英语原文共 10 页
大曲率连续钢箱梁桥受力状态特性试验研究
作者：史俊军，李维涛，郑开凯，杨康康，周光春
哈尔滨工业大学教育部结构动力性能与控制重点实验室，哈尔滨150090，中国土木工程智能预防与缓解重点实验室 哈尔滨工业与信息技术部，哈尔滨工业学院，哈尔滨150090
摘要：本文对一座大曲率连续钢箱梁桥模型的全过程进行了试验研究，基于结构应力状态理论，揭示了其行为特征和未见故障。首先，用广义应变能密度来表示结构的受力状态和相应的特征参数(GSED)。在此基础上，引入Mann-Kendall(M-K)准则，对桥梁模型的结构应力状态跳跃进行了判别，并对其进行了改进，完成了对结构破坏荷载的定义及对结构渐进破坏的启示。此外，本文还提出了强调状态子模式，并对其在结构中的作用进行了评价。最后，通过各子部件的GSED和与整体的比值，对被划分子部件的协调工作性能进行了建模。
关键词：结构受力状态；更新失效荷载；渐进破坏；应力状态；子模态协调工作性能；大曲率连续钢箱梁桥模型。
- 绪论
曲线连续梁桥以其经济、功能上的优势和合理的工作性能而被广泛采用。曲线梁的完整性可追溯到20世纪60年代，然而早期对极限轴承的分析，其分析方法是落后于工程应用的。因此，由于缺乏必要的设计参考，一些功能性事故，如过多的横向位移、主梁或扭转变形过大在过去时有发生，这就促使研究人员对其进行深入的研究。目前，结构工作行为有两个重要的问题引起了研究者的广泛关注：
（1）从力学复杂的角度看，弯梁在竖向荷载作用下不仅要承受弯曲变形，还要承受扭转变形，同时存在剪应力、翘曲应力和扭转变形，在横截面上还存在弯曲法向应力。通常，应力的水平和分布与各种因素有关，如截面的几何形状、弯曲和扭转刚度等。当进入截面弯曲和扭转应力不再保持先前比例的弹塑性阶段时，弯曲梁就会出现，没有了相当复杂的结构应力状态。此外，以往的研究结果表明，曲率对曲线梁受力状态的影响也是显著的。ESPE对于大型梁来说，二阶效应会显著降低结构的极限荷载水平；同时，由于结构的发展，结构扭转刚度的降低程度也会大大减小。塑性及其对横向弯曲扭转的贡献在数量上是很难描述的。因此，很难找到相关控制方程的解析解。
（2）由于高非线性和结构工作特性的巨大变化，结构失效机理一直是至关重要的，但也是复杂的。目前的研究并没有明显地说明当结构开始失去正常稳定的工作状态或进入“失效”状态时，应力会主要集中在最终崩溃状态。此外，目前的极限结构设计的状态一般是半理论和半经验判断。因此，在结构分析和工程实践中，我们希望对结构进行合理的定义。与此同时， “失败”和相应的判别方法将应运而生。
为了解决这两个问题，作者深入研究了1/10比例桥梁模型基础试验数据中所体现的结构受力状态特征。 关于结构受力状态理论，本文用广义应变能密度(GSED)对结构的应力状态进行了建模。然后用一个创新的应用程序，利用Mann-Kendall(M-K)方法对GSED总荷载曲线进行了分析，给出了结构应力状态的飞跃，这一飞跃被证明是先前稳定压力的终结。桥梁的NG状态会导致结构失效的更新定义，并促使生成一种新的区分结构“失效”荷载的标准。此外，我们揭示了两个结构的状态特征：(1)受力状态子模式及其在结构工作过程中的作用；(2)结构渐进破坏行为。最后，提出了协同工作的概念，介绍了各子部件的性能，进一步揭示了结构的失效机理。
-
结构应力状态与M-K准则
- 结构受力状态的概念与GSED曲线
结构的受力状态是指以GSED值、位移、应变和关键点的应力分布模式为特征的结构工作行为。通常用 y，i点的应变能密度e0来表示，其表达式为：
（1）
其中和分别是三个主应力和应变；是第一个应变能密度。参考应变能密度的概念，本文选择了广义(或准)应变能密度(GSED)作为表征应力状态的特征参数。因此，方程（1）简化为：
（2）
其中表示i点的GSED值；表示j点的主应变；为弹性模量。一组关键点的GSED和可以通过：
（3）
其中，表示J组的GSED之和，以此表示子部分的应力状态。此外，采用GSED和的所有组(子部分)来表征结构的应力。在每个加载步骤F中，可以在4.1节中看到曲线能生动地表现出结构的差异应力状态和相应的特征。
