大尺寸双肢圆端型钢管混凝土斜拉桥设计与施工关键技术研究

论文摘要

圆形钢管混凝土由于其结构上的对称性,能充分发挥钢管对混凝土的“紧箍”效应,应用最为广泛,国内外关于钢管混凝土的研究也多以圆形钢管混凝土为主。近年来,圆端形钢管混凝土双肢结构开始应用在斜拉桥的主塔结构体系中,关于其受力性能的研究较少,也未形成相关的理论体系。武汉市后湖斜拉桥主塔采用单索面独塔大尺寸圆端形钢管微膨胀混凝土双肢塔柱。其核心混凝土采用C50自密实微膨胀混凝土,采用高抛施工工艺,混凝土强度在50MPa以上,弹性模量在38GPa以上。本文通过数值模拟、应力监控及试验对钢管混凝土结构的选型、微膨胀高强度钢管混凝土的配合比设计、力学性能及高抛工艺、以及在桥梁施工中的关键技术开展了深入系统的研究工作,研究成果为微膨胀高强钢管混凝土材料的设计、制备与应用提供理论依据和技术支撑。本文进行的主要工作和取得的成果有：第一,通过建立不同截面形式(圆端形双肢、圆端形单肢、圆形双肢、矩形)的钢管混凝土塔柱模型,在偏压荷载的作用下综合比较四种截面形式塔柱的最不利应力,发现圆端形双肢塔柱在偏压状况下,应力状况最理想,后湖斜拉桥的主塔中塔柱的选型是合理的。第二,对钢管混凝土进行配合比设计及现场高抛试验,结果表明：本研究确定的C50自密实钢管混凝土的弹性模量大于38.5Gpa,抗压强度大于60Mpa,配合比设计合理,所配制的混凝土完全满足高抛施工工艺的要求；主塔施工完毕后对钢管混凝土密实度的检测结果也表明,钢管内混凝土密实性良好,混凝土与钢管之间无缝隙,达到工程设计要求。第三,介绍了后湖大桥主塔施工中传感器的布置方案、测试仪器和测试工况,根据斜拉桥的施工特点,将测试工况分为轴压受力工况和偏压受力工况,进而分析圆端形钢管混凝土塔柱在不同工况下的受力性能。第四,通过试验研究与数值模拟的方法,确定微膨胀C50圆端形钢管混凝土的应力应变关系,并结合工程实例,在几何和材料双非线性影响下,用泊松比的变化来模拟核心混凝土地微膨胀效应,分析施工中圆端形钢管混凝土双肢柱在轴心受压和偏心受压两种情形下的受力性能,用接触分析法和子模型法来研究钢管与混凝土相互作用以及变截面区节点的应力状况,并考察结构在三轴应力下的最不利应力状态。分析结果表明,在考虑混凝土泊松比变化情况下,逐步改变核心混凝土泊松比,与不考虑混凝土泊松比变化的情况相比较,可使极限承载力比不考虑混凝土泊松比变化时的计算值高,体现了钢管对核心混凝土的套箍作用；这种结构在轴心受压时,应力变化很小；在承受偏心荷载时,应力增幅较大,且能充分利用其结构形式上的特点；运用接触分析法和子模型法分别对圆端形钢管混凝土双肢柱及变截面区作了精确的受力分析,得到圆端形钢管混凝土塔柱在轴压和偏压荷载作用下的应力变化规律,找到结构在三轴应力下的最不利应力状态,将理论计算所得的数据与实测数据进行比较,结果表明理论值和实测值吻合较好,表明有限元分析选用的单元、材料以及各种参数是合理的,可以完全反映塔柱在施工阶段的受力性能,为桥梁的施工以及监控工作提供参考依据。第五,对圆端形钢管混凝土斜拉桥梁进行了动力特性研究,结果显示桥梁在成桥运营的动力特性正常,结构稳定。后湖斜拉桥采用单索面非对称独塔圆端形钢管微膨胀混凝土双肢塔柱,结构设计选型新颖,是一种创新型结构形式；通过截面形式的选型、配合比设计、应力监测和数值模拟,找到了圆端形钢管混凝土在轴压和偏压荷载作用下的应力变化规律及结构的最不利应力状态,并根据实测和理论分析结果对该类构件的设计提出了有益建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 钢管混凝土
• 1.1.1 钢管混凝土的特点
• 1.2 CFST的现状研究
• 1.3 钢管混凝土膨胀性能设计与膨胀材料制备
• 1.3.1 钢管混凝土的收缩特性
• 1.3.2 受限条件下的混凝土膨胀模型
• 1.3.3 高能延迟膨胀组分设计原则
• 1.3.4 膨胀反应与膨胀组成设计
