【摘要】：混凝土自錨式懸索橋采用混凝土作為塔、梁材料,其主纜直接錨固于梁端,形成縱向自平衡體系,并為主梁提供附加預(yù)應(yīng)力,結(jié)構(gòu)恒、活載通過吊桿傳至主纜、再傳至索塔及基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)傳力途徑合理。近年來,混凝土自錨式懸索橋因其良好的經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)合理性、優(yōu)雅外觀以及對(duì)地形的普適性,在中等跨度橋梁中的競爭力日益增強(qiáng)。同時(shí),隨著城市交通量的增長,橋面車道數(shù)量需求日益增加,出現(xiàn)了越來越多的寬主梁混凝土自錨式懸索橋,主梁寬跨比逐漸提高,甚至達(dá)到了1:4.2。本文以山東聊城湖南路大橋工程為背景,圍繞超寬混凝土自錨式懸索橋施工及運(yùn)營過程中的成橋狀態(tài)控制關(guān)鍵問題、超寬箱梁空間力學(xué)行為以及混凝土收縮徐變效應(yīng)預(yù)測等問題展開研究。主要內(nèi)容和成果包括:(1)超寬混凝土自錨式懸索橋合理成橋狀態(tài)確定研究。基于主纜分段懸鏈線理論、無應(yīng)力長度不變?cè)怼⒖绽|線形及索鞍預(yù)偏計(jì)算方法、混凝土收縮徐變特性等,提出一種確定混凝土自錨式懸索橋合理成橋狀態(tài)的綜合方法,該方法將懸索橋纜索解析程序BNLAS與有限元分析相結(jié)合,采用精細(xì)化有限元離散方法模擬主纜與索鞍接觸關(guān)系的不斷變化,并通過引入溫度剛臂考慮主纜作用力及施工階段混凝土收縮徐變引起的主梁、主塔壓縮量,采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法對(duì)成橋狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而得到混凝土自錨式懸索橋的合理成橋狀態(tài)。(2)自錨式懸索橋纜索系統(tǒng)架設(shè)與體系轉(zhuǎn)換控制研究。提出自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換全過程多重控制方法及相應(yīng)的張拉控制目標(biāo),可以提高體系轉(zhuǎn)換控制的精度和效率。給出索夾的無應(yīng)力安裝預(yù)偏量,提出吊桿張拉及體系轉(zhuǎn)換的總體原則�；诘鯒U張拉過程中纜索體系的力學(xué)特性,將體系轉(zhuǎn)換過程劃分為四個(gè)階段,即全橋初張拉階段、邊跨被動(dòng)張拉階段、局調(diào)階段、二恒施加完成階段。根據(jù)多重控制方法提出每一階段的控制目標(biāo)及原則,制訂相應(yīng)的吊桿張拉與體系轉(zhuǎn)換方案并在工程現(xiàn)場得以實(shí)施。(3)車輛荷載作用下超寬混凝土自錨式懸索橋空間力學(xué)行為研究。結(jié)合實(shí)橋加載試驗(yàn)和空間梁單元模型有限元分析,研究車輛荷載作用下超寬混凝土自錨式懸索橋的整體力學(xué)行為,分析靜載作用下整體結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力變化,研究超寬混凝土箱梁的應(yīng)力水平及其橫橋向分布,進(jìn)行橋梁動(dòng)力特性分析及移動(dòng)車輛荷載作用下的動(dòng)態(tài)增量分析。(4)超寬混凝土主梁施工及成橋狀態(tài)下空間力學(xué)行為精細(xì)化分析。建立超寬混凝土自錨式懸索橋的整體精細(xì)化有限元模型,采用實(shí)體單元模擬超寬主梁、橫隔梁及錨固區(qū),并精確模擬纜索系統(tǒng)、預(yù)應(yīng)力束連接及邊界條件。在此基礎(chǔ)上結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù),對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉、體系轉(zhuǎn)換過程及成橋狀態(tài)下超寬主梁的空間力學(xué)行為進(jìn)行研究,分析超寬主梁縱、橫向應(yīng)力的橫橋向分布規(guī)律,并對(duì)超寬箱梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。(5)考慮寬箱梁剪力滯效應(yīng)的空間梁單元開發(fā)研究。提出一種可以考慮寬箱梁剪力滯效應(yīng)的空間梁單元理論模型,通過增加新的剪力滯翹曲自由度,根據(jù)截面剪力流的傳遞規(guī)律提出非對(duì)稱多室截面的翹曲形函數(shù),基于有限單元法得出考慮剪力滯效應(yīng)的空間Timoshenko梁單元?jiǎng)偠染仃嚭唾|(zhì)量矩陣。基于ANSYS程序的單元二次開發(fā)功能,利用內(nèi)置的Uec、Uel接口對(duì)所提出的梁單元理論模型進(jìn)行編譯,通過簡支梁算例及自錨式懸索橋算例驗(yàn)證用戶自定義單元的可靠性,提高所提出梁單元理論模型的應(yīng)用性。(6)考慮寬箱梁剪力滯效應(yīng)的混凝土收縮徐變效應(yīng)確定性分析。首先進(jìn)行超寬混凝土自錨式懸索橋時(shí)變效應(yīng)實(shí)測分析;其次,采用所提出的可以考慮寬箱梁剪力滯效應(yīng)的梁單元建立橋梁整體有限元模型,采用按齡期調(diào)整的有效模量法和有限元逐步計(jì)算法考慮混凝土材料的老化特性,將混凝土收縮徐變預(yù)測模型CEB-FIP 90、B3得到的主梁收縮徐變應(yīng)變及結(jié)構(gòu)位移預(yù)測結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,評(píng)價(jià)兩種模型的預(yù)測精度;進(jìn)行超寬自錨式懸索橋混凝土收縮徐變效應(yīng)確定性預(yù)測分析,其中,根據(jù)各時(shí)間步計(jì)算結(jié)果,通過更新預(yù)應(yīng)力束初應(yīng)變的施加考慮主梁預(yù)應(yīng)力的損失。另外,根據(jù)分段施工的各梁段實(shí)際混凝土澆筑至成橋的時(shí)間跨度,在面向混凝土收縮徐變預(yù)測分析的有限元模型成橋狀態(tài)中,考慮了施工期間混凝土收縮徐變引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形變化。采用考慮剪力滯效應(yīng)的梁單元進(jìn)行混凝土收縮徐變預(yù)測分析,可以得到超寬主梁截面壓應(yīng)力變化的不均勻性,從而避免低估超寬主梁應(yīng)力的變化。(7)超寬混凝土自錨式懸索橋混凝土收縮徐變效應(yīng)隨機(jī)性分析。提出一種適用于復(fù)雜自錨式懸索橋混凝土收縮徐變效應(yīng)隨機(jī)預(yù)測與參數(shù)敏感性分析的簡化算法,該算法兼顧了效率與精度。通過選取環(huán)境濕度、結(jié)構(gòu)參數(shù)和B3模型計(jì)算參數(shù)作為隨機(jī)變量,采用二次近似矩估計(jì)方法得到了結(jié)構(gòu)響應(yīng)的95%置信區(qū)間等統(tǒng)計(jì)特性,通過與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了此方法的高效性和可靠性。根據(jù)預(yù)測分析結(jié)果,同時(shí)考慮混凝土收縮徐變和寬箱梁剪力滯效應(yīng),進(jìn)行自錨式懸索橋合理成橋狀態(tài)參數(shù)化分析。選取成橋吊桿力作為設(shè)計(jì)變量,主梁豎向位移及縱向內(nèi)力作為狀態(tài)變量,剪力滯效應(yīng)影響下超寬箱梁截面頂、底板最不利位置的長期壓應(yīng)力變化作為目標(biāo)函數(shù),得出索鞍位置及吊桿力調(diào)整的合理范圍,研究結(jié)論為類似超寬混凝土自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及合理成橋狀態(tài)確定研究提供了重要參考。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U448.25
【圖文】：

