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钢—混凝土混合梁自锚式悬索桥受力性能与计算方法研究

黄琼  
【摘要】: 自锚式悬索桥近年来发展很快,跨度越来越大,桥型也日益多样化,刚建成的和在建的自锚式悬索桥有许多座。本文结合佛山平胜大桥,对混合梁自锚式悬索桥进行了研究,主要取得以下成果: 1.对混合梁自锚式悬索桥的极限跨度进行了研究。根据混合梁自锚式悬索桥主缆和加劲梁的材料极限强度条件,推导了混合梁自锚式悬索桥极限跨度的公式,同时考虑了加劲梁的轴力和弯矩。计算结果表明,同时考虑轴力和弯矩计算得到的混合梁自锚式悬索桥极限跨度值比只考虑轴力得到的极限跨度值小3%~21%。研究了边跨主跨跨度比、主缆垂跨比、吊杆刚度等因素对混合梁自锚式悬索桥极限跨度的影响,其中主缆垂跨比对混合梁自锚式悬索桥极限跨度的影响最大。 2.基于能量原理,提出了计算混合梁自锚式悬索桥受力性能的二体逼近法,对双塔三跨混合梁自锚式悬索桥和独塔双跨混合梁自锚式悬索桥导出了求解加劲梁内力、挠度和主缆水平分力的基本公式。该法将混合梁自锚式悬索桥的主缆和吊杆截开,用未知力来代替,分别取主缆和连续加劲梁为隔离体进行分析,通过迭代逐步逼近,使两者满足受力协调条件,对主缆同时考虑了恒载和活载作用下的挠度,对加劲梁同时考虑了轴力和弯矩的作用以及梁柱效应。算例结果表明,二体逼近法的计算结果收敛速度快,与几何非线性有限元法的计算结果吻合良好。 3.以佛山平胜大桥为背景,采用二体逼近法对钢—混凝土混合梁自锚式悬索桥的受力性能进行了较为系统的研究。结果表明:适当增大主缆垂跨比和加劲梁的上拱度可以增大结构刚度;增大加劲梁抗弯刚度虽然能减小加劲梁主跨挠度,但是其弯矩也会大大增加;由于梁柱效应,自锚式悬索桥巨大的轴力使其加劲梁的弯矩和挠度比地锚式悬索桥加劲梁的稍大,但这巨大的轴力,有利于混合梁钢-混凝土结合段的连接;混合梁自锚式悬索桥与同等参数下的钢梁自锚式悬索桥相比,加劲梁弯矩和挠度的计算结果比较接近,差别不超过5%。 4.钢-混凝土结合段是混合梁自锚式悬索桥的关键部位之一。对混合梁自锚式悬索桥钢-混凝土结合段的结构形式进行了对比试验研究。设计制作了3种不同结构形式的钢-混凝土接头,完成了纯弯试验、纯剪试验、纯压试验、模拟实桥试验和破坏试验,并进行了空间有限元分析。结果表明:3个模型的破坏都不由结合段控制,说明3个结合段结构形式均可行,但对钢-混凝土结合段钢箱梁侧作局部加强、对混凝土梁侧设置刚度过渡,使钢-混凝土结合段两侧刚度过渡匀顺是很有必要的;钢-混凝土结合段采用PBL键连接或采用栓钉连接都是可靠的。 5.剪力连接件是钢-混凝土结合段中的重要传力元件。PBL剪力键是一种新型剪力连接件。设计并完成了20组共59个不同形式的PBL剪力键推出试验,研究了PBL剪力键的受力行为、极限承载力、破坏形式,考察了各种因素对PBL键承载力的影响,并与栓钉剪力键进行了比较;提出了PBL键极限承载力计算公式。 本文的研究成果已应用于佛山平胜大桥,也为以后其他混合梁自锚式悬索桥的设计提供参考。


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