：顺丁烯二酸酐：邻苯二甲酸二丁酯= 1 0 0 ：3 5 ：5 。 在浇铸时，先将要浇铸的环氧树脂放于烘箱，将温度调至1 3 0 。c ，恒温静 置2 小时，使其内部的挥发物逸出，并用1 2 0 。铜网过滤去除杂质。然后将过滤 后的环氧树脂再放于烘箱内，预热至6 5 。 将顺丁烯二酸酐放入7 04 c 水浴中熔化，然后用铜网滤掉杂质，并预热至 6 5 。 在温度为6 5 的环氧树脂中，按比例先倒入邻苯二甲酸二丁酯，用搅拌器 搅拌1 5 分钟，然后倒入顺丁烯二酸酐继续搅拌，总的搅拌时间为3 个小时。 搅拌时，盛放混合液的容器放在油浴中恒温，油毓下放电炉加热，将温度控制 在5 5 6 0 左右。充分搅拌后将混合液放入5 0 。c 的烘箱内，静置1 小时， 以排除混合液内部的气泡。 将混合液通过塑料管徐徐地注入经过充分预热的模具中，注意控制混合液 的流量和速度，在浇铸过程将模具倾斜放置，并左右摇动模具，以利于气泡的 排出。 固化工艺采用二次固化法，其固化温度曲线见图2 - 4 所示。一次固化后， 将光弹性模型的毛坯从模具中取出，这时材料处于胶凝状态，材料虽有弹性， 但其固化作用还没有充分完成，所以进行第二次升温固化，以保证模型材料具 有较稳定的光学和力学性能。在进行二次固化时，将光弹性模型平放在干净的 玻璃上，其间涂一薄层硅油或机油，上面蒙一张轻质软纸以防灰尘。由于在第 二次固化时，光弹性模型可在没有外界约束的情况下进行收缩，同时第二次固 化又相当于一个退火过程，所以模型浇铸初应力大为减小。 天津大学硕士学位论文 图2 4 二次固化温度曲线 时间( 小时) 为消除铸造应力和加工应力，光弹性模型机械加工成形后再放入烘箱进行 退火，其退火温度曲线见图2 5 所示。 图2 - 5 退火温度曲线 2 3 光弹性模型的机械加工 时间( 小时) 为了保证光弹性模型尺寸和形状的精确性，对浇铸出的光弹性模型毛坯在 铣床进行加工。环氧树脂材料的传热性能差，在加工过程中产生的切削热不易 散失。在加工时要使用机油冷却。环氧树脂虽属于塑料一类，但其性质脆、易 1 2 第二章墩粱同节点光弹性模型的设计与制作 崩裂，进刀时应慢，且在走刀过程中转速要适中。加工好的光弹性模型见图2 - 6 所示。 ( a )光弹性模型侧视( b ) 光弹性模型正视 图2 - 6 光弹性模型 2 4 光弹性模型浇铸时注意事项 在浇铸时，应使云雾、边缘时效和初始应力尽可能地小，以保证实验测试 数据的精度”。 1 云雾的消除方法 “云雾”是指光弹性材料在偏振光场中出现类似烟雾、水纹或云彩那样杂 乱无章、明暗相间的亮线或斑点。严重的“云雾”会使条纹发生锯齿状的错动。 它的成因，归结起来有以下几点： ( 1 ) 由工艺掌握不好而造成：在搅拌过程中搅拌时间短，拌和不均匀。或 加入了过量的固化剂。 ( 2 ) 由化学因素造成：浇铸所用的环氧树脂分子大小不均匀，除含有挥发 物外，还含有其它机械杂质。分析纯顺丁烯二酸酐含有其它部溶杂质或聚合物。 消除云雾的几项措施； f 1 ) 往混合物料中添加少量羚基的高分子物质。 ( 2 ) 充分的搅拌时间。 ( 3 ) 保证充分的聚合，并在聚合的全部过程中，务必使光弹性模型尽可能 】3 ， 天津大学硕士学位论文 地处于不受约束状态。 2 初应力的消除 初应力是材料在固化过程中由于不合理的浇铸工艺所造成的应力。为了减 小模型中的初应力，采用4 0 c 5 0 。c 的第一固化温度。当光弹性模型初胶凝后， 从模具中取出模型，使模型在不受约束情况下进行第二次固化。二次固化时的 时间和温度不宣过长、过高，且应保证材料各点的温度均匀，以防止产生温度 应力。在在固化过程中应严格控制材料的温度，防止超温现象发生。 3 边缘时效的消除 光弹性试件加工后，在无载荷作用下，随着时间的增长，在边缘上产生等 差线效应的现象称为时间边缘效应。环氧树脂材料的时效与环境的相对湿度、 固化剂种类及残存在材料中未起反应的固化剂量有关。为减小边缘时效，宜选 用适量的固化剂，使时效达到最小，且又保证了材料的力学性能。