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    土木工程硕士论文 独塔单索面混合梁斜拉桥钢混结合段模型试验设计与分析.docx

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    土木工程硕士论文 独塔单索面混合梁斜拉桥钢混结合段模型试验设计与分析.docx

    p学校代号 nbsp; nbsp;** nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;学 nbsp; nbsp;号 nbsp;** nbsp; nbsp; 分 类 号 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;密 nbsp; nbsp;级 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 硕士学位论文 独塔单索面混合梁斜拉桥 钢-混结合段模型试验设计与分析 学位申请人姓名 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 培 nbsp;养 nbsp;单 nbsp;位 nbsp; nbsp; nbsp;土木工程学院 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 导师姓名及职称 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;教授 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 学 nbsp;科 nbsp;专 nbsp;业 nbsp; nbsp; nbsp;桥梁与隧道工程 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 研 nbsp;究 nbsp;方 nbsp;向 nbsp; nbsp; nbsp;桥梁设计基本理论 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 论文提交日期 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 学校代号 学 nbsp; nbsp;号 密 nbsp; nbsp;级 **大学硕士学位论文 独塔单索面混合梁斜拉桥 钢-混结合段模型试验设计与分析 学位申请人姓名 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 导师姓名及职称 nbsp; nbsp; 教授 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 培养单位 nbsp; 土木工程学院 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 专业名称 nbsp; 桥梁与隧道工程 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 论文提交日期 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 论文答辩日期 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 答辩委员会主席 nbsp; nbsp;教授 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; Design and Analysis of Model Test for Steel-concrete Joint of Hybrid Girder Cable-stayed Bridge with Single Tower and Single Cable Plane By B.E. Changsha University of Science amp; Technology2009nbsp;nbsp; A thesis ted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Civil Engineering in Bridge and Tunnel Engineering in the Graduate School of Hunan University Supervisor Professor Fang Zhi nbsp; May, 2012 III 硕士学位论文 ** 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名日期 nbsp; 年 nbsp; nbsp;月 nbsp; nbsp;日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权**大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密□,在______年解密后适用本授权书。 