甬江特大桥索塔锚固区有限元分析及节段模型试验

摘要

索塔拉索锚固区是斜拉桥的关键部位，拉索的集中力将通过这一部位安全、均匀地传递到塔柱中。由于索塔锚固区受力集中、构造复杂，成为斜拉桥设计和施工的关键，因此，其受力性能分析的探讨一直以来受到桥梁界的瞩目。本文以在建宁波绕城公路甬江特大桥为工程背景，该桥是国内第一座双塔四索面联塔斜拉桥，索塔的塔柱未设上横梁，只是在塔顶部位通过混凝土板将两塔柱连在一起，构成单箱三室的结构，在强大拉索力和预应力共同作用下，索塔锚固区受力十分复杂。本文简要介绍了索塔锚固区节段足尺模型试验及试验结果。对小半径大吨位环向预应力体系在工程实践中的应用进行了理论分析和足尺寸模型试验研究，试验条件与实际施工工艺完全相同。通过测定大吨位小半径预应力钢束的应力损失，从理论上分析了小半径大吨位环向预应力体系在计算预应力损失方面的特点和造成张拉伸长量偏大且实测的数据离散性较大的原因，给出塑料波纹管及钢管的孔道摩阻系数μ及偏差系数k值。为低回缩锚具的施工工艺提出指导性建议，同时丰富和完善相关理论分析和试验研究。采用大型空间有限元分析软件ANSYS10.0对其索塔节段锚固区进行了详细的有限元分析，并与足尺模型试验值进行了比较，结果表明有限元空间分析与模型试验实测结果基本吻合。模型的抗裂安全系数大于1.65，索塔结构锚固区设计安全可靠。找到了索塔截面的应力控制点，提出了优化配束的计算公式并计算出了优化的结果，计算表明采用优化的配束方案可以使索塔的应力分布更加均匀，并可以节省预应力束材料。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1斜拉桥发展概述

1.1.1斜拉桥的受力特点

1.1.2斜拉桥发展概况

1.1.3斜拉桥发展趋势

1.2斜拉桥锚固区研究现状

1.2.1索塔锚固结构概述

1.2.2在实体塔柱上交错锚固

1.2.3在空心塔柱上非交错锚固

1.2.4钢锚固梁锚固结构

1.2.5钢锚箱锚固结构

1.2.6索塔锚固区节段受力分析的现状

1.2.7索塔锚固区预应力束平面布置与构造

1.3工程背景

1.4本文研究的目的和主要内容

第二章相关理论介绍

2.1有限元分析的基本步骤

2.1.1结构的离散化

2.1.2选择位移模式

2.1.3单元分析

2.1.4整体分析

2.1.5求解未知结点位移及单元应力

2.1.6结果处理与显示

2.2混凝土有限元相关分析理论

2.2.1混凝土材料本构关系

2.2.2混凝土的破坏模型

2.3结构有限元模型的选取

2.3.1分离式

2.3.2组合式

2.3.3整体式

2.4建模方法

2.4.1等效荷载法

2.4.2体分割法

2.4.3独立建模耦合法

2.5钢筋混凝土结构分析中相关单元

2.5.1混凝土单元SOLID45

2.5.2混凝土单元SOLID92

2.5.3钢筋单元LINK8

2.5.4壳单元SHELL63

2.6关于复杂体的网格划分方法

2.6.1自由网格划分

2.6.2映射网格划分

2.6.3拖拉扫略网格划分

2.6.4混合网格划分

2.6.5利用自由度耦合和约束方程

2.6.6利用子区模型等其它手段

2.7本章小结

第三章甬江特大桥索塔节段模型设计及有限元分析

3.1索塔节段模型设计原则

3.2甬江特大桥索塔空间有限元分析

3.2.1全塔有限元分析

3.2.2索塔节段有限元分析

3.3有限元计算结果

3.3.1全塔有限元分析结果

3.3.2索塔节段有限元分析结果

3.4节段模型试验加载方案设计

3.5本章小结

第四章甬江特大桥索塔节段足尺模型试验

4.1试验模型的制作

4.2预应力钢束摩阻试验

4.2.1摩阻系数测定

4.2.2钢束伸长量的测定

4.3低回缩锚具施工工艺研究

4.4索塔节段模型最不利索力加载试验

4.4.1锚固区混凝土测点测试结果

4.4.2锚固区混凝土测点测试值与计算值比较

4.5索塔节段模型破坏加载试验

4.6本章小结

第五章大吨位小半径环向预应力束的优化配置

5.1基本优化理论

5.1.1优化问题分类

5.1.2优化问题数学模型

5.1.3索塔锚固区优化思想

5.1.4索塔锚固区抗裂安全等级及相应的要求分析

5.2塔顶结合部预应力束优化

5.2.1塔顶结合段有限元模型

5.2.2预应力束优化

5.3塔柱分离段抗裂度评估

5.3.1塔柱分离段有限元模型

5.3.2塔柱分离段抗裂性分析

5.4本章小结

结论及建议

主要结论

建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目