[博士]斜拉橋異形截面索塔錨固區(qū)受力性能研究

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　　[博士]斜拉橋異形截面索塔錨固區(qū)受力性能研究　　學(xué)科專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：華中科技大學(xué)　　學(xué)位年度：2011　　斜拉橋主塔索塔錨固區(qū)是斜拉橋的關(guān)鍵部位，斜拉橋索塔錨固區(qū)受力性能的分析一直以來(lái)都是橋梁研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。雖然近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)斜拉橋索塔錨固區(qū)積累了不少的研究成果，這些研究成果對(duì)斜拉橋的設(shè)計(jì)、建造都具有一定的參考價(jià)值。但我們也注意到目前針對(duì)斜拉橋索塔錨固區(qū)的研究還存在一些不足和亟待解決的問(wèn)題，例如：針對(duì)異形截面索塔的研究成果很少；計(jì)算機(jī)分析通常采用基于線彈性理論的有限元方法；未考慮收縮、徐變等混凝土的長(zhǎng)期效應(yīng)因素；索塔錨固區(qū)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法的研究資料很少，等等。因此，探討和揭示具有復(fù)雜形狀截面的索塔錨固區(qū)的受力性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法就顯得尤為必要，具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。　　本文以馬嶺河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，以索塔錨固區(qū)足尺模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合空間有限元仿真分析、STM（拉-壓桿模型）分析方法以及數(shù)學(xué)規(guī)劃法等結(jié)構(gòu)力學(xué)與優(yōu)化分析方法，對(duì)索塔截面形式采用非雙軸對(duì)稱六邊形的這一類預(yù)應(yīng)力混凝土異形截面索塔錨固區(qū)，展開(kāi)相關(guān)問(wèn)題研究。研究?jī)?nèi)容分為：索塔錨固區(qū)足尺模型試驗(yàn)研究、索塔錨固區(qū)整體分析研究、異形截面索塔錨固區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究和索塔錨固區(qū)日照溫度場(chǎng)及應(yīng)力分析研究四個(gè)部分，共6 章。主要研究成果如下：　　（1）索塔錨固區(qū)足尺模型試驗(yàn)與有限元計(jì)算分析均表明：馬嶺河特大橋異形截面索塔的“連接部位外側(cè)”以及“折線型長(zhǎng)邊內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角”兩個(gè)區(qū)域是索塔結(jié)構(gòu)的易裂區(qū)域，應(yīng)注意加強(qiáng)該兩區(qū)域的配筋構(gòu)造；折線型長(zhǎng)邊的抗裂能力要低于直線型長(zhǎng)邊，折線型長(zhǎng)邊由于截面的局部削弱，使得外側(cè)壓應(yīng)力分布發(fā)生變化，在中部受壓顯著；在混凝土未開(kāi)裂前，測(cè)點(diǎn)荷載與應(yīng)力保持較好的線性關(guān)系，實(shí)測(cè)應(yīng)力值和有限元計(jì)算值基本吻合，說(shuō)明所建有限元模型具有較好的準(zhǔn)確性；索塔模型的抗裂安全系數(shù)不低于1.3，破壞安全系數(shù)不低于1.6，結(jié)構(gòu)有足夠的安全儲(chǔ)備。　　（2）整體模型與節(jié)段模型的有限元對(duì)比分析表明：在設(shè)計(jì)索力作用下，整體模型與節(jié)段模型在相應(yīng)節(jié)段位置的應(yīng)力分布大體一致，說(shuō)明節(jié)段模型的理論分析是正確的，節(jié)段模型的選取以及邊界條件的處理是可行的；在預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固端靠近長(zhǎng)邊外側(cè)附近存在“預(yù)應(yīng)力盲區(qū)”，在索力作用下，該區(qū)域形成較大的附加拉應(yīng)力區(qū)，因此，建議將此區(qū)域的水平箍筋適當(dāng)加密，以抵抗較大的附加拉應(yīng)力，抑制裂縫的開(kāi)展；在整體模型的基準(zhǔn)節(jié)段上單獨(dú)施加預(yù)應(yīng)力及設(shè)計(jì)索力時(shí)，整體模型內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)沿高度及厚度擴(kuò)散衰減很快，模型短邊的應(yīng)力效應(yīng)沿高度方向的衰減要明顯顯著于長(zhǎng)邊，說(shuō)明短邊的應(yīng)力效應(yīng)傳遞范圍小，應(yīng)力效應(yīng)主要集中在索力加載面附近，因此，應(yīng)盡量將U 形預(yù)應(yīng)力鋼筋布置在斜拉索錨固點(diǎn)附近，以取得良好的受力效果?！　? （3）拉-壓桿模型分析方法（STM）是一種準(zhǔn)確、可靠的斜拉橋索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，STM 分析結(jié)果依據(jù)索塔錨固區(qū)內(nèi)部實(shí)際―力流‖的分布反映了索塔錨固區(qū)實(shí)際受力的需要，更符合結(jié)構(gòu)受力合理性的要求；STM 分析結(jié)果不僅優(yōu)化了索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力筋的用量，而且優(yōu)化了預(yù)應(yīng)力筋的平面布置，預(yù)應(yīng)力筋在索塔截面短邊處靠外側(cè)布置，在長(zhǎng)邊處靠?jī)?nèi)側(cè)布置更有利于受力；索塔截面形式對(duì)索塔錨固區(qū)的預(yù)應(yīng)力配置和受力性能有較顯著的影響，采用STM 方法優(yōu)化索塔截面后，預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量可以比原設(shè)計(jì)降低26.3%，而抗裂安全系數(shù)不低于1.6?！　? （4）綜合考慮外界氣溫及太陽(yáng)輻射對(duì)混凝土索塔的影響時(shí)，可將太陽(yáng)輻射的影響等效為索塔結(jié)構(gòu)周圍空氣溫度的升高，來(lái)建立馬嶺河特大橋索塔錨固區(qū)節(jié)段熱分析的第三類邊界條件；在得到索塔錨固區(qū)節(jié)段夏季和冬季太陽(yáng)輻射條件下各方向塔壁的最不利溫度場(chǎng)分布后，通過(guò)對(duì)日照溫度場(chǎng)和斜拉索索力共同作用下的應(yīng)力分析，得知無(wú)論是在夏季，還是在冬季，馬嶺河特大橋索塔錨固區(qū)節(jié)段在日照荷載與索力荷載共同作用下，索塔截面不會(huì)開(kāi)裂?！　? 本文對(duì)馬嶺河特大橋預(yù)應(yīng)力混凝土索塔錨固區(qū)的受力性能進(jìn)行了相關(guān)研究，為索塔截面形式采用非雙軸對(duì)稱六邊形的這一類預(yù)應(yīng)力混凝土異形截面索塔錨固區(qū)的受力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考，但受條件所限，本文在一些問(wèn)題上，比如：基于STM 方法的預(yù)應(yīng)力混凝土索塔錨固區(qū)實(shí)用分析工具開(kāi)發(fā)、綜合考慮截面尺寸、預(yù)應(yīng)力筋線形等多方面因素的綜合優(yōu)化分析、預(yù)應(yīng)力混凝土索塔錨固區(qū)的非線性極限分析以及考慮徐變等長(zhǎng)期作用影響分析等，還有待進(jìn)一步深入研究。

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