2、不保密√。 (请在以上相应方框内打“√”) 作者签名日期 nbsp; 年 nbsp; nbsp;月 nbsp; nbsp;日 导师签名 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;日期 nbsp; 年 nbsp; nbsp;月 nbsp; nbsp;日 摘 nbsp; 要 混合梁斜拉桥是指其主梁由两种或两种以上不同材料的梁体沿纵桥向通过连接件及预应力筋或锚杆等结合在一起的斜拉桥桥型。通过对钢材和混凝土两种材料的合理利用,出现的钢-混凝土混合梁结构,使得桥梁的受力性能、跨越能力和经济性能等得到了很大改善。钢-混结合段作为混合梁斜拉桥的关键部位,其结构和受力特点都比较复杂,随着工程应用的越来越多,对钢-混结合段进行全面详细的科学研究是摆在工程技术人员和科研人员面前的一个重要课题。 目前,虽然对混合梁斜拉桥的研究较多,但过于集中在压弯组合作用下结合段的传力机理和受力特点的研究,而对单索面、宽箱斜拉桥结合段在压弯扭复合作用下的研究鲜有文献报道,另外,对结合段内灌注材料的力学性能和应用创新也少有研究成果。所以,对混合梁斜拉桥的研究尚不充分和全面,其理论体系亟待完善,为了促进和推广混合梁结构这种优良结构体系的工程应用,有必要对其进行全面细致的研究。 本文基于国内外最新研究成果,以云南省六库怒江二桥为工程背景,对独塔单索面混合梁斜拉桥钢-混结合段在压弯扭复合作用下的传力机理和受力性能进行了深入研究,其主要研究内容如下 1. 运用MIADS有限元软件建立了六库怒江二桥的全桥空间有限元模型,整体计算和分析了独塔单索面混合梁斜拉桥结合段的内力和受力特点,为结合段模型试验的设计提供了科学可靠的依据; 2. 结合六库怒江二桥结合段的构造和受力特点,设计了怒江二桥钢-混结合段相似比例为13的试验模型,对模型试验的设计原则、测试方法及加载装置等进行了详细的阐述; 3. 运用ANSYS有限元软件建立了钢-混结合段试验模型的有限元模型,通过有限元仿真分析,对模型试验设计的有效性进行了验证,并详细研究了钢-混结合段的传力机理、受力性能及结构特性等,对结合段内灌注料新材料的使用也进行了初步探讨。 4. 最后,在有限元仿真分析基础上,结合其他人的研究成果,对混合梁斜拉桥结合段及其一些细部构造的设计原则提出了较具体的建议,为以后此类结合段的设计和研究工作提供了参考依据。 关键词斜拉桥;钢-混结合段;复合作用;模型试验;有限元 Abstract Hybrid girder cable-stayed bridge is the bridge connects its main girder by two or more different materials along the longitudinal beams of the body through the fittings and tendons or anchors. Through rational use of the steel and concrete, the hybrid girder structures make the mechanical properties, ability and economic perance of the bridge all have a much improved. As the key parts of the hybrid girder cable-stayed bridge, the structure and mechanical characteristics of hybrid girder are complicated. With more and more of the engineering application, the detailed scientific research of hybrid girder is an important issue for Engineering and