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斜塔斜拉桥施工与运营过程中的力学行为研究

江德增

  斜塔斜拉桥因其独特的景观效果和力学效果,在城市桥梁中得到了广泛的应用。其倾斜的索塔和较宽的桥面宽度,给结构受力计算带来了一系列问题,如宽截面主梁的计算方法、桥梁结构的非荷载效应、索力优化理论和斜塔、主梁的施工控制等等。本文以中山板芙二桥这座斜塔斜拉桥为工程背景,对斜塔斜拉桥的空间计算理论和施工、运营过程的力学行为进行分析研究。主要完成了以下的研究工作: (1)针对边主肋截面主梁的构造和受力特点,将两侧边主肋视为Timoshenko梁子单元,将桥面板视为板梁子单元,根据子单元间的变形协调关系,组拼成一种能够考虑剪力滞后效应的组合板梁单元。并通过UPFs的二次开发技术,在大型通用有限元软件平台上,实现了用户单元。 (2)在组合板梁单元的基础上,研究温度效应、收缩效应和徐变效应的计算方法。先将边主肋子单元、桥面板子单元的非荷载效应等效为子单元的节点荷载,再通过转换矩阵,将各子单元的节点荷载转换到组合板梁单元上,最后用等效节点荷载进行结构分析,获得结构的温度、收缩和徐变荷载效应。 (3)进行板芙二桥的温度场实测试验。根据实测数据,提出适合于结构复杂温度场的分区描述方法。即按主梁和索塔各组成构件的温度分布规律,分别提出各构件的温度场模式,包括一维温度场和二维温度场。根据实测数据,拟合各构件温度场模式中的待定参数,为广东地区同类截面桥梁结构温度效应分析提供温度场参考模式。 (4)结合弯曲能量最小法和影响矩阵法两种方法对确定板芙二桥的合理成桥状态。针对板芙二桥的结构特点,采用单一的优化方法不能获得令人满意的成桥索力。对此,提出了二次优化的思路,即首先通过弯曲能量最小法初定成桥状态,然后再运用影响矩阵法进行微调。合理成桥状态确定后,再根据成桥状态进行施工倒拆分析,从而得到合理施工张拉力,在计算过程中收缩徐变的影响通过等效节点荷载考虑,这样只需进行一次倒拆分析便可以得到合理的施工张拉力,从而提高了索力优化的效率。 (5)基于上述研究成果,建立结构空间有限元分析模型,对板芙二桥施工、运营过程中力学行为进行分析研究。研究包括:主梁的剪力滞效应;温度变化对结构变形和内力的影响;主梁和斜塔的长期变形和内力预测。另外,还进行了塔墩梁连接区域局部应力分析。考虑到组合板梁单元在细部应力分析的不足,在分析塔墩梁连接区域局部应力时,连接区域采用实体单元,其他区域采用板梁单元。通过这些研究,为斜塔斜拉桥的设计和施工提供参考。……   
[关键词]:斜塔斜拉桥;力学行为;边主肋截面;组合板梁单元法
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华南理工大学2010年