基于多元温度场的简支梁桥自振频率研究

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随着我国基础设施建设的大力开展,桥梁工程也有了飞跃式的大跨越。但在许多已建成的桥梁结构中出现了较大裂缝,引起了科研人员及工程界人士的广泛关注。研究表明,桥梁所处的自然环境温度场所引起的温度约束应力是使桥梁结构表面产生裂缝的主要原因,同时温度场还导致桥梁的自振频率发生改变。分析温度对桥梁产生的温度效应,及温度对自振频率的影响程度具有重要的现实意义。本文从温度场的分布形式出发,对自然环境中产生的三种主要常见的温度场类型(日温差温度场、骤然降温温度场和年温差温度场)进行逐一讨论。对温度场的理论计算方法和工程实际应用的简化计算方法进行了总结。运用ANASYS有限元分析软件建立简支梁模型,在模型中模拟实际温度场的效果,模型分析结果与规范中的分布形式一致,得到了较好的模拟结果。接着,本文又对温度应力及其等效温度轴向力和等效温度弯矩进行了定性讨论和定量计算。温度应力实质上就是一种微观或者宏观上的约束应力。如果温度发生变化时,桥梁结构的各种变形可以自由伸缩得以释放,则结构的截面内就不会引起温度应力。由于截面各纤维的相互约束,非线性的温度场在简支梁截面内产生的应力属于温度自应力。温度场产生的实际效果等同于在桥梁的两端施加了等效外荷载,包括等效温度轴向力和等效温度弯矩。本章对不同温度场分布形式下的温度应力进行了实例分析,并给出了温度等效载荷的计算公式。本文还将温度场等效荷载转换成作用在梁两端的轴向偏心力,得到了基于欧拉梁振动原理的简支梁自振频率表达式。分析了温度对简支梁自振频率影响的两大因素——弹性模量变化因素及温度应力的影响因素,并结合算例分别对两种因素对自振频率的影响程度进行讨论。同时结合远达大桥22-23号墩30米简支箱梁实桥,通过上文形成的理论计算方法以及ANSYS建模分析,得出不同温差下桥梁自振频率的变化程度。最后,采用实桥动载试验获得的不同温差情况下的自振频率对数值模拟结果进行了验证,得到如下结论:1.温度变化对简支梁自振频率的影响主要由于混凝土材料的弹性模量在温度变化时发生折减所致。温度应力导致简支梁边界条件发生变化引起的频率变化较小;2.温度对简支梁桥一阶自振频率的影响最大。日照温度场下,当桥梁顶板与底板温差为20℃时,一阶频率理论值较不考虑温度影响时减小4.85%;3.温度升高,桥梁的振动频率也随之减小。
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