钢锚板式钢—混组合索塔锚固体系受力性能理论与试验研究

论文摘要

本文以青岛胶州湾大桥红岛航道桥为背景，结合山东省交通科技项目《斜拉桥索塔新型锚固体系研究》（2009Y24-2），在国、内外创新性地提出了钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系。在收集各种钢-混组合索塔锚固体系构造形式及研究资料的基础上，采用理论分析、足尺节段模型试验的方法对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系的传力机理、承载能力及设计方法进行了研究。采用弹塑性有限元数值方法对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系在对称及单侧索力作用下的传力机理进行了研究。数值模拟采用精细化有限元模型，特别考虑了钢与混凝土间的接触非线性和摩擦力以及普通钢筋的作用。研究得到了对称及单侧索力加载全过程中斜拉索索力传递路径和钢锚板、横隔板、竖隔板、底座、侧板、混凝土、PBL剪力键分别承担的水平力和竖向力的大小与比例；同时还得到了不同位置PBL剪力键所承担的水平力和竖向力分布规律及其穿孔钢筋的有效工作长度。进行了钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系足尺节段模型试验研究，采用与实桥相同的斜向加载方式。试验加载工况包括成桥索力工况、运营索力工况、超载工况和偏载工况，其中超载（对称加载）和偏载工况（单侧加载）均加载至2.2倍成桥恒载索力，加载至最大索力时，结构未达到其极限承载能力，表明钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系具有较高的安全储备；对各工况加载过程中钢锚板应力和位移、混凝土应力、PBL剪力键穿孔钢筋应力进行了测试，将测试结果与有限元数值分析结果进行了对比，结果表明采用本文有限元数值方法可以较好的模拟结构的实际受力状态。对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系的极限承载能力进行了弹塑性有限元数值分析。得到了对称及单侧索力作用下锚固体系的极限荷载及破坏形态，同时得到了锚固体系在加载全过程中的变形、应力以及混凝土裂缝发展规律。进行了对称及单侧索力加载时锚板厚度、横隔板厚度及位置、侧板厚度、竖隔板厚度、PBL剪力键列数及其穿孔钢筋直径等参数变化对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系受力性能的影响分析。结果表明，锚固体系内各构件承担的水平力和竖向力以及其应力大小对锚板厚度、PBL剪力键列数的变化最为敏感；锚固体系对钢锚板厚度变化较为敏感。在上述研究成果的基础上，对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系构造进行了设计优化，对优化后锚固体系的受力情况及传力机理进行了数值分析。结果表明，优化后锚固体系受力安全可靠、传力更为明确，PBL建立键传递的荷载较优化前显著增大。提出了优化后钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系的设计方法。通过分析影响PBL剪力键承载力的主要因素，提出了适用于钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系中PBL剪力键的承载力计算公式；采用弹性理论推导了耳板销铰接触面应力的简化计算方法，可用于钢锚板厚度的设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 斜拉桥索塔锚固体系的主要构造形式分类与应用
• 1.2.1 斜拉索交叉锚固体系
• 1.2.2 平面预应力钢束锚固体系
• 1.2.3 钢锚梁式锚固体系
• 1.2.4 钢锚箱式锚固体系
• 1.3 斜拉桥索塔锚固体系研究现状
• 1.3.1 斜拉桥索塔锚固体系理论研究现状
• 1.3.2 斜拉桥索塔锚固体系试验研究现状
• 1.4 PBL 剪力键承载力研究现状
• 1.4.1 PBL 剪力键工作机理研究现状
• 1.4.2 PBL 剪力键承载力计算理论研究现状
• 1.5 研究存在的问题
• 1.6 主要研究内容
• 第二章 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系传力机理研究
• 2.1 概述
• 2.2 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系有限元模型
• 2.2.1 单元类型
• 2.2.2 材料属性
• 2.2.3 荷载施加与边界条件
• 2.2.4 收敛准则
• 2.3 对称索力作用下钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系水平力传递机理
• 2.3.1 锚固体系水平向受力状态
• 2.3.2 索力水平分力在锚固体系内的传递与分配
• 2.3.3 PBL 剪力键传递的水平力大小及分布
• 2.3.4 水平力沿 PBL 剪力键穿孔钢筋长度方向的分布
• 2.4 对称索力作用下钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系竖向力传递机理
• 2.4.1 锚固体系竖向受力状态
