[博士]超千米级斜拉桥结构体系研究

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内容简介

　　[博士]超千米级斜拉桥结构体系研究　　学科专业：桥梁与隧道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：同济大学　　学位年度：2008　　 本文是在国家高技术研究发展计划(863计划)项目“超千米斜拉桥体系及减灾减振技术研究”(编号2006AA11Z120)资助下进行的，以1400m跨度斜拉桥结构体系为主线，开展了全自锚斜拉桥、部分地锚斜拉桥、协作体系三种结构体系的试设计和成桥状态力学特性研究及参数分析，最后对各桥型进行了经济性能研究。所做的主要工作及主要成果包括:　　 (1)在综述大跨度缆索承重结构桥梁几何非线性分析理论的基础上，对通用有限元分析程序系统ANSYS进行了必要的二次开发工作，可完成精确施加拉索索力、斜拉索垂度效应模拟、全非线性活载效应分析、荷载组合等桥梁结构特有分析，为本文后续研究解决了计算工具问题。　　 (2)进行了一座主跨1400m斜拉桥的试设计，通过详尽的结构分析证明了该跨径全自锚斜拉桥方案在静力特性上是成立的;在此过程中，总结出了一套方便、实用的大跨度斜拉桥概念设计阶段合理成桥状态确定方法，探明了非线性效应对结构响应的影响可达到20%而必须加以考虑，确定了静力性能中制约跨度增大的几个关键因素;并通过结构计算证实了全飘浮体系和支承体系性能相当，都是可行体系，而固接体系不可行。　　 （3)完成了一座主跨1400m部分地锚斜拉桥的试设计，确定了结构合理成桥状态，并通过详尽的成桥状态静力响应分析证明该方案是成立的。　　 （4)对主跨1400m部分地锚斜拉桥开展了成桥状态静力性能参数研究，应采用全飘浮或支承体系，应设置不超过2个辅助墩，并减小地锚拉索倾角、增大主梁宽度、减小梁高、增大塔高。　　 （5)完成了一座主跨1400m斜拉一悬吊协作体系方案试设计，总结了结构合理成桥状态，特别是悬吊部分缆索索力及真实恒载构形的确定方法，并通过详尽的成桥状态静力响应分析证明该方案是成立的。　　 （6)对协作体系方案进行了成桥状态静力性能参数研究，主要结论如下:吊跨比增大时，主梁压力减小，主缆轴力和锚锭锚固力增大，主梁活载位移先减小后增大，增大主缆矢跨比有利于减小缆索、主梁及锚旋力，但主塔受力增大，建议在增大主塔断面的前提下采用较大塔高以增大矢跨比;设置交叉吊索可明显降低吊索和斜拉索的活载应力幅，但即使不设置交叉吊索也不会出现疲劳问题，建议尽量少设置交叉吊索。　　 (7)对三种体系的成桥状态力学性能进行了对比，结果表明部分地锚斜拉桥和协作体系在后期荷载作用下结构性能相当，具有如下优点:主梁压力和截面面积大幅降低，节约了全桥材料用量;地锚大幅提高了结构总体刚度;极限静纵风工况不再控制主塔结构设计。另外，部分地锚斜拉桥在恒载下主跨地锚梁段受拉可能导致拉力控制设计，而协作体系悬吊段主梁受力很小;协作体系的优点还表现在塔高和最大拉索长度减小，但锚旋受力和体积增大较多，且颤振临界风速降低，有待通过更精确方法验证其安全性。　　 （8)通过推导全自锚斜拉桥、部分地锚斜拉桥和协作体系全桥材料用量及造价表达式，对三种体系进行了经济性能对比和参数分析，主要结论如下:就总造价而言，全自锚斜拉桥最高，协作体系次之，部分地锚斜拉桥最低;就单位造价而言，协作体系最高，部分地锚和全自锚斜拉桥几乎相同;部分地锚斜拉桥总造价随地锚段主梁长度增大而降低，但单位造价相反;协作体系总造价和单位造价都随地锚段主梁长度增大而增大;从经济性角度出发，塔高应取较小值，因此塔高设定应综合考虑造价与静力性能。　　 （9)对本文主要研究工作进行了总结，并对后续研究进行了展望。

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