• 1.3.5 高能复合膨胀材料制备
• 1.3.6 高能复合膨胀材料性能
• 1.4 封闭环境的自养护-供水机制与释水因子技术
• 1.4.1 "释水因子"功能原理
• 1.4.2 "释水因子"应用技术
• 1.5 适用于钢管混凝土的缓凝保塑高效减水剂的研制
• 1.5.1 钢管高强膨胀混凝土工作性能分析
• 1.5.2 高效复合减水剂的组成设计
• 1.5.3 使用性能效果
• 1.6 后湖斜拉桥概况
• 1.7 课题的研究目的及意义
• 1.7.1 课题来源
• 1.7.2 研究意义
• 1.8 主要研究内容
• 第2章 斜拉桥主塔塔柱设计和施工选型
• 2.1 截面的选型及选型原则
• 2.1.1 选型原则
• 2.1.2 截面选型
• 2.2 CFST塔柱的有限元模型
• 2.3 偏压荷载下受力力学性能分析对比
• 2.3.1 有限元计算结果
• 2.3.2 计算结果对比分析
• 2.4 小结
• 第3章 钢管混凝土配合比设计及高抛工艺研究
• 3.1 钢管混凝土技术性能要求
• 3.2 混凝土膨胀精细控制技术及C50自密实微膨胀混凝土的制备
• 3.2.1 混凝土膨胀精细控制技术
• 3.2.2 C50自密实钢管微膨胀混凝土的制备及其性能
• 3.3 混凝土高抛施工试验及工程应用
• 3.3.1 实验室模拟
• 3.3.2 工地模拟试验
• 3.3.3 混凝土高抛施工工程应用
• 3.4 小结
• 第4章 圆端形钢管混凝土塔柱应力监测与分析
• 4.1 圆端形CFST主塔塔柱概况
• 4.2 应力监测试验
• 4.2.1 应力监测试验简介
• 4.3 应力监测目的
• 4.4 应力测点布置方案
• 4.4.1 测点布置原则
• 4.4.2 测点布置
• 4.5 应力监测
• 4.5.1 测试元件和仪器
• 4.5.2 测试工况
• 4.6 应力监测数据分析
• 4.6.1 轴压工况监测数据分析
• 4.6.2 偏压工况监测数据分析
• 4.7 小结
• 第5章 圆端形钢管混凝土双肢塔柱非线性数值分析
• 5.1 圆端型钢管混凝土的力学性能
• 5.1.1 三轴混凝土本构关系
• 5.1.2 微膨胀高强度CFST本构关系
• 5.2 有限元分析
• 5.2.1 计算假定
• 5.2.2 单元类型
• 5.2.3 实常数取值
• 5.2.4 边界条件
• 5.2.5 计算工况
• 5.2.6 计算模型
• 5.3 有限元模拟结果分析
• 5.3.1 计算结果
• 5.3.2 计算应力变化曲线
• 5.3.3 应力云图
• 5.4 应力监测试验与数值模拟结果对比
• 5.5 肢塔柱钢管-混凝土相互作用有限元接触分析
• 5.6 接触分析有限元模型
• 5.6.1 单元类型
• 5.6.2 实常数取值
• 5.6.3 接触分析有限元建模
• 5.7 接触分析计算数据
• 5.8 接触分析结果与实测结果对比
• 5.8.1 钢管混凝土塔柱区底部截面实测-计算对比曲线
• 5.8.2 钢管混凝土塔柱区中部截面实测-计算对比曲线
• 5.8.3 钢管-混凝土相互作用分析
• 5.9 子模型方法细部分析节点处应力
• 5.10 子模型法有限元建模过程
• 5.10.1 验证切割边界插值
• 5.11 数值模拟及其与监测数据对比分析
• 5.11.1 子模型计算数据
• 5.11.2 计算数据与实测数据对比曲
• 5.11.3 计算结果分析
• 5.12 泊松比的变化对混凝土应力的影响
• 5.13 小结
• 第6章 圆端型钢管混凝土双肢柱斜拉桥模态分析和试验研究
• 6.1 基本理论
• 6.2 主桥计算结构模态参数
• 6.3 主桥动力特性
• 6.3.1 模态分析
• 6.3.2 无障碍行车试验
• 6.3.3 有障碍行车试验
• 6.4 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参与的项目