四塔单索面宽幅脊梁矮塔斜拉桥设计关键技术研究

【摘要】：矮塔斜拉桥由于优越的结构性能、良好的经济指标及优美的桥梁造型,在200m左右跨径领域,具有极强的竞争能力。近年来,我国矮塔斜拉桥虽发展迅速,但日益发展的工程实践和相对较少的基础研究之间存在矛盾。现有研究多集中于中小跨径的窄幅结构,以工程归纳形成的构造共识和分析理论难以有效解决大跨、宽幅和长联矮塔斜拉桥工程中的实际问题。本文以江肇西江大桥为依托,围绕多塔宽幅单索面矮塔斜拉桥设计关键技术展开研究。通过理论归纳和仿真分析验证,本文主要研究成果和创新点如下： (1)针对大跨、长联工况,创新性提出墩、塔、梁固结体系多塔单索面矮塔斜拉桥桥型方案,有效解决多塔结构塔顶位移和结构刚度等核心技术问题。 (2)为弱化超宽截面自重效应,创新性提出宽幅脊梁断面,通过采用长翼板加劲肋桥面体系和后浇段工序措施,有效改善主梁剪轴力滞效应；通过边中腹板差异设计,以适应边中腹板受力的不均匀性。 (3)系统研究矮塔斜拉桥整体参数变化敏感性,为塔高、边中跨无索区长度和边中跨比等关键参数拟定提供理据,由研究结论可知,高塔型矮塔斜拉桥是发展方向,跨中无索区长度趋于减少,边中跨比取0.6时结构整体受力较优。 (4)创新性提出预应力配合比概念,系统研究斜拉索和体内预应力敏感度比值,综合考虑二者造价因素、抵抗竖向荷载效应和平抑主梁应力效率的不同,提出斜拉索和体内预应力的最优配置比例。 (5)为使墩、塔、梁固结体系多塔矮塔斜拉桥成桥后期处于合理受力状态,对混凝土徐变、基础模拟刚度和混凝土自重荷载效应进行敏感性分析可知,徐变对墩身影响最为显著,其值可达30%,其他两项同样不可忽略。 (6)针对宽幅脊梁纵、横向空间受力特征和后浇加劲桥面系复杂的受力机理,原有以纵向分析为主的桥梁设计方法存在局限,本文创新性提出能兼顾纵横的空间设计方法。在此基础上,通过桥梁仿真分析,系统研究不同阶段、不同梁段剪轴力滞效应,为合理配束和设置后浇带提供理据；系统研究边中腹板受力不均匀性,提出不均性系数为1.3左右,据此精当拟定脊梁断面腹板厚度；明晰加劲肋桥面系受力机理,明确横向剪力滞系数和后浇带滞后浇筑可行时域。 (7)通过动力特性分析可知,矮塔斜拉桥动力特性较接近于连续梁桥,振型主要由主梁刚度控制,主塔刚度只对主塔自身振动有影响。抗风和抗震对结构设计制约较少。 (8)系统研究矮塔斜拉桥景观设计和斜拉索耐久性设计,在设计之初即采取有效措施,确保超大吨位拉索的可养护性和可更换性。换索研究表明,在不中断交通的条件下,考虑到荷载的不确定性,建议每次只能更换一对斜拉索。 在无成熟工程经验可资借鉴的情况下,因无相关规范提供技术指导,江肇西江大桥实现了多项技术上创新,本文的研究成果对大桥的设计提供了可靠依据,也为类似工程的设计提供了有价值的参考。