technical personnel and scientific research personnel. At present, although the research of hybrid girder cable-stayed bridge are so much, but too focused on the bending under section of the combination between with the force transmission mechanism and the mechanical characteristics ,and the reports in the literature of research for the hybrid girder of single cable plane cable-stayed bridge with wide box under the effect of extrusion, bending and twisting are so little, In addition, it has few research results for mechanical properties and the application of innovation of the pouring material in hybrid girder. However, hybrid structure still needs far more research, and the consummation to related theoretical system also needs to be carried on. It is necessary to carry out a comprehensive and detailed study in order to promote the engineering applications of hybrid structure system. Based on the Nujiang bridge project in six libraries of Yunnan province and latest research achievement, this article studied the transfer mechanism and the mechanical behavior of the steel–concrete hybrid girder, which was a part of the single tower cable-stayed bridge with single cable plane, under composite force of compression, bending and torsion. Its main contents were listed as follows 1. The finite element model of six library Nujiang Bridge full-bridge space modeling was established by using the MIADS finite element analysis software. Deation and internal force characteristics of the single tower with single cable plane hybrid girder cable-stayed bridge was analyzed, and the internal force analysis of the steel-concrete hybrid section was carried. 2. On the background of the six libraries Nujiang Bridge project, 13 model of the Nujiang River Bridge’s steel-concrete hybrid girder was design. This article described model test program of design principles, test and the loading device in detail. 