根据经验选 用的比例是环氧树脂：顺丁烯二酸酐= 1 0 0 ：3 5 ( 按重量比) 。 1 4 第三章实验加载装置及应力冻结 3 1结构承载情况及边界条件模拟 墩梁固节点实际结构的承载状况见图3 - 1 所示，实验加载工况共两种，见 表3 - 1 所示。 表3 - 1 墩梁i 铜节点结构的加载r 况 左侧梁截面右侧梁截面 均布荷载 荷载 q 1 乙1a 2l 2 组合 n 1 ( t )q 1 ( t )m 1 ( t m )n 2 ( t )q 2 ( t )m 2 ( t m 、 ( t m )( m )( t m )( m ) f 1 8 7 52 4 6 8 0- 3 4 2 5 6 04 9 51 6 2 3 0- 2 4 7 0 6 91 8291 89 1 1 1 0 9717 0 7 32 8 7 8 6 7- 】7 52 4 2 0 2- 3 1 0 1 l91 89 1 8 5 9 0 1 q 1q 2 l 上山也j ，j ，山山七j ，山山j ，山、 1 卜 ll f = = =7 | 七髟 1 ? 互 1 11 图示方向为正方向单位：吨、吨米、吨米 幽3 1墩桨同肖点实际结构的承载状况 15 、，2 一 m 十跎 峰 陋 天津大学硕士学位论文 通过有限元分析和光弹性材料的承载能力，选取模型与实物的载荷比为1 ：4 x 1 0 5 。 实际结构中，双臂墩底部为固定端，在实验中，用7 0 4 快速粘接剂将模型 底部粘在环氧树脂平板上，再将环氧树脂平板与钢板固定，用以模拟固定端边 界条件，这样就限制了实际结构沿z 轴方向的位移。 3 2 加载方案及应力冻结 在光弹性实验中，准确施加载荷将直接关系到实验结果的精度。因此，精 心设计适当的加载装置是十分重要的。 争 j ( 6 ) j 争 图3 - 2 轴力n 和弯矩m 的加载 墩梁固节点结构光弹性模型左、有端截面分别承受轴力n 、剪力q 和弯矩 m ，见图3 - 2 ( 口) 所示。而截面上的弯矩m 可以用两个力组成的力偶p a = m 来 代替，见图3 - 2 ( b ) 所示。作用于截面上的轴力n 和弯矩m = p a 可以用偏心力n 来代替，见图3 - 2 ( c ) 所示，偏心距d 满足 d ：丝 1 6 ( 3 - 1 ) 第三章光弹性实验加载装置及应力冻结 实际加载时，将偏心力n 分解成p l 和p 2 ，两个力到形心的距离为e ，见图 3 2 所示。此时p l 和p 2 应满足 i 置一最= n k p + 忍e = m ( 3 之) 根据上述方法，将轴力n 和弯矩m 先进行合成，然后分解，得到墩粱固 节点光弹性模型在工况i i 作用下的实验载荷见图3 3 所示。墩的下部是固定端 约束。 ( q 1 ) m = o 0 4 0 5 磁( q 2 ) m = 0 4 1 6 3r g 图3 - 3工况i i 作用下模型实验载荷大小及约束条件 墩梁固节点梁结构左、右端截面所承受剪力q ，轴力n 和弯矩m ，这些载 荷通过滑轮精确导向施加的。 对于桥面上的载荷是按分布在桥面上的面分布载荷来考虑。当光弹性模型 承载后产生变形，梁上表面变为曲面，为保证面载荷真实地加在曲面上。实验 中用直径为1 毫米的钢珠作为载荷小单元。 为了使载荷q 、n 和m 对梁作用的模拟趋近于真实情况，在实验中选用一 对环氧树脂平板，在平板上用铣床加工成与箱型截面相同的深槽，然后将环氧 树脂板与光弹性模型左、右截面粘牢固。载荷q 、n 和m 是通过环氧树脂平板 传递给光弹性模型的，见图3 4 所示。 1 7 天津大学硕士学位论文 图3 - 4 墩梁固节点光弹性模型应力冻结加载状况 墩梁圃节点光弹性模型的应力冻结是在烘箱进行的，模型在烘箱中的加载 状况见图3 - 4 所示。冻结应力的温度高低是根据光弹性材料的热光曲线实验决 定的。光弹性模型冻结应力的温度控制曲线见图3 5 所示。为了确定光弹性材 料的冻结条纹值二，模型冻结应力时，在烘箱中也冻结一个对径受压圆盘，见 图3 - 4 右下角所示。 图3 - 5 应力冻结温度控制曲