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高墩曲线连续刚构箱梁桥空间行为研究

张志新  
【摘要】:我国目前对高墩大跨径预应力混凝土弯连续刚构桥的研究才刚刚起步。对于箱梁桥的研究,既有直桥也有弯桥,既有平面分析加局部空间分析,也有纯空间分析。但是对于弯桥预应力结构,采用纯空间分析的比较少;进一步分阶段、分工况进行空间分析的就更为缺乏。对于一般的直桥采用平面程序辅助局部空间分析即可满足设计计算要求,对于弯桥则必须采用空间分析。目前对高墩大跨弯连续刚构桥结构分析的研究主要集中在剪力滞分析、扭转分析、空间局部分析等方面,该类研究基本上是围绕单因素展开的,分析方法和成果已相对成熟,但均为“平面杆系加局部分析”和“不完全空间的三维单元”,无法达到全结构的仿真分析。 本文为西部交通建设科技项目“高墩大跨径弯桥设计与施工技术的研究”的理论支撑,利用项目组自编的桥梁结构空间分析软件(BridgeKF),将空间实体单元提高到梁单元的简单程度,实现了预应力自动计算、分阶段模拟施工过程、自动动态规划活载;给出了基于BridgeKF的实体单元分析的建模方法,针对高墩大跨径预应力曲线连续刚构箱梁桥结构进行了大量的数值计算分析,系统地研究了此类桥梁的空间力学行为规律,为高墩大跨径弯桥设计和施工打下了理论基础。本文的主要研究工作有: 在国内外研究成果基础上,对高墩曲线连续刚构箱梁桥空间行为进行了系统研究,为了符合工程设计习惯,紧密结合工程实际,在对高墩曲线连续刚构箱梁的荷载、温差、强迫位移、收缩徐变、动态规划、预应力及其损失和分阶段施工模拟等进行预分析后,主要针对高墩曲线连续刚构箱梁的扭转、剪力滞效应、横向力学行为、薄壁墩力学行为和强迫位移下结构的反应等五个方面进行了深入探讨:(1)箱梁扭转方面主要研究了弯曲半径对箱梁扭矩、纵向弯矩、横向弯矩、竖向剪力的影响及变形分析,重点分析扭转效应。(2)剪力滞效应方面主要研究了半径、墩身高度、梁高比、宽跨比等因素对弯桥剪力滞效应的影响规律。(3)横向分析方面重点研究了箱梁结构横向应力和横向位移对荷载、弯曲半径、预应力和温差变化的反应。(4)薄壁高墩方面重点研究了曲线连续刚构箱梁结构的恒载、弯曲半径、预应力和温差变化对薄壁墩的影响。(5)强迫位移方面重点研究了结构边支点和主墩强迫位移对上部箱梁的影响。主要创新性成果有: 1、经过对不同半径的高墩曲线连续刚构箱梁进行分析,得出了弯曲半径对箱梁空间内力的影响规律。恒载作用下,受半径影响最大的是扭矩,其次是横向弯矩,对纵向弯矩和剪力影响较小;弯曲半径越小,扭矩越大,内外侧位移差越大,当弯曲半径小于800m时,扭矩和内外侧位移差增长趋势变大。活载作用下,受半径影响最大的是横向弯矩,其次是扭矩。半径小于800m(弯曲角大于18.3°)后,对各项内力指标影响加剧。 2、通过对高墩曲线连续刚构箱梁剪力滞效应的研究,给出了曲率半径、墩身高度、梁高比、宽跨比等因素对剪力滞效应的影响规律。恒载作用下,弯曲半径对箱梁顶底板的剪力滞系数影响很大,随着半径的减小,内外径侧剪力滞效应响应增强。当半径大于1200m时,半径对箱梁剪力滞影响可忽略不计,当半径大于250m时,如不考虑曲率影响,采用平面程序按直桥计算的误差在25%以内。剪力滞还受墩高、宽跨比、梁高比因素影响。墩越高,剪力滞效应越明显,当高度达到40m后,对剪力滞影响趋于稳定。宽跨比越大,剪力滞效应越明显;梁高比越小,剪力滞影响越明显。 3、箱梁结构横向应力和横向位移对荷载、弯曲半径、预应力和温差变化的反应的研究表明:横向应力受弯曲半径影响较大;半径越小,顶底板横向效应越明显,结构向内侧的位移越大;受宽跨比、升降温的影响也较大。 4、曲线连续刚构箱梁结构的恒载、弯曲半径、预应力和温差变化对薄壁墩的影响研究表明:薄壁墩的内力受自重、上部预应力、弯曲半径、墩高、墩截面形式、温度等影响,半径改变对墩侧向及纵向弯矩影响较大;墩高越高,侧向、纵向弯矩越小。中墩的位移主要是横向,在最大悬臂状态时达到最大;半径减小,横向位移增大。 5、结构强迫位移对上部箱梁的影响研究表明:边跨支座下沉对边跨的扭矩影响很大,当边跨内侧支座下沉1cm时,边跨扭矩是成桥的2倍。这点必须引起工程技术人员的足够重视。 本文研究成果对我国曲线高墩大跨连续刚构桥的内力分析计算、内力影响因素识别、结构设计等具有指导意义,可为我国高墩大跨预应力刚构桥设计施工提供参考。


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