-
- M-K准则
为了通过曲线来区分结构的应力状态跳跃，本文采用Mann-Kendall(M-K)方法，因为它是目前应用广泛的一种趋势分析工具。其要求样本必须服从某些分布或只有少数外部线的干扰。这里，假设的序列(加载步骤i=1，2，hellip;，n)是独立的。实际上，在不同的荷载阶段，结构受力状态中的相关成分和独立成分在一定程度上是共存的。根据圣维南的原则，结构彼此相距较远的乌拉尔组分几乎没有空间相关性或相互影响，因此在实验数据中有相当大的独立性成分(菌株、分散剂、行动等)分散在不同的地点。此外，实验模型中固有的随机性和材料特性在不同的加载步骤中也产生了显著的独立内容。对于大量的模拟数据，作者尝试了同样的M-K程序，但结果并不像相应的实验数据那样令人满意，这是一个辅助证据。此外，从M-K准则的有效性(将在后面讨论)，这一分析方法也可以是鉴于“注重结果”的考虑。因此，通过M-K准则可以近似地检测到结构工作行为的突变。然后，一个新的随机变量在加载步骤k处可以由以下表达式得到：
（4）
其中是样本的累积数。“ 1”意味着在满足J步骤比较的右侧不等式的情况下，再增加一个现有值。关于的平均值和方差可由下式计算：
（5）
在序列统计独立的假设下，定义了一个新的统计量：
（6）
因此，所有的数据可以形成一个曲线。对于逆序列，也就是序列进行了类似的处理，其中序列为：
（7）
其中，是样品容量。同样，在k加载步骤中的随机变量被定义为：
（8）
其中是样本的累积数。“ 1”意味着在满足J步骤比较的右侧不等式的情况下，再增加一个现有值。平均值和方差可由下式计算：
（9）
代表序列上升趋势的程度。但当初始序列被反演时，相应的变化趋势应该与原始序列相反。同样，对应于的统计量应该采用相反的符号来表征逆序列的正确趋势。因此，一个新的统计量由下式计算：
（10）
与初始加载步骤对应的统计量可由以下方法计算：
（11）
所有的数据都可以形成曲线。因此，两条曲线和曲线可以在曲线的突变点相交，以此作为判别结构应力状态跳跃的判据。
-
实验桥模型
- 桥梁模型配置
邓对1/10比例的3m、5m、4m和2.6m的大型连续钢箱梁桥模型进行了试验(图1(A)）。桥梁模型在中间轴承上有三个双支座和两个刚性端轴承(图1(A)，图1(B)）显示了以曲率半径和弧光表示的桥梁模型的总体几何形状。作为一个整体的联系，桥梁模型是参照中国规范GB/T 700焊接A-3薄板制成的。图1(C)示出了桥梁模型箱形截面的几何形状和尺寸；图2示出了实验桥模型和加载装置的图。
图1.桥梁模型的几何形状(单位：mm)：(A)跨度和支座的布局，(B)纵轴的几何形状，(C)横截面的形状和大小。
图2.实验桥梁模型和加载装置
-
- 测量截面和点
应变记录在中跨横截面C和G，轴承部分E(图3)。此外，挠度测量在跨中，轴承和四分之一截面。如图3所示，机械刻度指示器(毫米)编号从N0到N21。图4(A，B和C)显示了截面上应变和挠度测量点的具体布局。应该强调的是，为简单起见，考虑到机械方面的问题，每个截面只考虑6个典型的关键点，如图4(A,B和C)所示。主应力给定荷载作用下梁的状态模态为弯曲模态和扭转模态。对于弯曲效应，截面上法兰和下法兰贡献最大的转动惯量和作用。而法兰的中间应变和侧应变数据可以很好地表征法兰的弯曲性能。至于扭转行为，离中心较远的点轴向质心对截面扭转阻力的贡献较大。包括四个角点在内的六个应变点可以机械地表示这种应力状态模式。另外，作者还尝试添加一些其他的测量点来模拟结构的受力状态并确定其突变，相应的结果与目前的结果完全相同。作者充分利用有限的试验数据，揭示了结构的受力状态特征。
图3.挠度测量点的布置：N0到N21表示机电表盘的数量；A到J表示有关的跨中、轴承和四分之一横截面的数目。
-
- 加载方案