3. Meanwhile, the steel-concrete hybrid girder’s finite element model was established using ANSYS finite element software. This article briefly introduced several ways of simplification and analog s in the modeling process. nbsp;With detailed analysis of the finite element model, the transfer mechanism, mechanical perance and structural characteristics of the steel-concrete hybrid section was systemically studied, while the new kind of segment perfusion material using in the hybrid part was also developed. 4. Finally, on the basis of the finite element simulation analysis and past research’s achievements, design principles of the hybrid girder and other detailed structure of cable-stayed bridge were specifically discussed. That provides reasonable reference and basis for design and construction of the steel-concrete hybrid part of bridge engineering. Key Words cable-stayed bridge; hybrid girder; composite force; model test; finite element model 目 nbsp;录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书I 摘要II AbstractIII 第1章 绪论1 1.1混合梁斜拉桥的发展概况1 1.1.1 国外发展概况1 1.1.2 国内发展概况2 1.2 混合梁斜拉桥的特点和适用范围3 1.2.1 混合梁斜拉桥的构造特点3 1.2.2 混合梁斜拉桥的优点5 1.2.3 混合梁斜拉桥的适用范围5 1.3 混合梁斜拉桥钢-混结合段试验研究现状5 1.3.1 结合段模型试验研究现状6 1.3.2 结合段内灌注材料研究现状8 1.4 研究的背景工程8 1.5 本文的主要工作10 第2章 独塔单索面混合梁斜拉桥结构整体分析12 2.1 概述12 2.2 全桥有限元模型的建立12 2.2.1 索塔的模拟12 2.2.2 斜拉索的模拟13 2.2.3 主梁的模拟13 2.2.4 钢-混结合段的模拟14 2.3全桥模型钢-混结合段的计算分析15 2.3.1 预应力单独作用时结合段的受力15 2.3.2 不计预应力作用时结合段的受力16 2.3.3 考虑预应力作用时结合段的受力17 2.4 本章小结17 第3章 钢-混结合段模型试验设计19 3.1 概述19 3.2 试验模型设计19 3.2.1 设计原则19 3.2.2 总体设计19 3.2.3 混凝土箱梁设计21 3.2.4 钢箱梁段设计22 3.2.5 结合段设计23 3.2.6 普通钢筋的设计24 3.2.7 预应力钢绞线的设计25 3.3 试验测试方案设计26 3.3.1 模型表面测点布置26 3.3.2 钢格室及PBL钢筋应变片布置28 3.3.3 混凝土箱梁和钢格室内预埋钢弦计的布置29 3.3.4 钢混结合面相对滑移的测点布置30 3.3.5 模型梁段位移测点布置30 3.4 试验加载方案设计31 3.4.1 加载装置31 3.4.2 试验荷载32 3.4.3 加载步骤33 3.5 本章小结34 第4章 钢-混结合段试验模型受力分析36 4.1 概述36 4.2 试验模型的有限元建模36 4.2.1 单元离散化36 4.2.2 材料特性37 4.2.3 荷载及边界条件37 4.3试验模型受力结果分析39 4.3.1 预应力荷载作用下结合段的受力特点39 4.3.2 压弯组合作用下结合部的受力特点40 4.3.3 纯扭作用下结合部的受力特点53 4.3.4 复合作用下结合部的受力特点56 4.4 nbsp;结合段构造设计要点64 4.5 本章小结65 第5章 结论与展望68 5.1 主要结论68 5.2 今后工作方向69 参考文献70 致谢72 第1章 绪 nbsp; nbsp;论 1.1混合梁斜拉桥的发展概况 斜拉桥是一种由梁、塔柱和斜拉索组成的组合体系桥梁,其结构受力特点是主梁和塔柱体系受压,拉索支撑体系受拉[1]。