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预应力混凝土折线塔斜拉桥力学特性的研究

作　者: 王福春
导　师: 梁力
学　校: 东北大学
专　业: 工程力学
关键词: 斜拉桥折线塔有限元法模型试验力学特性时程分析法
分类号: U448.27
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

预应力混凝土折线塔斜拉桥是一种新型的斜拉桥结构,其结构新颖,造型独特,具有良好的景观效果。沈阳市富民桥是世界上第一座也是至今为止唯一一座预应力混凝土折线塔单索而斜拉桥,其与直塔斜拉桥和斜塔斜拉桥相比,结构的受力和施工方法发生了很大的变化。本文以该桥为工程背景,对桥梁特殊结构的力学特点进行了理论分析,并利用现代有限元数值方法和模型试验方法,对混凝土折线塔斜拉桥的主要力学特性进行了分析研究。斜拉桥的主塔主要承受斜拉索传递的巨大轴力,同时承受一定不平衡荷载下的弯矩。但对于折线塔斜拉桥来说,由于主塔存在折角,在主塔轴线发生变化的折角处巨大的轴向力传递方向发生了变化,因此折角处将产生一较大水平向拉力,导致折线塔塔壁产生面外弯曲,因此国外已建折线塔斜拉桥均采用钢塔来解决折角处的应力集中等问题。本文从分析混凝土折线塔的受力特点出发,通过有限元数值分析和模型试验研究,对混凝土折线塔锚固区、主塔折角等关键部位的力学特性进行了分析研究。对国内外常见斜拉桥合理成桥索力和合理施工索力的优化方法进行了分析研究,比较了各种优化方法的优缺点。根据折线塔斜拉桥的静力平衡特征,给出预应力混凝土折线塔斜拉桥主要构件尺寸的设计方法,进一步采用最小弯曲能量法并结合假载法及内力平衡法来确定混凝土折线塔斜拉桥合理成桥索力。充分考虑到混凝土折线塔施工阶段的受力特点,确定主塔的浇筑顺序,采用最小二乘法对全桥进行正装迭代计算确定拉索初张力。分别采用反应谱法和时程分析法,对同等跨径下的预应力混凝土直塔斜拉桥和预应力混凝土折线塔斜拉桥在支承体系和不对称体系下的抗震性能进行了分析研究。分析结果表明预应力混凝土直塔斜拉桥和预应力混凝土折线塔斜拉桥动力特性基本吻合,主塔造型的改变对斜拉桥的动力特性的影响比较小。不对称体系频率计算值普遍高于支承体系,不对称体系斜拉桥整体刚度大于支承体系,两种体系在地震荷载作用下,塔顶位移和梁端位移相差不大,因此,采用不对称体系可以省去其中一个主塔下造价昂贵的大吨位支座,并且有利于桥梁的日后维修养护工作依据相似理论,结合沈阳市富民桥特点,对全桥施工阶段受力情况进行全过程模拟试验及成桥后荷载试验。实测了施工过程和成桥后在各种荷载作用下主梁及主塔控制截面应力和斜拉索索力。试验结果表明本文提出的预应力混凝土折线塔斜拉桥索力确定方法确定的成桥索力和初张力,能保证折线塔主梁、主塔各控制截面应力均能满足规范要求,且实测索力与理论计算索力吻合较好,可保证桥梁正常运行。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-27
  1.1 折线塔斜拉桥的历史和发展  13-20
    1.1.1 斜拉桥的发展历程  13-15
    1.1.2 折线塔斜拉桥的发展概况  15-20
  1.2 斜拉桥主要力学特性的研究现状  20-22
    1.2.1 斜拉桥主塔力学特性研究现状  20-21
    1.2.2 斜拉桥索力研究现状  21-22
    1.2.3 斜拉桥抗震性能研究现状  22
  1.3 预应力混凝土折线塔斜拉桥主要力学特性的研究现状  22-23
  1.4 本文研究目的及意义  23-25
  1.5 本文主要研究内容  25-27
第2章预应力混凝土折线塔斜拉桥主塔力学特性的研究  27-55
  2.1 预应力混凝土折线塔的受力特点及构造设计  27-30
    2.1.1 预应力混凝土折线塔的受力特点  27-28
    2.1.2 预应力混凝土折线塔断面形式及斜拉索锚固区的构造设计  28-30
  2.2 主塔拉索锚固区应力分析有限元基本理论  30-35
    2.2.1 钢筋混凝土材料的本构关系  30-33
    2.2.2 混凝土的破坏模型  33
    2.2.3 钢筋混凝土结构有限元模型的选择  33-35
  2.3 混凝土折线塔拉索锚固区有限元分析及结果比较分析  35-46
