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原文传递多塔柱混凝土矮塔斜拉桥结构研究

论文题名：	多塔柱混凝土矮塔斜拉桥结构研究
关键词：	混凝土矮塔斜拉桥;索力优化;主梁结构;抗弯极限承载力;受力性能;施工质量
摘要：	矮塔斜拉桥填补了连续梁桥和斜拉桥之间的桥型空白，具有经济、美观、施工难度低、跨径布置灵活等优点，出现以来得到了广泛应用。自1994年在日本建成了世界上第一座矮塔斜拉桥，距今不过20余年，作为一种新桥型，在中国的应用也仅十多年，其施工控制、索力优化、索鞍复杂应力状态分析、极限承载能力研究等很多关键理论问题仍待进一步深入研究，从而使该桥型得到更好的发展应用。本文采用理论研究、有限元数值分析以及荷载试验等多种方法对多塔矮塔斜拉桥的关键技术进行了研究。　　本文主要针对多塔矮塔斜拉桥的四个关键问题进行研究。　　第一，总结现有斜拉桥成桥索力优化理论，研究了遗传算法和Pareto多目标优化方法的基本原理，并应用于矮塔斜拉桥的索力优化中。研究以MATLAB软件为编程平台并结合ANSYS参数化建模的索力优化实现方法，以宁江—松花江特大桥为例，对其进行单目标和多目标优化，并对比、分析优化前后结构的受力状态。　　第二，研究多塔混凝土矮塔斜拉桥的主梁抗弯极限承载能力，可以确定结构的破坏形式和破坏位置，得到结构在设计荷载下的安全储备及超载能力，为其安全运营管理提供理论依据。应用全过程分析方法，采用ANSYS通用软件，分别基于Drucker-Prager屈服准则和Willam-Warnke五参数破坏准则建立两种三维实体有限元模型，分析结构从承受设计荷载至破坏荷载整个过程的受力状态并得到三个工况下的结构抗弯极限承载力，并与现行桥梁设计规范(JTG D62-2004)方法的计算结果进行了对比分析。两种有限元模型的抗弯极限承载力计算值相对规范方法计算值的平均误差分别为2.7％和6.5％，最大误差分别为5.9％和8.6％。两种有限元分析结果与规范方法计算值吻合较好，进而间接地验证了数值模拟方法和计算结果的正确性;该桥结构在活载系数小于3时基本处于弹性状态;中跨跨中加载为该桥安全系数最小的工况，其安全系数为2.08。　　第三，索塔索鞍是结构关键构件和部位，索鞍下的混凝土受力呈现复杂的空间应力状态。基于扩展有限元法和损伤本构非线性有限元法，采用通用有限元软件ABAQUS对索鞍下混凝土受力进行数值模拟分析。数值分析表明，索鞍下混凝土在受到分丝钢管传递的索力作用下有可能产生孔道的局部裂缝，裂缝影响范围约为25cm。索鞍区混凝土的最大主压应力出现在索鞍的角隅处，数值为23.8MPa，小于C50混凝土的抗压强度标准值，尚不会造成混凝土局部压碎破坏。　　第四，对于高次超静定的多塔矮塔斜拉桥结构，其设计与施工高度的耦合，施工过程会直接影响成桥状态。该桥采用悬臂施工，结构受力和变形在施工中不断变化，需要对施工过程进行监控，重点监控成桥中的标高和截面应力。监控过程中实测的各项数据与计算结果总体吻合较好，均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)的要求，桥梁结构处于安全范围内。　　成桥实验是对桥梁设计、施工质量的检验。通过成桥荷载试验可以评价桥跨结构在正常使用极限状态下的工作性能和承载能力，验证设计理论、计算方法及设计时所采用的各种假设的正确性与合理性。该桥的静、动载试验结果表明工程背景桥的整体工作性能良好，结构的静力行为与理论计算结果基本一致，动力性能未见异常。在试验荷载作用下结构处于良好的弹性工作状态。
作者：	胡世翔
专业：	土木工程；桥梁与隧道工程
导师：	黄侨
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文