根据主梁形式的不同,斜拉桥又可以分为混凝土梁、钢主梁、钢-混凝土组合梁以及钢-混凝土混合梁斜拉桥。其中混合梁斜拉桥的主梁沿纵桥向由钢材和混凝土两种不同材料组成,一般主跨大部分梁体为钢梁,边跨或伸入主跨一部分的梁体为混凝土梁[2]。混合梁斜拉桥通过对钢材和混凝土两种材料的合理利用,使得桥梁的受力性能、跨越能力和经济性能等得到了很大改善。近年来,随着设计和施工技术的进步,混合梁斜拉桥在工程中的应用越来越多,发展也越来越快,与其他类型的斜拉桥相比,其展现出来的优势非常显著。 混合梁斜拉桥自1972年在德国问世后,先后在欧洲、日本等国家得到了重视和发展[3]。90年代开始,我国桥梁工程技术人员逐渐应用和推广混合梁结构,使得混合梁斜拉桥在我国取得了快速的发展。 1.1.1 国外发展概况 20世纪中期,随着欧美各国和日本桥梁建设的广泛兴起,出现和发展了多种新的桥梁结构形式,其中混合梁斜拉桥也诞生于这个时期[4]。 1963年,德国在进行勒弗库森桥的设计方案比选时首次提出了混合梁斜拉桥的构思方案,此方案是一座跨度为50m280m50m的三跨斜拉桥,由于主跨与边跨的比值过大,因此建议采用边跨用混凝土梁、主跨用钢梁的方案,但当时此方案未被采纳,最终建成的仍是钢斜拉桥[5]。 德国1972年首次建成世界上第一座混合梁斜拉桥,即库特一舒马赫(Kurt-Schumacher)桥。该桥是一座跨径为146.4m287m的独塔斜拉桥,其中主跨为钢梁,边跨为混凝土梁。1979年德国在库特一舒马赫桥修建的基础上,将混合梁技术又向前作了发展,成功修建了主跨为368m的杜塞尔多夫一弗勒埃混合梁斜拉桥。 德国混合梁斜拉桥的建成和发展对欧洲其他国家产生了一定的影响,挪威在1978年建成了一座跨度不大的混合斜拉桥,即Bybura桥。瑞典1982年建成了一座混合梁斜拉桥Tjorn桥,主跨为366m的钢梁,并伸入两侧边跨各10m与混凝土梁结合,钢梁总长为386m。 法国的桥梁工程技术人员非常关注混合斜拉桥的建设,于1995年一举建成主孔跨度为856m的混合梁斜拉桥诺曼底桥(图1.1),其两边跨的混凝土梁向主跨内各延伸116m,主跨中央部分的钢梁长624m,使得法国成为世界上第一个建造主跨接近1000m的斜拉桥的国家[6]。 在亚洲,日本是最先建造和推广混合梁斜拉桥的国家。日本在引进国外先进技术的基础上,以主跨83m的大板大和桥为起点,先后建成了数座混合梁斜拉桥。1991年日本建成主跨490m的生口桥,其主跨采用倒梯形双箱钢梁,边跨采用四室扁平倒梯形混凝土箱梁。1999年一举建成主跨达890米的多多罗大桥[7](图1.2),曾数年保持混合梁斜拉桥跨度世界第一的记录。2001年建成的木曾川桥,是一座四塔部分斜拉桥[8]。 泰国也是重视和发展混合斜拉桥的亚洲国家,进入21世纪后,泰国先后建成了三座主跨跨径在300m以上的混合梁斜拉桥,为斜拉桥的建设和推广做出了一定的贡献。 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;图1.1 法国诺曼底大桥 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 图1.2 日本多多罗大桥 1.1.2 国内发展概况 我国在混合梁斜拉桥建设方面起步较晚,但发展速度较快。国内首座混合梁斜拉桥为1996年建成的上海徐浦大桥(图1.3),其主跨一跃达到了590m。1997年建成的香港汲水门,主跨439m,为公铁两用的混合梁斜拉桥。1998年建成了主跨518m的汕头礐石大桥。2000年,我国建成主跨为618m的武汉白沙洲桥,一举成为当时国内同类型桥梁之最。 主跨为330m的台湾高屏溪大桥于2000年建成,是独塔单索面混合梁斜拉桥。该桥采用新开发的quot;悬挂运输安装法quot;架设钢箱梁,这种施工方法对我国西部跨越峡谷桥梁的架设具有重要的借鉴作用[9]。 2009年,香港昂船洲桥(图1.4)建成通车,该桥为主跨达1018 m的混合梁斜拉桥,超过了日本的多多罗大桥,堪称世界同类桥梁之最。 苏通长江大桥在方案比选阶段也曾提出过混合梁斜拉桥的方案,只因桥位处于广阔的水域中心,且边孔有通航要求而放弃。此后,我国于2010年相继建成了主跨分别为926m和816m的鄂东长江公路大桥和荆岳长江公路大桥,为我国混合梁斜拉桥的建设和发展新增了璀璨的一页。 