    2.3.1 锚固区节段数值计算模型  35-37
    2.3.2 节段模型试验  37-41
    2.3.3 拉索锚固区有限元计算及模型试验结果分析  41-46
  2.4 混凝土折线塔的整体空间有限元分析  46-52
    2.4.1 空间有限元计算模型的建立  46-49
    2.4.2 主塔整体空间有限元计算结果分析  49-52
  2.5 本章小结  52-55
第3章预应力混凝土折线塔斜拉桥索力确定的研究  55-81
  3.1 概述  55
  3.2 斜拉桥成桥恒载索力的优化方法  55-58
    3.2.1 指定受力状态的索力优化方法  56
    3.2.2 斜拉索力的无约束优化方法  56-57
    3.2.3 斜拉索力的有约束优化方法  57-58
  3.3 斜拉桥合理施工状态斜拉索初张力的确定方法  58-60
    3.3.1 倒拆法  59
    3.3.2 正装—倒拆迭代法  59
    3.3.3 正装迭代法  59-60
  3.4 预应力混凝土折线塔斜拉桥成桥恒载索力确定的研究  60-70
    3.4.1 预应力混凝土折线塔斜拉桥成桥恒载状态静力平衡特征分析  60-65
    3.4.2 预应力混凝土折线塔斜拉桥成桥恒载索力的确定方法  65-70
  3.5 预应力混凝土折线塔斜拉桥合理施工状态斜拉索初张力的确定方法  70-79
    3.5.1 预应力混凝土折线塔斜拉桥施工阶段初张力的确定原则  71-72
    3.5.2 预应力混凝土折线塔斜拉桥施工流程的确定  72-74
    3.5.3 预应力混凝土折线塔斜拉桥施工阶段受力状态仿真计算  74-79
  3.6 本章小结  79-81
第4章预应力混凝土折线塔斜拉桥抗震性能研究  81-113
  4.1 概述  81-82
  4.2 动力特性分析  82-85
    4.2.1 动力分析模型的建立  82-83
    4.2.2 动力特性结果及分析  83-85
  4.3 地震响应反应谱分析  85-93
    4.3.1 反应谱方法及其原理  85-88
    4.3.2 反应谱抗震分析  88-90
    4.3.3 反应谱内力响应结果及分析  90-93
  4.4 地震响应时程分析  93-110
    4.4.1 动力方程的建立  94-95
    4.4.2 增量动力平衡方程及其求解方法  95-97
    4.4.3 地震动输入与调整  97-100
    4.4.4 富民桥动态时程分析  100-110
  4.5 本章小结  110-113
第5章预应力混凝土折线塔斜拉桥力学特性的模型试验研究  113-147
  5.1 相似理论  113-114
  5.2 模型设计及制作  114-125
    5.2.1 箱梁设计  114-118
    5.2.2 斜拉索设计  118
    5.2.3 主塔设计  118
    5.2.4 桥墩及支座设计  118-121
    5.2.5 模型制作及安装  121-122
    5.2.6 加载系统及恒载补偿  122-125
  5.3 模型试验  125-128
    5.3.1 试验目的及内容  125
    5.3.2 试验荷载工况及测试内容  125
    5.3.3 测试系统及测点布置  125-127
    5.3.4 测试仪器  127-128
  5.4 试验结果  128-143
    5.4.1 施工阶段试验结果  130-140
    5.4.2 成桥阶段试验结果  140-143
  5.5 试验结果分析  143-146
    5.5.1 施工阶段试验结果分析  143-144
    5.5.2 成桥后阶段试验结果分析  144-146
  5.6 本章小结  146-147
第6章结论  147-149
参考文献  149-157
致谢  157-159
攻读博士学位期间发表的论文、获奖情况  159-161
作者从事科学研究和学习经历的简历  161

预应力混凝土折线塔斜拉桥力学特性的研究

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