钢管混凝土拱桥拱肋病害机理与影响分析及吊杆更换技术研究

【摘要】：钢管混凝土拱桥以跨越能力大、承载能力高、结构轻盈美观和施工方便等特点,在我国得到了广泛的应用。然而,在运营过程中,不少钢管混凝土拱桥均出现了拱肋混凝土脱空,下挠等病害,给其发展带来了一定的负面影响。必须对现有的问题进行总结分析,有针对性的采取措施,才能使得钢管混凝土拱桥重新焕发活力。本文针对钢管混凝土拱桥目前亟待解决的三个关键技术问题:一、拱肋主要病害的产生机理,二、各主要病害对钢管混凝土拱桥极限承载力的影响,三、吊杆更换方法进行了深入研究。主要研究内容如下: (一)钢管混凝土拱桥拱肋脱空和下挠的病害机理研究。 基于平面应变理论,对钢管混凝土构件在轴向压力、温度荷载和混凝土收缩作用下的界面拉应力计算公式进行了推导。并拟合得到了低应力条件下,钢管混凝土界面拉应力计算的实用公式。结果表明,钢管混凝土在以上各因素作用下出现脱空是必然的。根据钢管混凝土的密闭特性,提出采用B3模式的基本徐变来预测钢管混凝土的徐变。并采用预处理的共轭梯度法对B3模式的基本徐变表达式进行了Drichilet级数拟合,建立了徐变计算的递推公式。然后通过UPFs二次开发技术,在大型通用软件ANSYS上通过自定义徐变模式的方式,实现了钢管混凝土结构徐变效应的计算。 对引起拱肋下挠的各种因素进行了详细分析,计算结果表明,徐变引起的拱肋变形规律和实测曲线基本一致,且数值处于同一数量级,说明徐变是引起拱肋下挠的最主要原因。 (二)拱肋病害对钢管混凝土拱桥受力性能和极限承载能力的影响研究。 按“等效紧箍力”与轴压紧箍力的比值对套箍系数进行修正,得到了改进的考虑偏心影响的钢管混凝土本构关系。提出了钢管与核心混凝土粘结-滑移本构关系的简化模型,并采用该模型,通过在钢管与混凝土之间设置弹簧单元来模拟界面之间的粘结程度,在大型通用有限元软件ANSYS平台上实现了考虑脱空影响的钢管混凝土拱桥受力全过程仿真分析。 提出了钢管混凝土界面脱空率和高度脱空率的概念。研究了脱空率对不同含钢率、不同矢跨比以及不同荷载作用方式钢管混凝土拱肋受力性能的影响。并以三山西大桥、丫髻沙大桥及桂江大桥为实例,研究了脱空对桁式及单圆管钢管混凝土拱桥极限承载力的影响。结果表明,脱空将明显降低桁式钢管混凝土拱桥的极限承载力。但脱空基本不影响单圆管钢管混凝土拱桥的极限承载能力。 (三)钢管混凝土拱桥吊杆更换技术研究。 以三山西大桥维修加固工程为背景,对钢管混凝土拱桥的吊杆更换技术进行了研究。建立了三山西大桥加固计算的基准有限元模型。采用有限元法,在ANSYS软件平台上,提出了基于宏搜索和基于优化理论的索力识别技术。对吊杆更换工序进行了比选,提出采用变步长张拉临时吊杆和割断相应钢丝的方法对三山西大桥吊杆进行更换。利用结构优化设计的原理,分别以吊杆索力均匀性和拱肋弯矩平方和作为目标函数对三山西大桥的吊杆索力进行了优化,通过对比分析,推荐采用吊杆索力均匀性优化结果作为吊杆更换后的目标索力。