nbsp; 图1.3 上海徐浦大桥 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;图1.4 香港昂船洲大桥 可以看出,随着时代的进步和科学技术的不断发展,混合梁斜拉桥的数量在不断增多,跨度记录也不断刷新。据不完全统计,目前世界上混合梁斜拉桥主跨跨径在200m~600m的共有21座,其中中国10座,主跨跨径在600m以上的共有6座,其中中国4座。由此可见,混合梁斜拉桥作为一种极具特色的桥型,在世界范围内得到了越来越广泛的应用和发展。 1.2 混合梁斜拉桥的特点和适用范围 1.2.1 混合梁斜拉桥的构造特点 混合梁斜拉桥的主梁一般由钢和混凝土两种不同材料组成,其主跨或大部分主跨一般为钢梁,边跨梁体或者部分边跨梁体为预应力混凝土梁。混合梁斜拉桥充分发挥了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能,使得这种桥型具有良好的跨越能力和经济性。 nbsp; nbsp;钢-混结合段是钢梁和混凝土梁的接合部,是混合梁结构的关键部位,同时也是其受力最复杂的环节。由于钢材和混凝土材料性能的差异,使得结构的刚度和内力在混合梁结合段上的传递不连续,因此,混合梁斜拉桥的结合段在外型上要求钢梁和混凝土梁轮廓一致,过渡平顺;在功能上要求能比较顺畅地传递各种内力(轴力、剪力、弯矩和扭矩等)及变形,并且要具有良好的耐久性和抗疲劳性能。 nbsp; nbsp;根据对已建和在建混合梁斜拉桥的统计分析,混合梁斜拉桥钢-混结合段的构造形式主要有格室和无格室两种[10]。 图1.5 钢-混结合段有格室构造形式 图1.6 钢-混结合段无格室构造形式 其中,在有格室构造形式中,使用前承压板(图1.5(a))构造的桥梁有德国的Flehe桥等,使用前后承压板(图1.5(c))构造的桥梁有日本的木曾川桥、揖斐川桥和中国的荆岳长江大桥等,其余主要是使用后承压板(图1.5(b))构造,如日本的生口桥、瑞典的Tjorn桥以及我国的大多数混合梁斜拉桥。而在无格室构造形式中,法国的诺曼底斜拉桥使用后承压板(图1.6(a))的接合方式,香港的汲水门桥是通过延伸到混凝土箱梁内的钢箱板件上的焊钉连接件和后承压板的组合结构来(图1.6(b))传递作用力的。 混合梁斜拉桥结合段的位置选择也是一个关键环节,结合段的位置应选择在主梁弯矩和剪力都比较小的部位,一般应从受力合理、施工便易和造价经济三个方面来考虑[11],目前主要有两种结合段位置的选择方式 1.边跨端部的部分梁段采用混凝土梁,其他梁段采用钢梁,结合段设在边跨内的某个辅助墩附近,如香港的昂船洲大桥和日本的多多罗大桥。 2.边跨全部为混凝土,主跨大部分为钢梁,结合段设在主跨距索塔较近的位置,如法国的诺曼底大桥和我国的鄂东长江大桥、荆岳长江大桥等。 1.2.2 混合梁斜拉桥的优点 混合梁斜拉桥自出现至今,经过工程技术人员的不断研究和改进,使得其较单一类型的钢梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥有更显著的优点,主要体现在以下几个方面 1. 充分合理的利用了钢材和混凝土两种材料的优势,采用边跨为混凝土梁、主跨为钢梁的构造形式,不仅使得斜拉桥的跨越能力大大增加,而且也具有良好的经济性[12]。 2. 边跨采用自重和刚度都比较大的混凝土梁,不仅增强了全桥的稳定性,而且还起到了良好的锚固和压重的作用,从而降低甚至消除了边跨端支点的负反力,减小了主跨梁体的内力和变形[13]。 3. 混合梁斜拉桥一般采用密索体系,可有效减小边跨挠曲对中跨的影响,从而使结构更接近于弹性支撑的连续梁。 4. 边跨上间隔分布的斜拉索将中跨自重较小的钢梁锚固在边跨自重较大混凝土梁上,这种分散的锚点传力使得整座桥不需要强大的边跨来集中锚固[14]。 5.自重较大的混凝土边跨提供了稳固的支撑,有效降低了活载引起的拉索应力变幅,减小了疲劳影响。 6. 索塔和现浇混凝土边跨可同时施工,能有效缩短施工工期。 1.2.3 混合梁斜拉桥的适用范围 nbsp; nbsp;由于边跨混凝土梁可以有效控制主跨钢箱梁的内力和变形,并提高整桥的刚度和稳定性,因此,混合梁斜拉桥可较好的解决主跨与边跨正常比例受到限制(即边跨跨度较小)的问题。 nbsp; nbsp;资料表明[15]钢斜拉桥的最大合理跨径在700m以内,混凝土斜拉桥的最大合理跨径在500m以内,当跨径超过800m时,一般认为钢斜拉桥的挠曲变形很大且不经济,而一般的混凝土斜拉桥由于自重过大而难以架设。