[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　　學科專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：華中科技大學　　學位年度：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都是橋梁研究領(lǐng)域的熱點。雖然近幾年來，國內(nèi)外針對斜拉橋索塔錨固區(qū)積累了不少的研究成果，這些研究成果對斜拉橋的設(shè)計、建造都具有一定的參考價值。但我們也注意到目前針對斜拉橋索塔錨固區(qū)的研究還存在一些不足和亟待解決的問題，例如：針對異形截面索塔的研究成果很少；計算機分析通常采用基于線彈性理論的有限元方法；未考慮收縮、徐變等混凝土的長期效應因素；索塔錨固區(qū)設(shè)計與優(yōu)化方法的研究資料很少，等等。因此，探討和揭示具有復雜形狀截面的索塔錨固區(qū)的受力性能和優(yōu)化設(shè)計方法就顯得尤為必要，具有重要的實踐指導意義?！　? 本文以馬嶺河特大橋為工程背景，以索塔錨固區(qū)足尺模型試驗為基礎(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)學規(guī)劃法等結(jié)構(gòu)力學與優(yōu)化分析方法，對索塔截面形式采用非雙軸對稱六邊形的這一類預應力混凝土異形截面索塔錨固區(qū)，展開相關(guān)問題研究。研究內(nèi)容分為：索塔錨固區(qū)足尺模型試驗研究、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)計研究和索塔錨固區(qū)日照溫度場及應力分析研究四個部分，共6 章。主要研究成果如下：　　（1）索塔錨固區(qū)足尺模型試驗與有限元計算分析均表明：馬嶺河特大橋異形截面索塔的“連接部位外側(cè)”以及“折線型長邊內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角”兩個區(qū)域是索塔結(jié)構(gòu)的易裂區(qū)域，應注意加強該兩區(qū)域的配筋構(gòu)造；折線型長邊的抗裂能力要低于直線型長邊，折線型長邊由于截面的局部削弱，使得外側(cè)壓應力分布發(fā)生變化，在中部受壓顯著；在混凝土未開裂前，測點荷載與應力保持較好的線性關(guān)系，實測應力值和有限元計算值基本吻合，說明所建有限元模型具有較好的準確性；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)有足夠的安全儲備?！　? （2）整體模型與節(jié)段模型的有限元對比分析表明：在設(shè)計索力作用下，整體模型與節(jié)段模型在相應節(jié)段位置的應力分布大體一致，說明節(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；在預應力鋼筋錨固端靠近長邊外側(cè)附近存在“預應力盲區(qū)”，在索力作用下，該區(qū)域形成較大的附加拉應力區(qū)，因此，建議將此區(qū)域的水平箍筋適當加密，以抵抗較大的附加拉應力，抑制裂縫的開展；在整體模型的基準節(jié)段上單獨施加預應力及設(shè)計索力時，整體模型內(nèi)產(chǎn)生的應力效應沿高度及厚度擴散衰減很快，模型短邊的應力效應沿高度方向的衰減要明顯顯著于長邊，說明短邊的應力效應傳遞范圍小，應力效應主要集中在索力加載面附近，因此，應盡量將U 形預應力鋼筋布置在斜拉索錨固點附近，以取得良好的受力效果。　　（3）拉-壓桿模型分析方法（STM）是一種準確、可靠的斜拉橋索塔錨固區(qū)預應力設(shè)計與優(yōu)化方法，STM 分析結(jié)果依據(jù)索塔錨固區(qū)內(nèi)部實際―力流‖的分布反映了索塔錨固區(qū)實際受力的需要，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)預應力筋的用量，而且優(yōu)化了預應力筋的平面布置，預應力筋在索塔截面短邊處靠外側(cè)布置，在長邊處靠內(nèi)側(cè)布置更有利于受力；索塔截面形式對索塔錨固區(qū)的預應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，預應力筋數(shù)量可以比原設(shè)計降低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輻射對混凝土索塔的影響時，可將太陽輻射的影響等效為索塔結(jié)構(gòu)周圍空氣溫度的升高，來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)段夏季和冬季太陽輻射條件下各方向塔壁的最不利溫度場分布后，通過對日照溫度場和斜拉索索力共同作用下的應力分析，得知無論是在夏季，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，索塔截面不會開裂?！　? 本文對馬嶺河特大橋預應力混凝土索塔錨固區(qū)的受力性能進行了相關(guān)研究，為索塔截面形式采用非雙軸對稱六邊形的這一類預應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)計提供了一定的參考，但受條件所限，本文在一些問題上，比如：基于STM 方法的預應力混凝土索塔錨固區(qū)實用分析工具開發(fā)、綜合考慮截面尺寸、預應力筋線形等多方面因素的綜合優(yōu)化分析、預應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期作用影響分析等，還有待進一步深入研究。

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