自锚式悬索桥钢混组合桥塔塔梁固结区应力分析

摘要

桥塔是自锚式悬索桥的关键传力构件，恒载和活载效应通过主缆传递到塔顶鞍座，对桥塔产生巨大的压弯效应，而以钢结构和混凝土结构相互作用、结为整体的钢—混组合塔梁固结区更是桥梁传力体系的关键部位。
　　自锚式悬索桥的塔梁固结区节段受力性能的探讨一直以来受到桥梁界的瞩目。由于固结区一般构造复杂、传力途径多且缺乏规范条文依据，为可靠地把握固结区的应力状态，验证设计的安全性和合理性，本文根据辽宁省沈阳市浑河高坎景观桥—钢混组合桥塔自锚式悬索桥的结构特点，详细介绍了钢混组合结构的基本性能和钢混组合桥塔自锚式悬索桥塔梁固结区的构造和受力情况。常用的局部分析方法子模型技术是在原有整体模型和分析结果的基础上进行的，这意味着必须建立全桥的有限元模型，而在具体的桥梁工程实践中，这往往会面临两个问题:一、对于复杂桥型，建立桥梁模型困难，耗时长;二、不能够精准的模拟出混凝土收缩徐变、预应力损失等问题。所以选用一种折中的方法:即采用专业的桥梁分析软件(如Midas/Civil)建立桥梁整体模型，得到局部模型的边界条件并施加到由大型通用有限元软件(如Midas/FEA)建立的局部模型上，最后分析求解。介于此本篇文章通过桥梁结构专用软件Midas/Civil进行桥梁结构的整体分析，采用有限单元法对该桥进行有限元离散，主梁采用弹性梁单元模拟，桥塔采用重合梁单元来模拟，通过共节点来考虑钢箱与混凝土之间的耦合作用，主缆和吊索采用索单元模拟，建立了桥梁空间力学计算的有限元模型;再通过空间有限元分析软件Midas/FEA，根据圣维南原理，模拟该悬索桥桥塔梁固结区，分析其空间受力情况。
　　在参阅了国内外有关文献及实桥资料的分析，明确了钢混组合桥塔自锚式悬索桥塔梁固结区在三种典型工况（即恒载、恒载+活载、恒载+半跨活载）的受力情况。对于塔梁节点固结体系的自锚式悬索桥，钢箱部分的最大应力出现在索塔与钢箱交界面处的索塔外侧区域，索塔钢壳最大应力出现在钢箱和钢壳的连接区域，并且在索塔外侧的中央腹板位置处最大，应力值分别为91.83MPa、163.4MPa和204.1MPa，虽然这些值均满足规范要求，但是这些区域都存在一定的应力集中，其它区域的应力分布比较均匀。塔内的混凝土大部分处于受压状态，压应力分布均匀为1.3～20.0MPa，满足规范要求，但是索塔与钢箱固结连接界而的部分区域的混凝土有较大的主拉应力出现，应力集中区域最大主拉应力分别为2.8MPa，3.5MPa，4.4MPa，已经超过了规范值。最后通过与钢筋混凝土桥塔受力分析比较得出组合结构体系的承载能力比钢筋混凝土结构提高了将近60％。本篇文章的计算数据准确，分析结果无误，在同类型桥梁的设计、施工、检测以及加固中具有良好的参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 自锚式悬索桥发展概况

1．1．1 自锚式悬索桥的发展史

1．1．2 中国自锚式悬索桥发展情况

1．1．3 自锚式悬索桥发展前景

1．2 自锚式悬索桥钢混组合桥塔结构特点和材料性能

1．2．1 钢混组合结构的特点

1．2．2 钢混组合结构的材料性能

1．3 自锚式悬索桥塔梁固结区节段受力分析的研究现状

1．3．1 自锚式悬索桥塔梁固结形式

1．3．2 自锚式悬索桥塔梁结构研究状况

1．4 自锚式悬索桥塔梁固结结构存在问题

1．5 本文主要研究内容

1．6 本文主要技术路线

第二章 有限元分析方法及基本理论

2．1 概述

2．2 有限元法基本原理

2．3 空间刚架有限元原理

2．3．1 单元位移列阵

2．3．2 单元刚度矩阵

2．4 钢混组合结构设计计算理论及方法

2．4．1 钢混组合结构设计计算理论

2．4．2 钢混组合结构计算方法

2．4．3 钢混组合结构计算方法比较

2．5 有限元分析主要步骤

2．6 本章小结

第三章 有限元模型的建立

3．1 有限元软件Midas／FEA简介

3．2 工程背景简介

3．3 主要技术指标

3．4 计算模型主要材料及其参数

3．4．1 主塔材料

3．4．2 主梁材料

3．4．3 主缆材料

3．4．4 吊索材料

3．5 计算模型主要结构构造

3．5．1 索塔钢壳构造

3．5．2 塔梁固结区构造

3．5．3 索塔横粱连接构造

3．5．4 主缆构造

3．5．5 索夹构造

3．5．6 索鞍构造

3．5．7 吊索构造

3．6 塔梁固结区主塔角点位置参数方程及坐标

3．7 主要作用荷载

3．8 塔梁固结区施工流程

3．9 自锚式悬索桥模型的建立

3．9．1 边界条件

3．9．2 构件单元

3．9．3 主缆初步找形

3．9．3 主缆精确成桥线形分析

3．10 塔梁固结区模型的建立

3．10．1 钢材与混凝土的连接处理

3．10．2 构件单元及建模过程

3．10．3 边界条件

3．10．4 计算假定及荷载处理

3．11 本章小结

第四章 塔梁固结区受力分析

4．1 前言

4．2 荷载作用值

4．3 工况一：恒载作用计算结果与分析

4．3．1 结构变形

4．3．2 应力分布

4．4 工况二：恒载+满跨活载作用计算结果与分析

4．4．1 结构变形

4．4．2 应力分布

4．5 工况三：恒载+半跨活载作用计算结果与分析

4．5．1 结构变形

4．5．2 应力分布

4．6 钢筋混凝土桥塔应力分析

4．7 分析结论

4．8 本章小结

第五章 结论

5．1 主要结论

5．2 进一步研究与展望

参考文献

作者简介

致谢