混凝土斜拉桥与T构协作体系的极限承载力及动力响应研究

摘要

金马大桥采用一种大跨径混凝土斜拉桥与T构协作的新体系，成功的设计和施工，以及目前良好的运营情况，引起了工程界的重视和瞩目。金马大桥是目前世界上跨度最大的独塔混凝土斜拉桥，该桥结构新颖，采用混凝土斜拉桥与T构协作体系桥梁技术，在不加大斜拉桥的长度前提下加大了跨径，减少了深水墩，大幅度降低了造价，并有利于桥梁的通航、泄洪、提高抗撞能力，对比其他设计方案节省人民币上亿元。从已有的文献来看，对于这样的特殊的协作体系的力学行为研究还不够全面，深入，对于这种特殊的结构体系的极限承载力研究、自由振动理论研究、动力特征值分析以及随机地震响应的研究更是少见。 该文从混凝土斜拉桥与T构协作体系以上各种重要的力学行为进行了全面系统的研究。 主要工作： (1)总结了广东金马大桥协作体系桥梁设计技术，探讨了这种协作体系的一些设计的新理念，重点就其主桥的主塔的直束加固技术以及主梁的横隔梁浇注次序预应力分批张拉技术作了细致的有限元计算，和光弹实验做了比较分析。认为这些新的技术可以指导类似工程的设计与施工。 (2)为了分析协作体系的极限承载能力，首先给出了平面梁单元考虑钢筋混凝土和钢材的材料非线性的折减刚度法，此外，以力的增量的形式推导混凝土的徐变计算公式，提出一种新的精细的计算方法，编制了精确计算混凝土徐变的有限元程序，以算例证明了其有效性。该文通过对广东金马大桥进行极限承载力分析，研究了混凝土收缩徐变、加劲梁配筋率、斜拉索的安全系数、加载方式等因素对协作体系桥梁的极限承载力的影响，表明斜拉索的设计安全系数是很重要的影响因素，应加以重视。全桥和半桥加载时，弹塑性极限活荷载安全系数分别为21.4和9.67，表明这种协作体系具有良好的极限承载能力。 (3)基于Hamilton变分原理，考虑了加劲梁的压弯耦合、剪切应变能和扭转应变能的影响，建立了独塔混凝土斜拉桥与T构协作体系的空间耦合自由振动的势能泛函，通过约束变分推导出了这种协作体系主桥主梁的竖向挠曲振动、横向挠曲振动、纵向振动、扭转振动以及主塔的纵向振动和横向振动的基础微分方程，以其中最为复杂的主梁的竖向振动方程为代表，设置了协作体系的两边T构所给主桥协作所带来的特殊边界条件，进而得到协作体系的振动频率微分方程。文中以金马大桥为算例，用非线性求解的方法求出了竖向振动频率方程的解析解，并与数值解作了比较，吻合较好，这一理论和方法为同类结构的自由振动研究提供了可靠的理论依据。 (4)协作体系的动力特性分析主要包括体系的自振频率和主振型的求解，它是协作体系动力分析的基础和前提。该文以广东金马大桥为算例，通过建立空间有限元计算模型，对这种独特的协作体系结构进行了动力特征分析，给出了前20阶频率和相应的振型，并且对同等跨径的普通斜拉桥以及最初的剪力铰设计方案做了相应的动力特征比较分析，结果表明采用协作体系的金马大桥具有良好的动力性能。此外该文还分别研究了各种结构参数变化对不同接头方式的协作体系结构的动力特性的影响，对其影响规律作了详细的讨论和分析。该文结果为协作体系的固有振动分析和抗震设计提供了基础。 (5)采用人工生成的地震波，分别考虑结构的非线性和不考虑结构的非线性，考虑行波效应和不考虑行波效应的影响，对混凝土斜拉桥与T构协作体系在竖向、纵向和横向地震波输入下的地震反应进行了详细研究，分析比较了线性多点一致激励、非线性多点一致激励以及多点行波效应输入情况下主梁、主塔、边墩等控制截面的内力和位移响应时程结果，并对其影响规律进行了详细地讨论。 (6)引入高效虚拟激励法和精细积分法，对混凝土斜拉桥与T构协作体系在随机地震作用下的地震响应进行了系统研究。重点考查了地震波类型(P波、SH波和SV波)、地震动的空间效应、非平稳性、拟静位移效应以及阻尼比对协作体系内力响应峰值的影响。就以上各种因素对协作体系的地震响应的影响作了详细的探讨。认为考虑以上各种因数对于这种大跨径协作体系极为重要，不可忽略。同时，提出了协作体系的一种引入简化支座处理的随机地震响应分析计算模型，获得了较高的计算效率；认为可以应用于同类工程的同类随机响应研究。