2圖 1-1 日本此花大橋 26.5m，是 1954 年自錨式懸索橋發(fā)展進(jìn)入瓶頸期代自錨式懸索橋建設(shè)的里程牌，并開啟了自錨式懸索橋，全長 540 米，主跨 300m，邊跨 120m。為人字形。主梁采用單箱三室鋼箱梁，高度為 3

圖 1-2 韓國永宗大橋?qū)挒?41m（包括風(fēng)嘴），鋼箱梁寬度為 35m。主橋?yàn)榭臻g纜主跨 300m，邊跨 125m。永宗大橋的造型、尺寸與此花大橋總高 12m，上層橋面系為高 3m 的鋼箱梁，承受巨大的水面空間纜索，中跨矢跨比為 1:5，主纜直徑為 46.7cm。另向中跨跨中方向逐漸擴(kuò)展為與梁寬相同的 35m。

圖 1-2 韓國永宗大橋?yàn)?41m（包括風(fēng)嘴），鋼箱梁寬度為 35m。主橋?yàn)榭臻g跨 300m，邊跨 125m。永宗大橋的造型、尺寸與此花大高 12m，上層橋面系為高 3m 的鋼箱梁，承受巨大的空間纜索，中跨矢跨比為 1:5，主纜直徑為 46.7cm。中跨跨中方向逐漸擴(kuò)展為與梁寬相同的 35m。灣橋New Oakland Bay Bridge）位于美國舊金山灣，其前身年，海灣大橋的東橋部分在里氏 7.1 級(jí)的地震中局部坍抗震性能優(yōu)越的新奧克蘭海灣橋。2013 年 9 月 2 日勞設(shè)置為雙向 12 車道，包括 10 個(gè)機(jī)動(dòng)車道和 2 條輕軌

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2795962