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大跨度联塔分幅斜拉桥结构行为与联塔结构模型试验研究

刘兆丰  
【摘要】: 随着交通量的增加,桥梁设计得越来越宽,一种新颖的桥梁断面形式——双幅桥面桥梁以其宽敞的视觉效果、良好的行车条件而逐渐受到人们的青睐,双幅桥面桥梁在国内外的建设也在逐渐增多。大多数的双幅桥面桥梁是两座平行独立的桥梁,除气动干扰效应外受力完全独立,正在建设中的宁波甬江特大桥除具备双幅桥面桥梁的特点外,将两幅桥的索塔横向联成整体,两幅桥的受力通过联塔部位相互传递,呈现出耦合状态,联塔结构本身的工作状态和安全储备受到工程师们的瞩目。本文在收集国内外相关资料和深入分析已有研究成果的基础上,以宁波甬江特大桥为背景,研究联塔分幅斜拉桥的结构行为,并对联塔结构进行模型试验研究。主要研究内容如下: 1.详细推导了随施工阶段变化的结构状态量对斜拉索施工张拉力以及预拱度的响应函数关系式,并考虑几何非线性和徐变的影响。依据这些响应函数,针对斜拉桥悬臂浇筑施工过程中斜拉索施工张拉力的优化,建立了数学规划模型,利用多目标、多约束优化算法编制了相应的MATLAB程序进行斜拉索施工张拉力的优化。基于ANSYS中的APDL语言编制了斜拉桥悬臂浇注施工阶段分析的程序,以实现施工仿真分析的程序化、简单化。在仿真分析中,对斜拉桥在施工及成桥阶段的线性和非线性效应作了简要比较。 2.鉴于两幅桥梁受力的耦合性,对两幅桥梁的受力相互影响程度进行了定量分析。拓展联塔部位的刚度参数、联结区域长度,考察两幅桥梁相互影响对这些参数的敏感性。 3.鉴于我国规范规定的气动三分力系数和风荷载计算是仅针对单幅桥面桥梁,利用有限元程序ANSYS中的FLOTRAN CAD模块对甬江特大桥双幅桥面桥梁的风力三分力系数进行了数值模拟研究。并对联塔分幅式斜拉桥、分离塔单幅式斜拉桥两种塔结构型式的斜拉桥的静风稳定性能及动力特性进行了比较分析。 4.以宁波甬江特大桥为工程背景,对其整个联塔结构进行室内模型试验研究。针对模型试验中加载斜拉索的布置位置、数量及索力的确定,提出了最少索数的索力优化方法,编制了相应的数值分析程序。在满足目标状态要求的前提下,以最少斜拉索数量为原则确定了试验中斜拉索的优化布置及相应的优化索力,在达到预期目标的同时增加了斜拉索的利用率,且减少了资源的耗费。 5.模型试验对联塔结构的受力性能进行了研究,测试了联塔结构的变形、控制断面的应力、斜拉索索力,实测值与计算值符合较好。通过试验验证了最少索数优化方法的合理性和可行性;明确了各斜拉索特别是不同塔上斜拉索之间的索力相互影响程度;验证了联塔结构在施工、运营阶段的受力性能;对联塔结构模型进行了极限承载力测试,结果表明结构有较大的安全贮备。本研究表明:大跨宽幅斜拉桥中采用联塔分幅结构型式是可行的。


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