目录

文摘

英文文摘

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1概论

1.1选题的背景

1.2混凝土斜拉桥与T构协作体系的发展综述

1.2.1现代斜拉桥的发展

1.2.2协作体系桥的现状和发展

1.3静荷载作用下超大跨径缆索承重桥梁极限承载力分析综述

1.4桥梁结构地震反应分析的理论现状

1.4.1反应谱法

1.4.2时程分析法

1.4.3随机振动方法

1.5大跨度桥梁结构地震反应研究综述

1.6本文的主要工作

参考文献

2金马大桥协作体系设计新技术与理论探索

2.1金马大桥新协作体系的成型

2.1.1初步设计方案

2.1.2目前的金马大桥工程

2.2金马大桥协作体系的新的设计思想及设计理论的创新

2.2.1金马大桥主桥结构体系为混凝土斜拉桥与T构组成的协作体系

2.2.2关于斜拉桥主梁与T构连接处构造问题处理的讨论

2.2.3两索面在塔上的宽度以及在梁上的宽度不一致的设计

2.2.4金马大桥协作体系主塔直束预应力筋设计技术与研究分析

2.2.5关于主梁施工阶段无纵向预应力筋技术及施工控制技术的问题

2.2.6金马大桥主梁横隔梁受力分析与预应力施工技术的创新

2.3小结

参考文献

3混凝土斜拉桥与T构协作体系的极限承载力研究

3.1引言

3.1.1混凝土斜拉桥与T构协作体系的极限承载力分析的意义

3.1.2关于极限承载力分析的综述

3.2材料非线性分析

3.2.1梁单元的材料非线性分析模型

3.2.2梁单元材料非线性分析的折减刚度法

3.2.3材料的本构关系模型

3.3关于混凝土材料的徐变非线性分析的研究

3.3.1分阶段徐变次内力、徐变变形递推公式的推导

3.3.2算例

3.3.3结论

3.4广东金马大桥极限承载力分析

3.4.1工程概况

3.4.2结构分析模型及材料本构关系

3.4.3加载方法

3.4.4全桥加载情况的极限承载力分析

3.4.5各种因素对极限承载力影响的研究

3.4.6半桥加载情况的极限承载力分析

3.5小结

参考文献

4混凝土斜拉桥与T构协作体系空间自由振动的理论推导

4.1引言

4.2主桥应变能的建立

4.2.1加劲主梁应变能的建立

4.2.2斜拉桥主塔应变能的建立

4.2.3基于Hamilton变分原理的势能泛函的建立

4.3协作体系的自由振动基础微分方程的建立

4.4协作体系的自由振动基础微分方程的简化和求解

4.5小结

参考文献

5结构体系和结构参数变化对协作体系的动力特性的影响研究

5.1引言

5.2动力特征值分析的计算理论

5.3工程算例及不同结构体系的动力特性有限元的计算比较

5.3.1工程算例

5.3.2空间有限元建模原则

5.3.3有限元模型的建立

5.3.4主要自振频率和振型

5.4结构参数变化对协作体系桥动力特性的影响研究

5.4.1恒载变化对动力特性的影响

5.4.2加劲梁竖向刚度变化对动力特性的影响

5.4.3加劲梁横向刚度变化对动力特性的影响

5.4.4加劲梁扭转刚度变化对动力特性的影响

5.4.5塔柱纵向刚度变化对动力特性的影响

5.4.6塔柱横向刚度变化对动力特性的影响

5.4.7斜拉索刚度变化对动力特性的影响

5.5 小结

参考文献

6混凝土斜拉桥与T构协作体系的三维地震时程反应研究

6.1引言

6.2协作体系桥梁非线性因素的主要来源

6.3一致地震动输入下运动方程的建立

6.4非一致地震动输入下运动方程的建立

6.5精细逐步积分方法

6.5.1引言

6.5.2精细逐步积分格式

6.6混凝土斜拉桥与T构协作体系的动力时程分析

6.6.1线性和非线性时程响应分析研究

6.6.2均匀地面运动和考虑行波效应地面运动的时程研究分析

6.7 小结

参考文献

7多点平稳/非平稳随机激励下混凝土斜拉桥与T构协作体系的地震响应研究

7.1引言

7.2多点激励的地震动空间效应描述

7.2.1地震波的类型及加速度的转换

7.2.2地震动的空间状态描述

7.2.3地震动空间效应模型

7.3非一致地震动输入下运动方程的建立

7.4平稳随机激励下的虚拟激励方法

7.4.1单点激励问题

7.4.2多点激励问题

7.4.3平稳激励下结构峰值响应的计算

7.5多点非均匀调制随机地震响应分析

7.5.1非均匀调制演变随机激励

7.5.2多点输入非平稳随机地震响应分析的虚拟激励算法

7.5.3非平稳多点激励的虚拟激励算法

7.5.4非平稳随机过程峰值响应的计算

7.6数值计算结果分析研究

7.6.1考虑空间效应多点非一致平稳随机激励下金马大桥地震响应分析研究

7.6.2考虑支座简化对协作体系的随机地震响应分析

7.6.3多点平稳/非平稳随机激励下协作体系的地震响应研究分析

7.6.4考虑拟静位移对协作体系的随机地震响应研究分析

7.7 小结

参考文献

8结论与展望

8.1本文的研究结论

8.2研究展望

创新点摘要

攻读博士学位期间发表的论文

致谢