混合梁斜拉桥则集钢斜拉桥和混凝土斜拉桥两者优点于一身,有效解决了两者因自身局限性难以满足大跨度要求的矛盾,使得斜拉桥的跨度一跃达到1000m以上。其中诺曼底桥、多多罗大桥和昂船洲大桥,正是利用混合梁结构的特点,先后一举成为同类桥梁中的世界之最。 1.3 混合梁斜拉桥钢-混结合段试验研究现状 迄今为止,虽然对大跨混合梁斜拉桥结构体系设计与施工方面的关键问题已研究较多,且在国内外大跨桥梁建设中已得到成功地应用,如日本多多罗大桥、香港昂船洲大桥、鄂东长江公路大桥和荆岳长江公路大桥等千米级跨径的斜拉桥。但这些桥梁大多采用双塔双索面的混合梁结构体系,该体系下的斜拉桥钢-混结合段主要承受轴力和弯矩,所以以往的研究大多集中在对结合段进行压弯作用下的试验研究,而对于独塔单索面混合梁斜拉结构体系,扭矩在梁体受力中所占比重往往不能忽视。 目前,对独塔单索面混合梁大跨斜拉桥结合段的研究显得相对薄弱,混合梁斜拉桥钢-混结合段在压、弯、扭共同作用下的研究鲜有文献报道。另外,对结合段内灌注材料的力学性能和应用创新少有研究成果。所以,有必要对独塔单索面混合梁大跨斜拉桥的结合段进行模型试验研究。 1.3.1 结合段模型试验研究现状 (1)舟山桃夭门大桥 舟山桃夭门大桥是典型的混合梁斜拉桥,其主跨为580m的钢箱梁,边跨为48m48m50m的连续预应力混凝土箱梁。钢-混结合面设置在主跨距桥塔中心线16.7m处,结合段全长5.3m,采用的是无格室顶、底板与承压板相结合的构造方式,钢箱梁的端横隔板与混凝土箱梁通过预应力钢束和剪力钉结合在一起。 桃夭门大桥结合段试验模型在长度和高度方向选取实桥12的比例,宽度方向选取19的比例进行尺寸设计,各细节构造完全按照相似比例关系模拟实桥。为使试验荷载有效均匀地传递到结合段,在模型的两端专门设计了加载端。通过张拉预应力钢绞线来实现模型试验轴力和部分弯矩的加载,使用千斤顶施加集中力的方式对剩余弯矩和剪力进行加载[16]。 (2) 汕头磐石大桥 汕头磐石大桥是一座7孔布置的混合梁斜拉桥,其主桥全长906m,孔跨布置为247m100m518m100m247m,其中两端的247m梁段为混凝土箱梁,中间的718m梁段为钢箱梁,结合部采用无格室顶、底板与后承压板组合的构造方式。 试验模型设计的原则是保证钢箱梁截面正应力相等,同时抗剪销钉、隔板连接筋、加劲肋等细部构造均按相似比例模拟实桥进行设计。根据加载台座的承载能力,梁高方向的模拟比例为12,推算宽度方向理论模拟比为111.3,加载方式与桃夭门大桥结合段模型试验相似[17]。 (3)重庆石板坡长江大桥 重庆石板坡长江大桥为特大跨径连续刚构桥,桥梁全长1103.5m,桥跨布置为87.75m4138m330m133.75m。其主跨采用混合梁构造,其中中间108m为钢箱梁,两端为混凝土梁,结合段采用了有格室后承压板构造形式。 由于混合梁结构是首次使用在特大跨径连续刚构桥中,所以该桥对钢-混结合段进行了专项试验研究。试验采用12的几何相似比例设计了对称的工字型混合梁模型,考虑到试验的可行性和安全性,对试验模型的一些细部构造及部分试验荷载等进行了微调,试验按强度相似原则进行了静载与疲劳加载[18]。 (4)佛山平胜大桥 佛山平胜大桥是一座独塔四索面自锚式混合梁悬索桥,桥梁全长680.20m,其跨径布置为39.64m540m30m350m30m29.60m。除主跨使用钢箱梁外,其他梁段均采用混凝土箱梁,结合段采用无格室顶、底板与后承压板组合的构造形式,顶、底板通过开孔板连接件与混凝土梁进行连接。 为详细研究钢-混结合段的受力状态,选取实桥结合段及其两侧共57.4m长的梁段制作了14的缩尺模型进行试验。模型除按梁段长度方向进行缩尺外,两端另加长了约30cm的实体段用于加载。模型试验的轴向力通过体外预应力钢束加载,弯矩通过千斤顶和混凝土块堆重实现,试验时在混凝土梁的梁端使用地锚限制其竖向位移[19]。 (5)佛山东平大桥 东平大桥主桥是采用主、副拱肋空间组合体系的中承式钢桁拱-连续梁协作体系,其跨径组合为43.5m95.5m300m95.5m43.5m,主跨为钢桁拱,边跨为预应力混凝土连续梁,结合段位于钢桁拱与连续梁交界处,钢与混凝土的表面连接采用PBL剪力键连接件,并布置一定数量的贯通钢筋。 为了得到连接部位在静力荷载和疲劳荷载作用下的真实应力分布,东平大桥进行了12.5的结构模型试验,试验采用应力相等的设计原则,并按照圣维南原理进行简化模拟[20]。 (6)鄂东长江大桥 鄂东长江大桥是一座九跨连续双塔混合梁斜拉桥,主桥长1476m,跨径布置为367.5m72.5m926m72.5m367.5m,边跨设置有三个辅助墩和一个过渡墩。