• 2.4.2 索力竖向分力在锚固体系内的传递
• 2.4.3 PBL 剪力键传递的竖向力大小及分布
• 2.4.4 竖向力沿 PBL 剪力键穿孔钢筋长度方向的分布
• 2.5 单侧索力作用下钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系水平力传递机理
• 2.5.1 锚固体系水平向受力状态
• 2.5.2 索力水平分力在锚固体系内的传递
• 2.5.3 PBL 剪力键传递的水平力大小及分布
• 2.5.4 水平力沿 PBL 剪力键穿孔钢筋长度方向的分布
• 2.6 单侧索力作用下锚固体系竖向力传递机理分析
• 2.6.1 锚固体系竖向受力状态
• 2.6.2 索力竖向分力在锚固体系内的传递
• 2.6.3 PBL 剪力键传递的竖向力大小及分布
• 2.6.4 竖向力沿 PBL 剪力键穿孔钢筋长度方向的分布
• 2.7 本章小结
• 第三章 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系足尺节段模型试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系足尺节段试验模型设计
• 3.3 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系足尺节段模型试验方案
• 3.3.1 试验加载方案
• 3.3.2 测点布置、测试内容及测试方法
• 3.3.3 足尺节段模型试验步骤
• 3.4 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系足尺节段模型试验实测结果分析
• 3.4.1 成桥索力工况实测结果与分析
• 3.4.2 超载工况实测结果与分析
• 3.4.3 偏载工况实测结果与分析
• 3.5 足尺节段模型试验与理论计算结果对比分析
• 3.5.1 有限元模型建立
• 3.5.2 钢锚板试验实测结果与理论值对比分析
• 3.5.3 混凝土试验实测结果与理论值对比分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系极限承载能力研究
• 4.1 概述
• 4.2 对称索力作用下索塔锚固体系极限承载力
• 4.2.1 锚固体系位移变化全过程分析
• 4.2.2 锚固体系应力变化全过程分析
• 4.2.3 锚固体系索塔混凝土裂缝开展情况全过程分析
• 4.3 单侧索力作用下索塔锚固体系极限承载力
• 4.3.1 锚固体系位移变化全过程分析
• 4.3.2 锚固体系应力变化全过程分析
• 4.3.3 锚固体系索塔混凝土裂缝开展情况全过程分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 影响钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系受力性能的参数分析
• 5.1 概述
• 5.2 钢结构板件厚度变化对锚固体系受力性能的影响
• 5.2.1 钢锚板厚度变化对锚固体系受力性能的影响
• 5.2.2 横隔板厚度变化对锚固体系受力性能的影响
• 5.2.3 侧板厚度变化对锚固体系受力性能的影响
• 5.2.4 竖隔板厚度变化对锚固体系受力性能的影响
• 5.3 横隔板位置变化对锚固体系受力性能的影响
• 5.3.1 横隔板位置变化对锚固体系中力的分配影响
• 5.3.2 横隔板位置变化对钢构件应力的影响
• 5.4 PBL 剪力键相关参数变化对锚固体系受力性能的影响
• 5.4.1 PBL 剪力键穿孔钢筋直径变化对锚固体系受力性能的影响
• 5.4.2 PBL 剪力键列数变化对锚固体系受力性能的影响
• 5.5 各个参数对锚固体系受力性能的影响分析比较
• 5.5.1 各个参数对锚固体系中力的分配的影响分析比较
• 5.5.2 各个参数对锚固区钢构件应力影响分析比较
• 5.6 本章小结
• 第六章 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系设计优化与设计方法研究
• 6.1 概述
• 6.2 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系设计优化
• 6.2.1 原索塔锚固体系存在问题及构造优化
• 6.2.2 钢锚板底座尺寸确定
• 6.2.3 优化后索塔锚固体系传力机理分析
• 6.3 PBL 剪力键承载力计算方法研究
• 6.3.1 PBL 剪力键承载力影响因素及破坏机理
• 6.3.2 PBL 剪力键承载力计算公式
• 6.4 耳板销铰接触应力的简化计算方法研究
• 6.5 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系设计方法及示例
• 6.5.1 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系设计计算总体原则
• 6.5.2 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系设计流程
• 6.5.3 钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系设计示例
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 攻读博士学位期间参与的主要科研项目
• 致谢