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混凝土斜拉桥与T构协作体系的极限承载力及动力响应研究

余报楚  
【摘要】:金马大桥采用一种大跨径混凝土斜拉桥与T构协作的新体系,成功的设计和施工,以及目前良好的运营情况,引起了工程界的重视和瞩目。金马大桥是目前世界上跨度最大的独塔混凝土斜拉桥,该桥结构新颖,采用混凝土斜拉桥与T构协作体系桥梁技术,在不加大斜拉桥的长度前提下加大了跨径,减少了深水墩,大幅度降低了造价,并有利于桥梁的通航、泄洪、提高抗撞能力,对比其他设计方案节省人民币上亿元。从已有的文献来看,对于这样的特殊的协作体系的力学行为研究还不够全面,深入,对于这种特殊的结构体系的极限承载力研究、自由振动理论研究、动力特征值分析以及随机地震响应的研究更是少见。本文从混凝土斜拉桥与T构协作体系以上各种重要的力学行为进行了全面系统的研究,主要工作如下: (1)总结了广东金马大桥协作体系桥梁设计技术,探讨了这种协作体系的一些设计的新理念,重点就其主桥的主塔的直束加固技术以及主梁的横隔梁浇注次序预应力分批张拉技术作了细致的有限元计算,和光弹实验做了比较分析。认为这些新的技术可以指导类似工程的设计与施工。 (2)为了分析协作体系的极限承载能力,首先给出了平面梁单元考虑钢筋混凝土和钢材的材料非线性的折减刚度法,此外,以力的增量的形式推导混凝土的徐变计算公式,提出一种新的精细的计算方法,编制了精确计算混凝土徐变的有限元程序,以算例证明了其有效性。本文通过对广东金马大桥进行极限承载力分析,研究了混凝土收缩徐变、加劲梁配筋率、斜拉索的安全系数、加载方式等因素对协作体系桥梁的极限承载力的影响,表明斜拉索的设计安全系数是很重要的影响因素,应加以重视。全桥和半桥加载时,弹塑性极限活荷载安全系数分别为21.4和9.67,表明这种协作体系具有良好的极限承载能力。 (3)基于Hamilton变分原理,考虑了加劲梁的压弯耦合、剪切应变能和扭转应变能的影响,建立了独塔混凝土斜拉桥与T构协作体系的空间耦合自由振动的势能泛函,通过约束变分推导出了这种协作体系主桥主梁的竖向挠曲振动、横向挠曲振动、纵向振动、扭转振动以及主塔的纵向振动和横向振动的基础微分方程,以其中最为复杂的主梁的竖向振动方程为代表,设置了协作体系的两边T构所给主桥协作所带来的特殊边界条件,进而得到协作体系的振动频率微分方程。文中以金马大桥为算例,用非线性求解的方法求出了竖向振动频率方程的解析解,并与数值解作了比较,吻合较好,这一理论和方法为同类结构的自由振动研究提供了可靠的理论依据。


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