荷载由两个千斤顶同时施加在带有橡胶支座的i-钢梁上，以在C和G节上施加局部线荷载，如图2所示。由于总垂直变形不明显(不超过40毫米)，挠度对局部线荷载作用的影响可能是有限的。此外，该橡胶具有良好的变形性能，并能适应桥面挠度在一定范围内累积不均匀的竖向位移。因此，可以得出的结论是，橡胶可以承担其责任，以帮助施加均匀分布的线路负荷。另外，这两个插孔不是同步的，不能实时施加负载。当两个千斤顶施加它们的动作时，实验者要保持它们的相对同步，并保证它们在每一个测量时刻都有相同的负载值，方法是对某一周期进行微调和保持负载。由于这是一个静态单调荷载情况，试验结果基本上可以反映桥梁模型的静态工作特性。荷载首先是以一定的增量施加的，在负载水平为每千斤顶100kN后，每千斤顶10kN，然后5kN。
图4.截面应变和挠度测量点的布置和数量：(A)截面C，(B)截面E，(C)截面G。在每个典型的横截面上用小圆圈标记。
-
实验数据分析
- 结构“失效”
在总结了典型截面C、E、G(图3所示位置)关键点的GSED值后，可以得出桥梁模型的结构受力状态特征，并给出参数的表达式：
（12）
其中为第1次典型截面的GSED之和；为J关键点的GSED值。图5说明了当载荷P=130kN时，曲线的跃变是由M-K曲线所区分的。由于加载记录不连续，即只记录了一些离散的加载矩，所以P的确定只是对实际值的估计。p被定义为“失败”，这里的“失败”负载与现有的故障负载表示不同结构的极限承载状态。除另有规定外，本文中使用带引号的“故障”一词默认地表示“更新的故障”。结构破坏概念明确区分了两种不同的结构应力状态：(1)在P之前，结构GSED和在曲线上稳定增长，呈现稳定结构；(2)P之后，结构的GSED和随载荷急剧增加，这意味着结构经过短暂的过渡后进入不稳定状态，虽然极限承载力还没有达到，但与以前的状态不同。因此，曲线生动地体现了该桥的结构受力状态特征。
当桥梁模型在5米跨度(C截面)的中横截面处发生破坏时，它指示了结构控制的位置。因此，C截面的工作特性具有代表性地反映了桥梁模型的“失效”特征：
- 如图6(A)所示，C截面的应变趋势在“失效”载荷P处跳跃，其特征是关键点37的应变突然显著增加。
- 在“破坏”荷载P下，C段的应变分布模式也发生了变化，特别是在“形状”和“增量振幅”方面。它在P之前表现出几乎均匀的形状，而如图7所示，在它发生变化后，关键点37的应变明显增加。
- 研究了C截面不同节点的应变线性关系，揭示了结构在不同加载阶段的应力状态模式，如图8所示。可能是观察到P前后两个关键点的应变几乎呈线性变化，如节点37和27的应变值的相关系数分别为0.99451(P之前)，0.99527(P后)。但如果考虑整个加载过程，相关系数由0kn下降到0kn，反映了结构的飞跃。处理态P=130kN，因此，在P之后，桥梁进入了另一种不同的受力状态。
- 同时，截面C的内、外挠度随载荷的变化曲线也显示了“失效”载荷的突变，如图9(A和B)所示。
图5.和M-K统计曲线：P=130kN是按M-K准则划分的结构“失效”荷载。
图6.应变随荷载的变化趋势：(A)截面C，(B)截面G，(C)支座截面E.P=130kN是结构的“破坏”荷载；P2=150kN是截面破坏荷载(见4.4节）为单轴屈服应变。
因此，当P=13 kN时，C截面的破坏与整个结构的破坏是同步发生的。由此可以推断，C节的失效正是结构“f”的直接原因。
-
- 应力状态子模式
试验建立的桥梁模型在给定的竖向荷载作用下，主要承受弯曲和扭转变形。在这方面，提出了应力状态子模式的概念来分解结构应力状态模式进入弯曲应力状态模式和扭转模式。等式（13）提出了计算实测内部和外侧的截面位移差，来表示扭转应力状态模式的ROR挠度：
（13）
其中，表示J横截面的内部挠度；表示J截面的外部挠度。可以看到横截面在5米跨度的轴承段附近，从内到外扭转，而其他扭转则相反，如图10所示。在每千斤顶70kN的负载水平之前，4m-span的所有截面，从外到内的扭转，而此后中间部分突然相反地扭转，导致关键点79的急剧应变增加(图6(B)）。然而，在每千斤顶70千兆N的稳定应力状态下
资料编号：[5834]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
