混合梁斜拉桥结合段的力学特性研究

论文摘要

混合梁斜拉桥的概念在20世纪60年代提出后,因其独特的技术特点,显示出了较强大的生命力。在大约40年的发展过程中,国内外陆续建造了20余座,尤其是在近10年间,其建桥数量、建设规模、跨度规模等的发展均引人注目。但至今,人们对混合梁斜拉桥的关键技术——结合段,还缺乏系统分析研究。本文以舟山桃夭门大桥(混合梁斜拉桥)为工程背景,分别用计算机有限元分析、模型试验、施工控制以及实测运营阶段的受力状态等一系列方法,对混合梁斜拉桥结合段的受力情况、传力途径、刚度匹配以及可靠性等重要问题进行了深入系统研究。本文首先简要回顾了混合梁斜拉桥的发展历程,分析了其构造特点及适应范围,较系统地总结了结合段的构造类型与特点、结合段位置的选择与力的传递机理,并介绍了钢与混凝土构造连接的新方法。采用有限单元分析方法对实桥结合段进行的模拟计算,分析了结合段两种不同材料的主梁刚度匹配对其整体传力的影响。首先建立实桥结合段模型,然后在此基础上从改变混凝土填充量和改变钢梁加劲肋尺寸两个方面来建立另外五个模型。通过对此六个模型在同样荷载工况下的计算结果进行比较与分析,得出此结合段最佳的刚度匹配形式。最后对优化后的结合段在1.7倍最不利荷载组合下的安全系数进行验证,并分析其结合部位临近区域应力分布与抗裂性能。混合梁结合段设置的剪力钉,对两种不同材料间的粘结起着非常重要的作用。本文采用有限单元法、结合大比例节段模型试验中剪力钉布置情况,分析了剪力钉的受力机理、力的传递与分布规律。经对三种不同受力状态进行对比分析后认为：接触分析最接近实际、受力合理。在此基础上按1.7倍最不利荷载组合,分析了剪力钉受力的纵、横向分布情况、分析了钢与混凝土结合面上(底板、顶板、腹板)的滑移情况,所得到的规律可供类似设计参考。为了解剪力钉的受力状态,专门制作了9个单钉推出试验试件,通过试验得到了剪力钉单钉推出试验荷载与剪力的关系。模型试验可清晰、直观地展示结构从受载直到破坏的全过程。因此,成为验证结构设计、研究结构受力状态的重要手段之一。本文结合桃夭门大桥,采用相似理论进行了大比例节段模型试验研究。试验时分别按0.5、0.7、1.0、1.2、1.4、1.7倍设计荷载组合进行加载,分析了不同砹计荷载组合情况下混合段各测试断面各测点的应变值,重点分析了1.7倍最不利荷载组合情况下的受力状态。通过对试验结果的分析,得到了各工况截面正应力分布、截而抗裂性、截面剪滞效应、U肋受力状况、应力的纵向传递、剪应力分布规律等有价值的测试结果。本文在简要总结斜拉桥施工控制方法的基础上,结合混合梁斜拉桥的特点,提出了分类最小偏差控制的控制方法,使大桥顺利合龙,合龙精度高,并在成桥两年后又对斜拉索索力进行了测试,了解了斜拉索索力经时变化情况,对指导斜拉桥索力设计和索力的长期观测有参考意义。运营阶段受力状态试验研究是检验大桥建设质量的有效手段之一。此阶段重点研究了结合段的应力、应变变化规律、结构动力特性等。试验研究表明,混合梁结合段在成桥运营阶段有较大的安全度,可保证桥梁正常运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 混合梁设计思路的由来
• 1.2 混合梁斜拉桥的发展历程
• 1.3 混合梁斜拉桥的构造特点及适应范围
• 1.3.1 构造特点
• 1.3.2 适应范围
• 1.4 本文研究课题的背景及研究内容
• 第二章 混合梁斜拉桥结合段的构造与设计
• 2.1 混合梁斜拉桥结合段的构造
• 2.1.1 构造类型
• 2.1.2 不同构造的特性比较
• 2.2 混合梁斜拉桥结合段的设计
• 2.2.1 结合段位置的选择
• 2.2.2 结合段力的传递机理
• 2.3 本章小结
• 2.3.1 结合段构造比选
• 2.3.2 结合段设计要点
• 2.3.3 钢—混凝土构件连接新方法
• 第三章 混合梁结合段刚度匹配的研究
• 3.1 工程概况
• 3.2 刚度匹配研究的意义及实现途径
• 3.3 结合段空间有限元计算模型的建立
