交叉索多塔斜拉桥结构刚度及拉索交叉比例研究

摘要

多塔斜拉桥有多个主跨，较传统的双塔斜拉桥具有跨越能力大、施工难度小、造价较低的优势，但由于中间桥塔缺乏端锚索及辅助墩等必要的约束，导致结构整体刚度不足，这是制约其发展的关键因素。前人为此提出多种缆索约束的概念设计方案，本文结合英国昆斯费里大桥的建设，就跨中设置交叉索来提高多塔斜拉桥结构刚度这一方法进行系统性研究，主要工作有以下几个方面：
　　（1）为从理论角度研究交叉索的作用机理，基于变形协调原理，通过力学分析推导出了考虑塔、梁自身刚度影响下的交叉索多塔斜拉桥中塔抗推刚度估算公式，并进行了算例验证。结果表明，本文推导的公式解与有限元解的误差在2%~8%之间，满足多塔斜拉桥概念设计阶段的精度要求。交叉索的作用机理是当中塔发生纵向位移时，跨中梁重在交叉背索中重新分配，使得中塔侧交叉索索力增大，边塔侧交叉索索力减小，边塔侧交叉拉索的索力变化量平衡了使得跨中主梁上挠的竖向力，从而减小了主梁变形，增大了结构刚度。随着交叉索数量的增多，中塔刚度不断增大，跨中设置10对交叉索时中塔水平位移减小量高达51%。对于交叉索多塔斜拉桥而言，桥塔自身刚度的改变对中塔抗推刚度的影响大于主梁，但二者皆小于跨中交叉索对中塔抗推刚度的影响。
　　（2）为研究交叉索对结构刚度的影响程度及规律，提出了多塔斜拉桥设置跨中交叉索的两种方案，通过改变跨中交叉索对数，共建立11个对比方案进行有限元分析。结果表明，在不平衡荷载作用下，设置跨中交叉索使得桥塔位移、中塔内力、主梁内力、主梁变形以及跨中拉索索力变化值均大幅减小，边塔内力有所增大。交叉索表现出一种“连接件”的作用，使之前不参与受力或参与较弱的构件受力增大，削弱了主要受力构件的内力峰值，从而减小了结构的变形，使得全桥受力更为均衡，各构件材料得以充分利用。
　　（3）为给出基于双指标的拉索交叉比例合理范围，通过对基于结构刚度的交叉索效率指标、基于全桥用索量的交叉索经济性指标进行分析，并结合现行规范与实桥经验数据，确定两指标的限值，将设置不同比例交叉索的多塔斜拉桥划分为三个区域，各区域内斜拉桥的刚度、用索量各有差异，通过分析确定交叉索斜拉桥的优选方案。结果表明，最优方案为采用方案2方法设置交叉索，且拉索交叉比例合理范围为15%~35%，若必须采用方案1，则拉索交叉比例应控制在16%以内以保证结构经济性。

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2多塔斜拉桥的发展

1.3多塔斜拉桥的优势及技术难题

1.4本文研究的主要内容

1.5研究技术路线

第二章 交叉索多塔斜拉桥中塔刚度理论公式推导

2.1多塔斜拉桥中塔刚度提高方法

2.2 交叉索多塔斜拉桥中塔刚度理论公式推导

2.3 塔梁自身刚度对交叉索多塔斜拉桥刚度的影响分析

2.4 本章小结

第三章 交叉索对多塔斜拉桥刚度的影响研究

3.1桥梁参数选取

3.2交叉索设置方案及有限元模型的建立

3.3交叉索对结构刚度的影响分析

3.4方案对比分析

3.5本章小结

第四章 基于结构刚度与用索量的拉索交叉比例研究

4.1基于结构刚度的交叉索效率研究

4.2基于用索量的交叉索经济性研究

4.3基于双指标的拉索交叉比例合理范围

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1本文主要研究工作及结论

5.2主要创新点

5.3对进一步研究的建议与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