斜拉桥索塔锚固区塔壁环向应力体系研究

摘要

大跨度斜拉桥索塔是控制设计和施工的关键部位，为抵抗索力产生的强大拉应力，需要在塔体内布置环向预应力钢束，混凝土为复杂的三向受力状态。本文依托哈尔滨绕城高速公各四方台斜拉桥，针对该桥索塔受水平分力最大的塔顶部塔壁进行环向应力体系研究。研究内容分为三个方面：1、大吨位小半径环向预应力钢束张拉伸长量实验研究。2、根据节段模型的实验数据和有限元计算结果，对塔壁环向预应力效果进行分析、评价。3、对预应力钢束进行优化配置。 对索塔锚固区进行了预应力束施工工艺试验。根据实验数据，利用最小二乘法结合回归分析反演出塑料波纹管的孔道偏差系数k、孔道摩阻系数μ。对张拉伸长量比《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)偏大的原因进行分析探讨。在大吨位小半径情况下预应力钢束产生的伸长量主要由四部分组成：正常的弹性伸长量，约束状态不一致产生的附加伸长量，径向压缩与钢束重心迁移所产生的几何伸长量，管壁破损伸长量及弯曲初应力伸长量。基于定性分析后给出张拉伸长量理论计算公式，对规范在直梁张拉基础上统计得出的预应力束张拉伸长量计算是个有益的补充。 结合索塔模型实验，对塔壁环向预应力效果进行有限元分析。两者比对发现索塔在预加应力阶段及混凝土开裂前，其应力实测值与计算机仿真分析结果基本吻合，在预应力作用下，塔壁以钢束布置为中心内侧压应力储备明显大于外侧，并呈现带条状的分布特征。在预应力与14000kN索力共同作用下，塔体应力分布均匀，两种应力作用方式下变形正好相反，说明环向应力设置比较合理、效果显著。 由于塔体的构造限制，较合理的预应力钢束布置方案单一，因此对预应力布束方式的优化只进行每种钢束中预应力筋数量的确定。经过优化分析得到N<,1>～N<,4>钢束中的预应力筋数量为N<,1>=11，N<,2>=8，N<,3>=5，N<,4>=6根时其受力性能最优。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1现代斜拉桥的发展

1.1.1斜拉桥结构特点

1.1.2现代斜拉桥的发展

1.1.3斜拉桥的发展前景

1.2斜拉桥索塔锚固区塔壁环向应力体系研究现状

1.2.1斜拉桥索塔塔壁结构

1.2.2拉索索塔锚固区节段的组成构造

1.2.3大吨位小半径环向预应力钢束张拉伸长值的研究

1.2.4索塔锚固区塔壁环向应力的研究

1.2.5索塔锚固区预应力筋的优化研究

1.3本课题研究的目的和意义

1.4本文的主要研究内容

2斜拉桥索塔锚固区节段足尺模型试验概况

2.1引言

2.2试验模型的制作

2.3大吨位小半径环向预应力损失测定

2.3.1直线孔道摩阻损失的确定

2.3.2曲线孔道摩阻损失的确定

2.4索塔节段足尺模型试验

2.4.1加载方案

2.4.2测点布置

2.5本章小结

3大吨位小半径环向预应力钢束张拉伸长量的研究

3.1大吨位小半径环向预应力钢束的应用

3.2大吨位小半径环向预应力损失的特点

3.3多孔道统一摩阻系数、孔道偏差系数的反演

3.3.1公式推导

3.3.2系数反演与分析

3.3.3每根钢束摩阻系数的确定

3 4张拉伸长量分析

3.4.1张拉试验

3.4.2伸长量影响因素

3.5环向预应力钢束张拉伸长量理论公式

3.5.1 δle确定

3.5.2δlz确定

3.5.3δlg与δlm确定

3.6钢束伸长量分析

3.7本章小结

4钢筋混凝土有限元分析原理

4.1有限元分析方法简介

4.2有限元法分析过程的基本步骤

4.3钢筋混凝土材料的本构关系

4.4钢筋混凝土结构有限元模型的选择

4.4.1分离式模型

4.4.2组合式模型

4.4.3整体式模型

4.5实体力筋建模方法

4.5.1引言

4.5.2等效荷载法

4.5.3体分割法

4.5.4独立建模耦合法

4.6钢筋混凝土结构分析中的相关单元

4.6.1混凝土单元——SOLID65

4.6.2钢筋单元——LINK8

4.7本章小结

5斜拉桥索塔锚固区节段塔壁环向应力有限元分析

5.1引言

5.2塔壁节段实体模型的建立

5.2.1钢筋混凝土有限元分析模型的选择与单元类型的确定

5.2.2建立几何模型与网格划分

5.2.3施加荷载

5.3索塔锚固区塔壁环向预应力效果分析

5.3.1 ANSYS计算结果与试验数据对比分析

5.3.2代表截面关键点处的环向应力

5.3.3塔壁环向应力分析

5.3.4塔壁环向变形分析

5.4本章小结

6大吨位小半径环向预应力钢束的优化配置

6.1引言

6.2基本优化理论

6.2.1优化问题的分类

6.2.2结构优化设计的数学模型

6.2.3索塔锚固区预应力筋的优化思想

6.3拉索及预应力钢束对模型应力的影响

6.4每种钢束中预应力筋束数优化

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