• 3.3.1 建模方法
• 3.3.2 空间有限元模型的单元类型
• 3.3.3 空间有限元模型的材料特性
• 3.3.4 空间有限元模型边界条件
• 3.4 有限元计算结果分析与比较
• 3.4.1 各工况六个模型截面正应力比较
• 3.4.2 模型1和模型6纵向应力传递的比较
• 3.4.3 模型6在1.7倍荷载工况下结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 混合梁结合段剪力钉力的传递与分布理论分析
• 4.1 建模方法
• 4.2 极端状态下剪力钉的应力分析
• 4.2.1 钢与混凝土连接面位移连续下剪力钉受力分析
• 4.2.2 钢与混凝土连接面脱开下剪力钉受力分析
• 4.3 接触分析
• 4.3.1 接触分析概述
• 4.3.2 剪力钉纵、横向分布规律
• 4.3.3 钢与混凝土连接面上滑移量分析
• 4.4 1.7倍荷载下结合段剪力钉的受力分析
• 4.4.1 在1.7倍最大弯矩组合荷载作用下剪力钉受力情况计算
• 4.4.2 剪力钉推出试验及结果分析
• 4.4.3 节段模型试验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 混合梁结合段模型试验研究
• 5.1 模型设计及制造
• 5.1.1 模型箱梁设计
• 5.1.2 剪力钉设计
• 5.1.3 预应力钢绞线设计
• 5.1.4 支座及加载架设计
• 5.1.5 模型制造
• 5.2 模型试验
• 5.2.1 试验目的及内容
• 5.2.2 试验荷载及试验步骤
• 5.2.3 测点布置
• 5.2.4 测试仪器
• 5.3 试验结果
• 5.4 试验结果分析
• 5.4.1 各工况截面正应力分布
• 5.4.2 截面抗裂性分析
• 5.4.3 截面剪滞效应
• 5.4.4 U肋受力状况分析
• 5.4.5 应力的纵向传递
• 5.4.6 剪应力分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 混合梁结合段施工阶段受力状态的控制研究
• 6.1 混合梁斜拉桥施工控制特点
• 6.1.1 施工控制目标的特点
• 6.1.2 施工控制调整手段局限性特点
• 6.1.3 温度效应显著性特点
• 6.1.4 钢—混结合段的内力及变形控制
• 6.2 施工控制测试体系
• 6.2.1 现场测试
• 6.2.2 实时测试
• 6.3 施工控制仿真计算
• 6.3.1 计算模型
• 6.3.2 成桥状态的确定
• 6.3.3 施工状态的确定
• 6.3.4 非线性的考虑
• 6.3.5 斜拉索下料长度的计算
• 6.3.6 施工过程中钢—混结合段内力分析
• 6.3.7 温度效应分析
• 6.3.8 特殊施工阶段计算
• 6.4 分类最小偏差控制及调整方法
• 6.4.1 施工偏差分析与合理控制的基本要求
• 6.4.2 斜拉桥施工控制理论的分类
• 6.4.3 分类最小偏差施工控制思路的提出
• 6.4.4 桃夭门大桥分类最小偏差控制的实施
• 6.5 合龙技术
• 6.5.1 合龙时机的确定的原则
• 6.5.2 合龙方案
• 6.5.3 合龙长度的确定
• 6.5.4 合龙精度
• 6.6 合龙后索力优化调整
• 6.6.1 索力调整量的确定
• 6.6.2 张拉拔出量的计算
• 6.6.3 索力调整后实测值与计算值比较
• 6.7 结合段应力实测值与理论计算值的比较
• 6.8 斜拉索索力的经时变化分析
• 6.9 本章小结
• 第七章 混合梁结合段运营阶段受力状态试验研究
• 7.1 静载试验
• 7.1.1 试验荷载
• 7.1.2 测试内容和测点布置
• 7.1.3 静力加载试验结果和分析
• 7.2 动载试验
• 7.2.1 桥梁自振特性测定
• 7.2.2 车载试验
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文、著作、获奖情况