钢桥塔与组合桥塔受力性能试验研究

论文摘要

钢桥塔具有自重轻、强度高、结构耐久可靠、施工周期短、抗震性能好等优点，但与混凝土桥塔相比，其长细比较大，组成板件较薄，容易发生整体失稳与局部失稳。钢桥塔在国外应用较多，近年来在国内得到重视与应用，但相关研究较少。组合桥塔是在钢—混凝土组合结构基础上发展出的一种新型桥塔形式，其结合了钢桥塔与混凝土桥塔的优势，具有良好的应用前景，但目前在国内还少有应用与研究。因此，本文在对国内外文献、资料进行调研的基础上，设计了典型截面型式的钢桥塔模型和组合桥塔模型，开展了相关的模型试验，深入研究了钢桥塔与组合桥塔的受力特性。在试验研究的基础上，进行了数值分析和理论计算，从试验、数值和理论三个方面对钢桥塔与组合桥塔的受力性能进行了全面、系统的研究，提出了钢桥塔与组合桥塔设计计算的实用性建议，论文主要研究成果已被正在修编的《公路钢结构桥梁设计规范》中钢桥塔的章节所采用。本文的主要研究内容如下：1．研究了钢桥塔的结构构造和截面型式，设计了具有典型构造的矩形截面钢桥塔节段模型。对模型进行了轴心受压试验，得到了钢桥塔节段的局部失稳模态，分析了其受力特性，揭示了钢桥塔局部失稳破坏机理。2．以实桥钢桥塔为工程背景，设计了带切角矩形截面的钢桥塔节段模型，进行了轴心受压试验，得到了模型的局部失稳模态、变形和应变规律。对比了钢桥塔采用矩形截面和带切角矩形截面时的受力特性，分析了这两种截面型式对钢桥塔稳定性的影响。3．对不同截面型式的钢桥塔节段建立了板壳有限元模型，进行了第一类稳定分析，以及计入材料非线性、几何非线性和结构初始缺陷影响的第二类稳定分析。结果表明，第二类稳定分析的结果与试验结果吻合较好，本文建立的有限元模型可以较好地分析钢桥塔的稳定问题，第二类稳定分析方法可以指导钢桥塔的稳定设计。4．开展了矩形截面和带切角矩形截面的钢—高性能混凝土组合桥塔的节段模型试验，研究了不同截面型式组合桥塔的受力特性，并与钢桥塔的受力特性进行了对比分析。结果表明，组合桥塔较钢桥塔具有较高的承载力，并且延缓了壁板局部失稳的发生，具有显著的结构性能优势。5．借鉴各国规范中关于矩形钢管混凝土结构承载力的计算方法，经过适当修正，进行组合桥塔的承载力计算；同时，在钢桥塔与组合桥塔试验研究的基础上，提出了组合桥塔承载力相应的计算方法。将计算结果与试验结果进行对比，明确了不同方法的适用范围，为组合桥塔承载力的计算提供了参考。6．采用有限元方法，对不同塔形的钢桥塔分别进行了静力和稳定计算，分析了塔形及横梁位置对钢桥塔静力性能、稳定性能以及极限承载力的影响。7．研究了钢桥塔内部的合理构造，分析了不同构造型式对钢桥塔稳定性的影响；同时，提出了纵向加劲肋的设计方法，为钢桥塔的构造设计提供了依据。8．研究了钢桥塔与混凝土基础的常用连接方式，通过对典型塔—基连接方式受力性能和传力特性的比较，提出了不同连接方式的选用原则。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 钢桥塔的发展概况
• 1.1.1 钢桥塔的国内外发展概况
• 1.1.2 钢桥塔的特点
• 1.1.3 钢桥塔的类型
• 1.2 钢桥塔的国内外研究现状
• 1.3 钢桥塔的稳定问题
• 1.3.1 钢桥塔的受力特点
• 1.3.2 钢桥塔的稳定
• 1.4 钢─混凝土组合桥塔的发展及研究概况
• 1.5 本文的研究内容和方法
• 第二章 钢桥塔的稳定理论及分析方法
• 2.1 稳定问题的分类及分析原则
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 稳定问题的分类及计算方法
• 2.1.3 稳定问题的分析原则
• 2.2 钢桥塔的局部稳定
• 2.2.1 局部稳定的概念
• 2.2.2 板件分岔屈曲荷载的解析解
• 2.3 钢桥塔稳定的分析方法
• 2.3.1 稳定问题的有限元原理
• 2.3.2 材料非线性问题的有限元方法
• 2.3.3 非线性方程组的解法
• 2.4 国内外规范对于构件局部稳定的规定及分析
• 2.4.1 中国《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》
• 2.4.2 中国《钢结构设计规范》
• 2.4.3 美国AASHTO规范
• 2.4.4 英国规范
• 2.4.5 日本规范
• 2.4.6 欧洲规范
• 2.4.7 国内外规范的分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 矩形截面钢桥塔局部稳定试验研究
• 3.1 模型试验研究
• 3.1.1 试验目的
• 3.1.2 试验方案
• 3.1.3 试验结果及分析
• 3.2 有限元计算及分析
• 3.2.1 第一类稳定计算
• 3.2.2 第二类稳定计算
• 3.3 局部稳定承载力影响因素分析
• 3.3.1 基本模型
• 3.3.2 横隔板对局部稳定承载力的影响
• 3.3.3 纵向加劲肋对局部稳定承载力的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 带切角矩形截面钢桥塔局部稳定试验研究
• 4.1 钢桥塔塔柱的截面型式
• 4.2 模型试验研究
• 4.2.1 试验目的
• 4.2.2 原型概况
• 4.2.3 试验方案
• 4.2.4 试验结果及分析
• 4.3 有限元计算及分析
• 4.3.1 第一类稳定计算
• 4.3.2 第二类稳定计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 钢─高性能混凝土组合桥塔承载能力试验研究
• 5.1 矩形截面组合桥塔的试验研究
• 5.1.1 试验概况
• 5.1.2 试验方案
• 5.1.3 试验结果及分析
• 5.2 带切角矩形截面组合桥塔的试验研究
• 5.2.1 试验概况
• 5.2.2 试验方案
• 5.2.3 试验结果及分析
• 5.3 组合桥塔承载力计算
• 5.3.1 承载力计算方法
• 5.3.2 计算结果对比
• 5.4 本章小结
• 第六章 钢桥塔与组合桥塔的设计方法
• 6.1 钢桥塔的结构形式及不同塔形的力学特性
• 6.1.1 悬索桥钢桥塔的结构形式
• 6.1.2 斜拉桥钢桥塔的结构形式
• 6.1.3 钢桥塔不同塔形的受力分析
• 6.2 钢桥塔的构造设计
• 6.2.1 构造设计的目的及计算模型
• 6.2.2 横隔板对钢桥塔稳定性的影响
• 6.2.3 纵向加劲肋对钢桥塔稳定性的影响
• 6.2.4 纵向加劲肋的设计
• 6.3 钢桥塔与基础的连接
• 6.3.1 钢桥塔与基础的连接方式
• 6.3.2 连接方式的比较
• 6.3.3 连接方式的选择
• 6.3.4 设计建议
• 6.4 钢桥塔及组合桥塔的设计计算建议
• 6.4.1 钢桥塔的设计计算建议
• 6.4.2 钢─混凝土组合桥塔的设计计算建议
• 6.5 本章小结
• 结论与建议
• 1 理论与方法上的进步
• 2 结论
• 3 建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的学术成果
• 攻读博士学位期间参与的主要科研项目
• 致谢