【博士】地锚式预应力混凝土斜拉桥受力性能分析【2009】

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内容简介

　　学科专业：道路与铁道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：东南大学　　学位年度： 2009年　　随着山区高速公路建设的发展，地锚式(包括部分地锚式)大跨混凝七斜拉桥是跨越深切峡谷桥梁的一个可供选择的较好方案。与普通大跨混凝土斜拉桥相比，大跨地锚式混凝土斜拉桥的结构体系及其受力性能有其明显的不同特征，特别是其在温度和混凝土收缩徐变等非荷载作用下的结构反应以及在使用荷载作用下的几何非线性及稳定性能应该有其不同的特点，而目前国内外对这些问题的研究还很不足。本文依托湖北省郧阳汉江公路人桥对其结构的主要受力性能，特别是其长期受力性能，进行了长达11年的较系统现场测试与相应的理论分析，包括结构的儿何非线性及稳定分析、温度效应分析、收缩徐变效应的长期观测与分析等。主要研究内容如下：　　1． 几何非线性效应及稳定分析　　对大跨斜拉桥几何非线性和稳定分析的基本理论进行了介绍和评述，然后利用本文所编制的大跨斜拉桥几何非线性分析程序，以郧刚汉江公路火桥为背景，对其几何非线性受力特性行了计算分析，并利用商业有限元程序对其稳定性进行了研究。结果表明：尽管郧阳桥跨中设有无轴力铰，但成桥结构的几何非线性影响还是较小。其次跨中设铰的实桥方案其结构的整体稳定性安全系数满足不小于4的设计要求，但跨中无轴力铰的存在会大大降低结构的整体稳定性，因此单就斜拉桥整体稳定性而言，跨中不应设置无轴力铰。　　2． 温度效应分析　　采用ANSYS及现有较为典型的温差模式(现行公路桥规和铁路规范)对郧阳汉江公路大桥进行了温度效廊的空间分析，其结果表明在采用同样的温度设计值的情况下，由此计算出的应力(不论是纵向应力还是横向应力)及位移均相筹不大。结果还表明混凝土斜拉桥的箱形主梁在正温差作用下的横向应力及箱梁在负温差作用下的效应应予以重视，因此对混凝土斜拉桥进行温度效应分析时，建议选用非线性的温度梯度模式如现行公路桥规或者铁路桥规，其温度设计值建议取为20-25℃之间。此外负温差引起的温度效应较之正温差更应引起重视，对混凝士斜拉桥进行负温差效应分析时，建议选刚现行桥规负温差模式，其温度设计值建议取为l0~14℃之间。而整体升降温分析结果表明对了：地锚式斜拉桥，在考虑温度影响时必须设置跨中无轴力铰。　　3． 收缩徐变效应　　(1)对郧阳汉江公路人桥进行了多年的跟踪观测，取得了大批详实可靠的现场实测数据，分析后可发现靠近跨中的测点挠度具有明显的增人趋势，而靠近索塔的测点挠度，其变化均较小；对于塔顶偏位，两侧索塔变化均较为平稳，其中郧阳侧塔项偏位相对于十堰侧塔顶偏位要火；对于斜拉索索力，不论边跨索还是中跨索、长索还是短索，人多数斜拉索索力在运营阶段变化均较小，均趋于平稳。结果还表明：10余年运营后的郧阳汉江公路人桥，其结构的整体受力性能良好。　　(2)探讨了混凝十温度、环境相对湿度、混凝士配筋率、箱梁局部理论厚度等冈素对混凝土收缩徐变的影响，并基于叠加原理提出了综合考虑上述各闪素的混凝土收缩应变和徐变系数计算方法，其结果能够反应混凝十收缩徐变在自然环境中的主要特性，表明本文上述混凝土收缩应变和徐变系数计算方法能够较好的应用于处于自然环境中的火跨箱梁桥的收缩徐变效应分析中；　　(3)采用MIDAS及本文所提出的混凝十收缩应变和徐变系数计算方法，对地锚式人跨预应力混凝土斜拉桥的收缩徐变效应进行了较详尽的分析，其结果指出在缺乏实际资料的情况下，推荐采用CEB．FIP90模型和本文提出的修正方法进行箱梁桥的收缩徐变效应计算：此外本文探讨了混凝土温度、环境相对湿度、混凝十配筋率、箱梁局部理论厚度等因素及其变化对地锚式大跨预应力混凝土斜拉桥收缩徐变效应的影响，结果表明是否考虑上述各因素对于混凝土收缩徐变效应的影响均较为明显，因此要准确分析地锚式大跨预应力混凝土斜拉桥的收缩徐变效应，应该考虑上述因素对结构收缩徐变效应的影响。　　(4)分析了地锚式大跨预应力混凝十斜拉桥跨中无轴力铰的存在对其收缩徐变效应的影响。计算结果表明对于主梁挠度和塔顶偏位，跨中设铰与否的影响较大，特别是跨中测点挠度，两者相差近三倍，表明跨中无轴力铰的存在对主梁长期挠度和塔顶长期偏位有较大的影响；对于斜拉索索力，两者相差较小，相差一般在5％以内，表明跨中无轴力铰对斜拉索索力影响较小；对于主梁控制截面应变，两种体系下的曲线相筹同样较大，差异不仅表现在数值上，在趋势上同样存在着较大差别，特别是在跨中截面下缘应变，主梁跨中连续时，其应变在成桥后基本趋于稳定，而跨中设铰接时，应变在计算后期仍表现出继续增大的趋势，表明跨中无轴力铰对主梁截面应变有较大的影响。　　综上可以看出，由于受地形限制而采取的地锚式斜拉桥，若采用桥面连续结构体系时它不能适应温度变化所导致结构长度变化的影响，若在其跨中设置无轴力铰，对其稳定性能和挠度产生不利影响，但可通过采取一些特别措施予以弥补，因此综合考虑以上因素的影响，对于地锚式斜拉桥，建议在其跨中设置无轴力铰。　　

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