超大跨度斜拉桥塔梁纵向约束体系研究

摘要

斜拉桥是以梁、索、塔为主要受力构件的结构形式，各部分受力明确，是最具竞争力的大跨度桥型之一。对于超大跨度斜拉桥，不同的结构体系具有不同的作用机理，结构的综合力学性能对结构体系的选择是十分敏感的。本文以常泰长江大桥为工程背景，建立有限元基本模型，研究了半飘浮体系、纵向固定体系、纵向弹性约束体系和温度自适应塔梁约束体系等不同塔梁纵向约束方案对斜拉桥结构静力性能的影响，通过对比分析，探究不同斜拉桥结构体系的作用机理；对比研究了温度自适应塔梁约束体系和半飘浮体系的自振特性和地震时程响应，探究CFRP拉杆对斜拉桥结构动力性能的作用和影响。　　首先，对半飘浮体系和纵向固定体系的分析，结果表明：相对于半飘浮体系，纵向固定约束对斜拉桥结构纵向刚度、纵向荷载传力路径的优化是十分有利的，但也极大限制了主梁温度纵向变形的有效释放，致使结构产生较大的温度次内力。　　再以纵向弹性约束刚度为自变量，研究了纵向弹性约束体系的结构力学响应，分析结果表明：纵向弹性约束对增加结构纵向刚度、优化纵向荷载传力路径是有效的，对体系升/降温作用下结构性能是不利的；因此，在塔底弯矩的层面上，只有当弹性约束刚度取恰当的中间值时，纵向弹性约束体系下的斜拉桥综合结构静力性能才能达到相对最优状态。　　基于对纵向弹性约束体系作用机理的剖析，阐述了温度自适应塔梁约束体系的提出和工作原理，对新结构体系有限元模型进行计算分析，与纵向弹性约束体系对比，结果表明：当具有相同的纵向约束刚度时，新结构体系的纵向刚度和纵向荷载传力路径能达到与纵向弹性约束体系同等的优化效果，而新结构体系在体系升/降温作用下结构静力性能方面，能达到与半飘浮体系一致。　　最后，在自振特性中，温度自适应塔梁约束体系第二阶自振周期与半飘浮体系差异最大，减小了15.4%，该阶模态特征为主梁一阶纵漂，从结构固有属性上体现了CFRP拉杆增加结构纵向刚度的作用；在地震响应时程分析中，与半飘浮体系相比，温度自适应塔梁约束体系有效减小了梁端纵向位移、塔顶纵向位移、塔底弯矩等结构动力响应量峰值。研究结果表明：温度自适应塔梁约束体系具有良好的结构动力性能。　　综合温度自适应塔梁约束体系的结构静动力性能，该体系目前可作为千米级超大跨度斜拉桥设计中塔梁纵向约束体系方案的首选。

目录

声明

第1章 绪论

1.1.1 斜拉桥简史

1.1.2 五座千米级主跨斜拉桥

1.2斜拉桥结构体系研究现状

1.2.1 结构体系分类

1.2.2 研究综述

1.3论文研究内容

1.4本章小结

第2章 斜拉桥结构设计与有限元建模

2.2有限元模型

2.2.1 三维模型建立

2.2.2 设计荷载

2.2.3 结构体系

2.3结构响应考察量

2.4本章小结

第3章 采用不同塔梁纵向约束体系的结构响应分析

3.1.1 半飘浮体系

3.1.2 结构响应计算

3.1.3 结构响应分析

3.2纵向固定体系研究

3.2.1 纵向固定体系

3.2.2 结构响应计算

3.2.3 结构体系比较分析

3.3纵向弹性约束体系研究

3.3.1 纵向弹性约束体系

3.3.2 结构响应计算与分析

3.3.3 结构综合性能分析

3.4本章小结

第4章 温度自适应塔梁约束体系研究

4.1.1 传统塔梁纵向约束体系

4.1.2 温度变形不动点与CFRP

4.1.3 温度自适应塔梁约束体系

4.2温度自适应塔梁约束体系研究

4.3结构综合性能分析

(1) 荷载组合作用结构位移

(2) 荷载组合作用结构内力

4.4本章小结

第5章 温度自适应塔梁约束体系动力性能

5.1.1 自振特性计算理论

5.1.2 自振特性计算分析

5.2地震时程响应计算分析

5.2.1 地震波时程曲线

5.2.2 地震时程响应计算

5.3结构体系响应比较

5.4本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果