【博士】異形截面斜拉橋索塔錨固區(qū)節(jié)段受力性能研究【2005】

內(nèi)容簡(jiǎn)介

　　學(xué)科專業(yè)：森林工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：東北林業(yè)大學(xué)　　學(xué)位年度： 2005年　　索塔拉索錨固區(qū)是斜拉橋中的關(guān)鍵部位，拉索的局部集中力將通過(guò)這一部位安全、均勻地傳遞到塔柱中。由于拉索的局部強(qiáng)大集中力、預(yù)應(yīng)力筋的錨固力以及孔洞削弱等因素影響使該區(qū)域受力狀態(tài)十分復(fù)雜。因此，斜拉橋索塔錨固區(qū)節(jié)段受力性能分析的探討一直以來(lái)受到橋梁界的矚目，索塔錨固區(qū)也是斜拉橋設(shè)計(jì)和施工的難點(diǎn)和關(guān)鍵。本文依托于哈爾濱繞城高速公路四方臺(tái)大橋，主要對(duì)該橋索塔受水平分力最大的塔頂部錨固區(qū)節(jié)段進(jìn)行詳盡的理論分析和可靠的足尺模型試驗(yàn)，并對(duì)索塔錨固區(qū)所選節(jié)段提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案?！　∈紫壤肁NSYS軟件針對(duì)索塔錨固區(qū)所選節(jié)段進(jìn)行了詳盡的空間有限元分析，考察索塔錨固區(qū)的應(yīng)力分布和變形情況。該節(jié)段模型在荷載作用下產(chǎn)生較大的水平方向應(yīng)力，垂直方向應(yīng)力與水平方向應(yīng)力相比較小。有限元分析結(jié)果表明，在預(yù)加應(yīng)力階段，索塔節(jié)段各角部區(qū)域是預(yù)應(yīng)力鋼筋集中錨固的交匯處，應(yīng)力分布非常復(fù)雜，尤其是受橫向預(yù)應(yīng)力大噸位張拉的影響，在模型長(zhǎng)邊內(nèi)側(cè)端部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較大的局部拉應(yīng)力，理論計(jì)算與實(shí)測(cè)都證明了這一點(diǎn)?！　?duì)索塔錨固區(qū)進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力束施工工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)條件與主塔的實(shí)際施工工藝完全相同，以認(rèn)真實(shí)踐主塔的施工工藝，并為主塔的施工積累經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)確定塑料波紋管的孔道摩阻系數(shù)，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉伸長(zhǎng)量進(jìn)行分析，并對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道真空輔助壓漿工藝進(jìn)行探討。在小半徑大噸位情況下預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)孔道的徑向力將增大，預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道問(wèn)將不再是點(diǎn)接觸，呈現(xiàn)出嵌入孔道的趨勢(shì)，摩擦系數(shù)將有較大的增加，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范尚未對(duì)此有明確的規(guī)定。影響預(yù)應(yīng)力鋼束伸長(zhǎng)量的因素繁多，一般情況下，其實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)量與理論伸長(zhǎng)量之間相差較大，通過(guò)本試驗(yàn)考察各種因素對(duì)張拉伸長(zhǎng)量的影響程度并探討能夠有效減緩預(yù)應(yīng)力鋼束伸長(zhǎng)量的張拉工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行預(yù)張拉能夠有效減緩預(yù)應(yīng)力鋼束不均勻受力引起的伸長(zhǎng)量。本試驗(yàn)采用與實(shí)際拖工相同的真空輔助壓漿工藝，以指導(dǎo)實(shí)橋的施工操作，并確定了效果良好的壓漿配比。試驗(yàn)結(jié)果表明，將真空輔助壓漿工藝用于預(yù)應(yīng)力管道的灌漿，具有很好的壓漿飽滿度和密實(shí)性效果，值得推廣應(yīng)用?！　∵M(jìn)行索塔錨固區(qū)節(jié)段足尺模型試驗(yàn)。索塔錨固區(qū)是斜拉橋中的關(guān)鍵部位，承受著巨大的水平分力，同時(shí)作用有其它形式的集中力，并伴有孔洞削弱等不利影響，使該區(qū)域受力狀態(tài)十分復(fù)雜。而四方臺(tái)松花江大橋索塔截面又為國(guó)內(nèi)首次采用的單軸對(duì)稱類六邊形，其受力狀態(tài)將更加復(fù)雜，單純的理論分析無(wú)法全面反映索塔錨固區(qū)實(shí)際的應(yīng)力分布和變形情況。通過(guò)足尺模型試驗(yàn)以及與有限元分析結(jié)果之間的比較發(fā)現(xiàn)：索塔在預(yù)加應(yīng)力階段及混凝土開(kāi)裂前，其應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算機(jī)仿真分析結(jié)果基本吻合，說(shuō)明處于復(fù)雜受力狀態(tài)的索塔錨固區(qū)，利用有限元技術(shù)進(jìn)行模擬，也可得到較為滿意的結(jié)果；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，索塔的開(kāi)裂荷載為14500kN，相應(yīng)的抗裂安全系數(shù)為2．07；由于橋塔沿橫橋向?yàn)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)外兩側(cè)應(yīng)力分布很不均勻，內(nèi)側(cè)塔壁在試驗(yàn)荷載作用下產(chǎn)生較大的環(huán)向拉應(yīng)力，裂縫發(fā)展較快。鑒于此，建議將內(nèi)側(cè)塔壁的預(yù)應(yīng)力束予以加強(qiáng)。模型的順橋向兩側(cè)短邊角部及錨下應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，建議在短邊內(nèi)角部加設(shè)環(huán)向鋼筋，并在索孔周圍用較密的螺旋箍筋加固。　　對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束曲布置方式進(jìn)行優(yōu)化。索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束的合理配置對(duì)提高該區(qū)域的受力性能具有很重要的意義。由于本索塔截面類型特殊，即順橋向塔壁較短，此處難以布置獨(dú)立的直線型預(yù)應(yīng)力鋼束，較合理的預(yù)應(yīng)力鋼束布置方案單一，因此對(duì)預(yù)應(yīng)力布束方式的優(yōu)化只進(jìn)行每種鋼束中預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量的確定。在本文采用的布束方案中，經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析得到NI～N4鋼束中的預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量為N1=11，N2=8，N3=5，N4=6根時(shí)其受力性能最優(yōu)?！　≡诨炷了胁贾娩摍M梁或鋼-混凝土組合橫梁可有效分擔(dān)拉索引起的水平拉力、垂直分力以及偏心彎矩。在較為簡(jiǎn)單的對(duì)稱結(jié)構(gòu)中橫梁的作用和傳力路徑比較明確，而在復(fù)雜的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)中，由于受力和傳力形式發(fā)生改變，有必要對(duì)其在主塔結(jié)構(gòu)中所起到的作用進(jìn)行探討。通過(guò)有限元分析得出，索塔錨固區(qū)無(wú)橫梁時(shí)的應(yīng)力雖比有橫梁時(shí)略有提高，但無(wú)顯著差異，與足尺模型試驗(yàn)結(jié)果中得出的橫梁只承擔(dān)總拉力7．7％的結(jié)論相吻合，考慮到受力和施工方便性等因素，建議將該橫梁改為主塔混凝土澆筑后裝配，并在實(shí)際施工中得到采納，對(duì)主塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和方便旖工起到了重要作用。　　

專題推薦