该桥中跨主梁采用PK断面钢箱梁,边跨采用同外形的混凝土箱梁,钢-混结合面设在中跨侧距索塔中心线12.5m处,结合段采用有格室后承压板构造形式。 针对鄂东长江大桥混合梁结合段的受力特点,选取桥塔根部至主跨1号索之间约22m长的梁段,制作12缩尺模型试件。依据相似理论对实桥混合梁结合段进行模拟,采用几何、物理以及边界条件相似来设计。根据前期实桥调研和计算机仿真分析结果,为保证能真实反映实桥受力情况,且试验荷载不至于过大造成加载困难,模型试件横桥向选取一个边箱梁,按12的比例进行模型设计,各细节构造均完全模拟实桥[21]。 (7)荆岳长江大桥 荆岳长江公路大桥主桥为主跨816m的双塔双索面混合梁斜拉桥,南边跨采用预应力混凝土箱梁,中跨和北边跨采用了钢箱梁。主跨采用PK断面钢箱梁,边跨采用同外形的混凝土PK箱梁,钢-混结合段长度为2.8m,采用带PBL键(开孔板连接件)和剪力块的前、后承压板钢格室方案。 为确保该桥钢-混结合段的安全、可靠性和耐久性,选取桥塔附近以1号索为中心约20m长的梁段,制作12缩尺模型试件,对结合段应力水平、安全储备和受力性能进行了试验研究。试验模型的轴力采用自锚式加载,通过张拉精轧螺纹钢筋实现,结合段处弯矩的施加,则通过加载端千斤顶的不均匀受力实现,结合面处的剪力值相对于轴力与弯矩很小,没有单独加载[22]。 1.3.2 结合段内灌注材料研究现状 大跨混合梁斜拉桥钢-混结合段的设计中,结合段灌注材料良好的性能对保证大桥的正常使用具有重要的意义。目前,国内外已建成并投入运营的混合梁斜拉桥中,结合段多采用普通自流密实混凝土作为灌注材料,其性能难尽人意,结合段内存在混凝土脱空、开裂及疲劳性能不足等问题。对于独塔单索面斜拉桥,钢-混结合段处于复合受力状态,较普通双索面斜拉桥其受力更为不利,为此必须开发高性能灌注材料以优化结合段的结构和受力性能。 超高性能混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)具有比强度高、负荷能力大、耐久性优异等特点,能有效减轻结构自重、提高结构抵抗荷载的有效性、增大结构的跨越能力[2325]。由于RPC优异的性能,国内外工程对其应用均已有一些实例,如2002年韩国采用RPC修建的跨度120m的人行拱桥,北京石景山斜拉桥采用的无配筋RPC人行道板等,均取得了很好的效果。但将RPC作为灌注材料应用到斜拉桥钢-混凝土结合段在国内外尚无先例,也未有见对RPC用于斜拉桥钢-混结合段的研究报道,所以必须结合模型试验对结合段内RPC灌注料的各项性能进行详细的研究。 1.4 研究的背景工程 云南省六库怒江二桥是本文研究的背景工程,该桥位于怒江州六库镇新城区至老城的城市主干道上,横跨怒江,是此段路线的重要控制性工程之一。 六库怒江二桥主桥为独塔单索面混合梁斜拉桥(图1.7),双向六车道,设计荷载为公路-I级,人群荷载3 kN/m2,跨径组合为81m175m,塔梁墩固结。主跨采用低合金高强度结构钢Q345C(GB/T15911994)钢箱梁,边跨部分采用强度等级为C55的预应力混凝土箱梁,钢-混结合段设在主跨距索塔中线8.75m的位置。其采用钢筋混凝土索塔,桥面设计高程以上塔高70m,全桥共52(2132)根斜拉索,扇形布置。 图1.7 六库怒江二桥效果图 主桥桥面为双向六车道,桥面有效宽度32m,主梁中跨采用钢箱梁,边跨采用同外形的混凝土箱梁。主跨钢-混结合梁段采用大块件吊装钢格室、现浇格室内混凝土施工,标准钢箱梁梁段采用桥面吊机悬臂拼装施工,边跨混凝土梁段采用支架现浇施工。 主跨钢箱梁为单箱五室截面,采用结构钢Q345C(GB/T1591-2008)。钢箱梁中部梁高 2.8m,桥面设2的横坡,箱梁顶板全宽32m,底板全宽20m。全桥钢箱梁划分为A、B、C、D 四种梁段类型,标准节段长度12m,共15 个梁段。 边跨混凝土主梁为外轮廓与钢箱梁协调一致的单箱五室箱型截面(图1.8),采用C55混凝土。箱梁顶面两侧翼缘长3.5m,边室顶宽6 m,底宽3.5m,次边室宽4.8 m,斜拉索锚固箱室宽3.4 m。箱梁顶面设置2的双向横坡,箱梁中间斜拉索锚固箱室顶板厚0.52 m,边室及次边室顶板厚为0.32 m,箱梁底板厚0.3 m,横隔板厚0.45 m。 图1.8 怒江二桥主梁标准断面图(cm) 主梁钢-混结合段长2m,如图1.9所示,采用有格室后承压板的构造形式,是混凝土箱梁向钢箱梁转换的过渡段。为避免主梁刚度变化过大,钢-混结合段设置了高750mm的上、下钢格室,钢格室的顶、底、腹板及承压板厚/p

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