超宽混凝土自锚式悬索桥成桥状态控制与空间力学行为研究

发布时间：2020-08-18 08:05

【摘要】：混凝土自锚式悬索桥采用混凝土作为塔、梁材料,其主缆直接锚固于梁端,形成纵向自平衡体系,并为主梁提供附加预应力,结构恒、活载通过吊杆传至主缆、再传至索塔及基础,结构传力途径合理。近年来,混凝土自锚式悬索桥因其良好的经济性、结构合理性、优雅外观以及对地形的普适性,在中等跨度桥梁中的竞争力日益增强。同时,随着城市交通量的增长,桥面车道数量需求日益增加,出现了越来越多的宽主梁混凝土自锚式悬索桥,主梁宽跨比逐渐提高,甚至达到了1:4.2。本文以山东聊城湖南路大桥工程为背景,围绕超宽混凝土自锚式悬索桥施工及运营过程中的成桥状态控制关键问题、超宽箱梁空间力学行为以及混凝土收缩徐变效应预测等问题展开研究。主要内容和成果包括:(1)超宽混凝土自锚式悬索桥合理成桥状态确定研究。基于主缆分段悬链线理论、无应力长度不变原理、空缆线形及索鞍预偏计算方法、混凝土收缩徐变特性等,提出一种确定混凝土自锚式悬索桥合理成桥状态的综合方法,该方法将悬索桥缆索解析程序BNLAS与有限元分析相结合,采用精细化有限元离散方法模拟主缆与索鞍接触关系的不断变化,并通过引入温度刚臂考虑主缆作用力及施工阶段混凝土收缩徐变引起的主梁、主塔压缩量,采用结构优化算法对成桥状态进行优化设计,从而得到混凝土自锚式悬索桥的合理成桥状态。(2)自锚式悬索桥缆索系统架设与体系转换控制研究。提出自锚式悬索桥体系转换全过程多重控制方法及相应的张拉控制目标,可以提高体系转换控制的精度和效率。给出索夹的无应力安装预偏量,提出吊杆张拉及体系转换的总体原则。基于吊杆张拉过程中缆索体系的力学特性,将体系转换过程划分为四个阶段,即全桥初张拉阶段、边跨被动张拉阶段、局调阶段、二恒施加完成阶段。根据多重控制方法提出每一阶段的控制目标及原则,制订相应的吊杆张拉与体系转换方案并在工程现场得以实施。(3)车辆荷载作用下超宽混凝土自锚式悬索桥空间力学行为研究。结合实桥加载试验和空间梁单元模型有限元分析,研究车辆荷载作用下超宽混凝土自锚式悬索桥的整体力学行为,分析静载作用下整体结构的变形及内力变化,研究超宽混凝土箱梁的应力水平及其横桥向分布,进行桥梁动力特性分析及移动车辆荷载作用下的动态增量分析。(4)超宽混凝土主梁施工及成桥状态下空间力学行为精细化分析。建立超宽混凝土自锚式悬索桥的整体精细化有限元模型,采用实体单元模拟超宽主梁、横隔梁及锚固区,并精确模拟缆索系统、预应力束连接及边界条件。在此基础上结合监测数据,对预应力张拉、体系转换过程及成桥状态下超宽主梁的空间力学行为进行研究,分析超宽主梁纵、横向应力的横桥向分布规律,并对超宽箱梁的剪力滞效应进行评价。(5)考虑宽箱梁剪力滞效应的空间梁单元开发研究。提出一种可以考虑宽箱梁剪力滞效应的空间梁单元理论模型,通过增加新的剪力滞翘曲自由度,根据截面剪力流的传递规律提出非对称多室截面的翘曲形函数,基于有限单元法得出考虑剪力滞效应的空间Timoshenko梁单元刚度矩阵和质量矩阵。基于ANSYS程序的单元二次开发功能,利用内置的Uec、Uel接口对所提出的梁单元理论模型进行编译,通过简支梁算例及自锚式悬索桥算例验证用户自定义单元的可靠性,提高所提出梁单元理论模型的应用性。(6)考虑宽箱梁剪力滞效应的混凝土收缩徐变效应确定性分析。首先进行超宽混凝土自锚式悬索桥时变效应实测分析;其次,采用所提出的可以考虑宽箱梁剪力滞效应的梁单元建立桥梁整体有限元模型,采用按龄期调整的有效模量法和有限元逐步计算法考虑混凝土材料的老化特性,将混凝土收缩徐变预测模型CEB-FIP 90、B3得到的主梁收缩徐变应变及结构位移预测结果与实测数据进行对比,评价两种模型的预测精度;进行超宽自锚式悬索桥混凝土收缩徐变效应确定性预测分析,其中,根据各时间步计算结果,通过更新预应力束初应变的施加考虑主梁预应力的损失。另外,根据分段施工的各梁段实际混凝土浇筑至成桥的时间跨度,在面向混凝土收缩徐变预测分析的有限元模型成桥状态中,考虑了施工期间混凝土收缩徐变引起的结构内力及线形变化。采用考虑剪力滞效应的梁单元进行混凝土收缩徐变预测分析,可以得到超宽主梁截面压应力变化的不均匀性,从而避免低估超宽主梁应力的变化。(7)超宽混凝土自锚式悬索桥混凝土收缩徐变效应随机性分析。提出一种适用于复杂自锚式悬索桥混凝土收缩徐变效应随机预测与参数敏感性分析的简化算法,该算法兼顾了效率与精度。通过选取环境湿度、结构参数和B3模型计算参数作为随机变量,采用二次近似矩估计方法得到了结构响应的95%置信区间等统计特性,通过与实际监测数据对比验证了此方法的高效性和可靠性。根据预测分析结果,同时考虑混凝土收缩徐变和宽箱梁剪力滞效应,进行自锚式悬索桥合理成桥状态参数化分析。选取成桥吊杆力作为设计变量,主梁竖向位移及纵向内力作为状态变量,剪力滞效应影响下超宽箱梁截面顶、底板最不利位置的长期压应力变化作为目标函数,得出索鞍位置及吊杆力调整的合理范围,研究结论为类似超宽混凝土自锚式悬索桥的结构健康监测及合理成桥状态确定研究提供了重要参考。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U448.25
【图文】：

