自锚式斜拉—悬索协作体系桥结构性能分析与试验研究

【摘要】： 自锚式斜拉—悬索协作体系桥是一种崭新的桥型，它具有结构新颖，受力合理，抗风性能好，施工安全和工程造价低等优点，在软土地基、强风地区尤能突出其优越性，在大跨桥型中极具竞争力。目前国内外关于自锚式斜拉—悬索协作体系桥的相关文献寥寥无几，而该桥型在特定条件下有其独特的优势，因此有必要对该桥型展开系统的研究。本文以大连湾跨海大桥工程为背景，结合模型试验，对自锚式斜拉—悬索协作体系桥的静力力学性能、极限跨径和优化选型展开研究，主要研究内容如下： 1．按连续体的方法描述了自锚式斜拉—悬索协作体系桥在竖向荷载作用下的结构行为。考虑了主梁和主塔的压弯耦合效应，建立了三跨自锚式斜拉—悬索协作体系桥的大位移不完全势能泛函，基于分区变分原理近似推导出了自锚式斜拉—悬索协作体系桥的基础微分方程。以一座自锚式斜拉—悬索协作体系桥为例，求出其解析解，并与数值方法解相互比较，二者结果比较接近。这一理论和方法为阐述自锚式斜拉—悬索协作体系桥的静力行为提供了理论依据。 2．阐述了自锚式斜拉—悬索协作体系桥的非线性特征，分析混凝土收缩徐变、矢跨比和拱度对协作体系的影响。考虑几何非线性影响因素，应用有限位移法分析一座主跨800m的自锚式斜拉—悬索协作体系桥。得到不同矢跨比、不同拱度情况下，主要构件在汽车荷载作用下的弯矩和位移，以及混凝土收缩徐变对结构内力影响。分析结果表明：几何非线性和混凝土收缩徐变对自锚式斜拉—悬索协作体系影响显著；结构整体刚度随矢跨比的增大而增大，主梁和主缆的轴力随矢跨比的增大而减小；主梁设置拱度可以提高体系的整体刚度。 3．针对端吊索疲劳问题，主梁斜拉段和悬索段之间过渡段的连续性问题展开论述，并简要阐述了自锚式斜拉—悬索协作体系桥的施工方法问题。通过研究发现，设置辅助墩、交叉吊索和提高主梁抗弯刚度均可以降低端吊索的应力幅，避免端吊索疲劳破坏；增大吊索截面面积能显著提高吊索的抗疲劳能力；对于主梁斜拉段与悬索段交接处要选择合适的过渡段构造形式，能够减缓该处应力突变现象。 4．推导了自锚式斜拉—悬索协作体系桥的极限跨径，分析其极限跨径与结构几何参数、荷载和材料特性的关系。从材料强度出发，并结合目前桥梁常用的材料，对混凝土主梁、钢主梁和混合梁自锚式斜拉—悬索协作体系桥在竖向荷载作用下的极限跨径展开了具体研究，得到了相应的极限跨径上限和各因素对极限跨径的影响。分析结果表明：增大主缆矢跨比、斜拉段高跨比和主梁斜拉段长度比例，减小二期恒载，都可以提高协作体系的极限跨径。 5．基于模糊决策理论，建立了自锚式斜拉—悬索协作体系桥多层多目标模糊优选模型，它将众多因素分层考虑，协调各因素之间的复杂关系，并应用模糊定权的方法来确定因素的权重，克服了目标函数中用线性评判指标来处理高度非线性多目标问题的不足与确定权重问题的不足。应用该模型对大连湾跨海大桥工程中所提出的各方案进行优化选型，通过比较分析认为选择自锚式斜拉—悬索协作体系桥最为合理。 6．为了探索自锚式斜拉—悬索协作体系桥的整体结构特性，并检验其设计及计算理论的正确性，以大连湾跨海大桥推荐方案为原型，制作1／100的试验模型，进行全桥模型试验分析，试验结果与有限元计算结果基本吻合。试验验证了有限元计算中的各种模拟与假定的正确性，表明用现有的有限位移理论分析是安全可靠的。为实际工程的设计与力学性能研究提供依据，并为同类型桥梁的研究提供参考。