详情

原文传递大跨径拱桥新型地下连续墙基础力学性能及应用研究

论文题名：	大跨径拱桥新型地下连续墙基础力学性能及应用研究
关键词：	大跨径拱桥;地下连续墙基础;力学性能;结构体系;拱脚位移限值
摘要：	地下连续墙刚度大，承载力高，施工技术成熟，对复杂地质条件适应能力强，是一种适合大跨径拱桥的理想基础结构形式。目前大跨径拱桥地下连续墙基础工程应用甚少，本文结合现有的工程应用和相关研究，提出了大跨径拱桥新型地下连续墙基础的概念和结构体系，并对新型地下连续墙基础开展了结构体系、简化计算方法、结构力学性能及工程应用等研究，主要研究内容和研究结论如下：　　1. 提出了大跨径拱桥新型地下连续墙基础概念和结构体系，对各种结构体系的力学特性进行了分析。大跨径拱桥新型地下连续墙基础是综合考虑上部拱肋结构特点和受力要求、工程地质条件、施工条件和工期要求等工程具体情况，合理确定墙身是否嵌入基岩、承台标高位置和持力层岩土特性、承台与墙体的连接方式等重要的结构要素，从而得到受力合理、经济节约、施工便捷的合理基础结构。根据墙身嵌岩情况和承台与墙体的连接方式，新型地下连续墙基础分为四种结构体系：整体式嵌岩结构体系、分离式嵌岩结构体系、整体式非嵌岩结构体系和分离式非嵌岩体系，不同的结构体系其力学特性有显著区别，因此合理选择地下连续墙基础的结构体系可有效减小工程规模，降低施工难度和施工风险，节约工程投资，对于工程应用具有重要的意义。　　2. 推导了新型地下连续墙基础竖向和水平受荷简化计公式、拱桥拱脚位移限值计算公式：　　(1) 竖向受荷内力计算根据不同结构体系地下连续墙基础的受力特性，参考借鉴现有相关研究成果，对墙身侧阻力、墙底端阻力及土芯阻力的关系及相应的应力分布进行合理的假定，利用静力平衡推导得到墙身结构内力计算公式，并通过与有限元数值计算结果对比分析验证其正确性。基于半无限地基弹性力学理论和分层总和法推导了新型地下连续墙基础竖向受荷沉降简化计算公式，并基于matlab编制了计算程序，通过与文献案例计算结果对比分析验证其正确性。　　(2)基于铁木辛柯梁理论、文克尔弹性地基梁模型推导了考虑剪切变形影响的地下连续墙基础水平受荷计算的解析解。采用分段待定系数法实现成层土、变刚度和m法地基模型等复杂条件下的新型地下连续墙基础水平受荷内力和位移计算，并基于matlab编制了计算程序，通过与有限元数值计算结果及与文献案例试验实测数据对比分析验证其正确性。　　(3) 基于结构力学力法原理，推导了拱桥拱脚位移限值简化计算公式。本文基于简单的二次抛物线等截面拱肋，推导出拱脚位移的附加应力表达式（非积分形式），通过有限元数值计算证明拱轴线变化、拱肋截面变刚度等对附加应力计算影响很小，可忽略不计，因此基于简单的二次抛物线等截面拱肋推导的附加应力计算公式可作为通用公式。由推导的拱脚位移容许值计算公式可知，拱脚位移容许值与拱肋矢跨比、跨径、弹性模量、截面高度及附加应力容许值有关，当矢跨比、弹性模量、截面高度及附加应力容许值为定值时，拱脚水平位移容许值和竖直位移容许值与跨径为二次抛物线关系，而转角位移容许值与跨径为正比例关系。对于具体的一座桥梁来说，矢跨比、跨径、弹性模量、截面高度是确定的，只需确定附加应力容许值即可计算得到拱脚位移容许值，附加应力容许值可以根据拱肋材料和对拱肋受力安全度的要求来确定。　　3. 采用本文提出的简化计算方法，对影响新型地下连续墙基础力学性能的相关因素进行了参数分析，得出新型地下连续墙基础力学性能与土体材料特性、墙身高度、墙身平面尺寸及承台标高位置等相关影响因素的相关规律。　　4. 以平南三桥工程为例，说明大跨径拱桥新型地下连续墙基础的设计、施工、试验检测及监测等工程应用情况。平南三桥为跨径575m钢管混凝土拱桥，也是目前世界最大跨径的拱桥，该桥北岸首次采用了分离式嵌岩结构体系新型地下连续墙基础，目前该桥运营状况良好，相关试验和监测数据表明该桥地下连续墙基础具有良好的力学性能。平南三桥新型地下连续墙基础成功应用说明本文的研究成果具有较好的工程实用性，可为相关研究和工程应用提供参考。
作者：	欧阳平
专业：	土木工程(桥梁与隧道工程)
导师：	谢肖礼
授予学位：	博士
授予学位单位：	广西大学
学位年度：	2022