【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】

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　　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這一部位安全、均勻地傳遞到塔柱中。由于拉索的局部強大集中力、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受到橋梁界的矚目，索塔錨固區(qū)也是斜拉橋設(shè)計和施工的難點和關(guān)鍵。本文依托于哈爾濱繞城高速公路四方臺大橋，主要對該橋索塔受水平分力最大的塔頂部錨固區(qū)節(jié)段進行詳盡的理論分析和可靠的足尺模型試驗，并對索塔錨固區(qū)所選節(jié)段提出優(yōu)化設(shè)計方案?！　∈紫壤肁NSYS軟件針對索塔錨固區(qū)所選節(jié)段進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，在模型長邊內(nèi)側(cè)端部區(qū)域會出現(xiàn)較大的局部拉應(yīng)力，理論計算與實測都證明了這一點?！　λ魉^固區(qū)進行了預(yù)應(yīng)力束施工工藝試驗。試驗條件與主塔的實際施工工藝完全相同，以認真實踐主塔的施工工藝，并為主塔的施工積累經(jīng)驗。通過試驗確定塑料波紋管的孔道摩阻系數(shù)，對預(yù)應(yīng)力鋼束張拉伸長量進行分析，并對預(yù)應(yīng)力孔道真空輔助壓漿工藝進行探討。在小半徑大噸位情況下預(yù)應(yīng)力鋼筋對孔道的徑向力將增大，預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道問將不再是點接觸，呈現(xiàn)出嵌入孔道的趨勢，摩擦系數(shù)將有較大的增加，現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范尚未對此有明確的規(guī)定。影響預(yù)應(yīng)力鋼束伸長量的因素繁多，一般情況下，其實測伸長量與理論伸長量之間相差較大，通過本試驗考察各種因素對張拉伸長量的影響程度并探討能夠有效減緩預(yù)應(yīng)力鋼束伸長量的張拉工藝。試驗結(jié)果表明，進行預(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量。本試驗采用與實際拖工相同的真空輔助壓漿工藝，以指導(dǎo)實橋的施工操作，并確定了效果良好的壓漿配比。試驗結(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性效果，值得推廣應(yīng)用?！　∵M行索塔錨固區(qū)節(jié)段足尺模型試驗。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。而四方臺松花江大橋索塔截面又為國內(nèi)首次采用的單軸對稱類六邊形，其受力狀態(tài)將更加復(fù)雜，單純的理論分析無法全面反映索塔錨固區(qū)實際的應(yīng)力分布和變形情況。通過足尺模型試驗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)力階段及混凝土開裂前，其應(yīng)力實測值與計算機仿真分析結(jié)果基本吻合，說明處于復(fù)雜受力狀態(tài)的索塔錨固區(qū)，利用有限元技術(shù)進行模擬，也可得到較為滿意的結(jié)果；根據(jù)試驗結(jié)果，索塔的開裂荷載為14500kN，相應(yīng)的抗裂安全系數(shù)為2．07；由于橋塔沿橫橋向為非對稱結(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。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?！　︻A(yù)應(yīng)力鋼束曲布置方式進行優(yōu)化。索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼束的合理配置對提高該區(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，因此對預(yù)應(yīng)力布束方式的優(yōu)化只進行每種鋼束中預(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。在較為簡單的對稱結(jié)構(gòu)中橫梁的作用和傳力路徑比較明確，而在復(fù)雜的非對稱結(jié)構(gòu)中，由于受力和傳力形式發(fā)生改變，有必要對其在主塔結(jié)構(gòu)中所起到的作用進行探討。通過有限元分析得出，索塔錨固區(qū)無橫梁時的應(yīng)力雖比有橫梁時略有提高，但無顯著差異，與足尺模型試驗結(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，并在實際施工中得到采納，對主塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和方便旖工起到了重要作用?！　?

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