澳门西湾大桥设计的若干关键技术问题研究

论文摘要

西湾大桥是世界首座双层交通预应力混凝土斜拉桥。该桥上层设置双向6车道,下层分阶段设计近期为双向4车道。为了满足交通及台风期间通行等要求,大桥设计采用了无横隔板设计,并在腹板上开设通风、排烟的孔洞。取消横隔板势必引起箱梁抗扭刚度的下降,且不符合国内外技术规范对此类结构的有关规定;腹板开洞将会产生应力集中,有可能引起不安全后果。为了安全、可靠地完成这个新型桥梁结构的设计,本文以有限元法为基础,采用多种大型有限元分析软件对澳门西湾大桥结构体系的各种工况进行了分析研究,研究结果为该大桥顺利建成和运营奠定了基础。本文的主要成果为:1、空间应力分析。基于ANSYS分析平台,用空间杆单元模拟索及预应力筋,分别采用实体单元和板单元两次建模模拟箱梁,建立了两个不同的大桥实体空间分析模型。在此基础上,采用对比计算的方法,分析了该桥在各种工况下的整体结构应力、局部梁段应力和孔口局部应力以及大桥的整体应力和位移。计算结果为大桥整体设计提供了可靠的依据。2、箱梁横向内力分析。由于双层承载,箱形截面需承受较大的荷载。作者采用框架分析法对箱形截面的横向内力进行了分析。计算结果为大桥箱梁的截面设计提供了可靠的依据。3、稳定分析。稳定分析是斜拉桥设计的重要组成部分。基于ANSYS分析平台,,分别采用整体和局部有限元模型,分析了施工、运营2个工作阶段、6种荷载工况及塔、梁相交处不同边界条件下结构的稳定。获得了澳门西湾大桥在预期的荷载作用下结构的整体失稳模式、箱梁局部失稳模式,对塔、梁相交处不同边界条件对其稳定安全系数的影响进行了研究。分析结果为大桥的稳定性控制设计提供了技术参考。4、抗震计算。在动力特性分析基础上,建立了澳门西湾大桥地震运动方程。为准确和全面地掌握该桥的地震响应特性,分别采用板壳单元和空间梁单元对主梁进行建模,先后采用我国公路工程抗震规范指定的反应谱和地震安全评估报告提供的反应谱进行计算。通过结果比较,制定了该桥抗震设计策略。5、抗风计算。通过大桥的静风计算和风动力计算,建立了大桥抖振运动方程;基于ANSYS分析平台,根据模拟的脉动风谱,计算了成桥状态以及施工最大悬臂状态的抖振响应;采用Van der put和Herzog公式估算该桥的弯扭耦合颤振临界风速以及分离流扭转颤振临界风速,验算了大桥的风动力稳定性;对台风期间箱内行车进行了安全性分析。在无现成工程经验可借鉴的情况下,西湾大桥的设计突破了国内外现有规范的若干规定,实现了多项技术上创新。大桥已于2005年1月10日开放通车,一年多的运营状况验证了桥梁设计的可靠性及本文研究成果的有效性。它的建成为世人增添了一个极具个性的建筑精品。本文研究程序也为类似工程的设计提供了有价值的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 立项背景和意义
• 1.2 预应力混凝土斜拉桥的应用现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 西湾大桥总体设计
• 2.1 概述
• 2.2 双层、分幅、共塔承载的预应力混凝土斜拉桥结构的设计
• 2.3 腹板大规模开洞的无横隔板预应力混凝土箱梁结构的设计
• 2.4 其它设计构思
• 3 空间应力分析
• 3.1 空间应力分析的有限单元法
• 3.2 荷载工况及材料参数
• 3.3 分析建模
• 3.4 全桥空间应力计算结果
• 3.5 局部节段模型空间应力计算结果
• 3.6 孔口附近应力计算结果
• 3.7 本章小结
• 4 箱梁横向内力分析
• 4.1 箱梁横向内力
• 4.2 框架分析法
• 4.3 荷载形式与支承情况系数α
• 4.4 横向弯矩分析软件的编制
• 4.5 应用研究——澳门西湾大桥引桥横向内力计算
• 4.6 本章小结
• 5 稳定分析
• 5.1 结构稳定的概念
• 5.2 稳定计算方法
• 5.3 澳门西湾大桥主桥稳定分析
• 5.4 本章小结
• 6 地震响应分析
• 6.1 主梁采用板壳单元模拟
• 6.2 主梁采用空间梁单元模拟
• 6.3 地震响应结果比较与分析
• 6.4 本章小结
• 7 风作用分析
• 7.1 风效应基本参数计算
• 7.2 气动力稳定分析
• 7.3 箱梁内部风场计算分析
• 8 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间的主要成果