自锚式悬索桥,特大跨,瓶颈,日本

2图 1-1 日本此花大桥 26.5m，是 1954 年自锚式悬索桥发展进入瓶颈期代自锚式悬索桥建设的里程牌，并开启了自锚式悬索桥，全长 540 米，主跨 300m，边跨 120m。为人字形。主梁采用单箱三室钢箱梁，高度为 3

风嘴,钢箱梁,韩国,总宽

图 1-2 韩国永宗大桥宽为 41m（包括风嘴），钢箱梁宽度为 35m。主桥为空间缆主跨 300m，边跨 125m。永宗大桥的造型、尺寸与此花大桥总高 12m，上层桥面系为高 3m 的钢箱梁，承受巨大的水面空间缆索，中跨矢跨比为 1:5，主缆直径为 46.7cm。另向中跨跨中方向逐渐扩展为与梁宽相同的 35m。

海湾大桥,海湾,单塔,总宽

图 1-2 韩国永宗大桥为 41m（包括风嘴），钢箱梁宽度为 35m。主桥为空间跨 300m，边跨 125m。永宗大桥的造型、尺寸与此花大高 12m，上层桥面系为高 3m 的钢箱梁，承受巨大的空间缆索，中跨矢跨比为 1:5，主缆直径为 46.7cm。中跨跨中方向逐渐扩展为与梁宽相同的 35m。湾桥New Oakland Bay Bridge）位于美国旧金山湾，其前身年，海湾大桥的东桥部分在里氏 7.1 级的地震中局部坍抗震性能优越的新奥克兰海湾桥。2013 年 9 月 2 日劳设置为双向 12 车道，包括 10 个机动车道和 2 条轻轨

【参考文献】