[00138309]大悬臂单索面矮塔斜拉桥关键技术研究

本项目为2009年研究开发项目（项目编号：2009-K2-13）。 本项目属于桥涵工程科学技术领域。 课题以佛山市禅西大道（325国道改线）二期工程石湾特大桥（大悬臂单索面矮塔斜拉桥）为研究对象,对大悬臂单索面矮塔斜拉桥进行一次更深入地研究。主要研究大悬臂单索面矮塔斜拉桥设计的一系列关键技术及结合本桥特色特点的技术难题,探索大悬臂单索面矮塔斜拉桥受力原理、结构特点、高精度空间有限元受力分析等一系列技术问题。通过有限元理论分析,对大悬臂单索面矮塔斜拉桥的结构性能进行综合研究,提出了结构参数、剪力滞实用计算公式等,进一步改善了结构受力性能,并结合实桥进行理论与实践的检测验证。 本课题的主要内容及成果包括： 1.矮塔斜拉桥长度参数和刚度参数的影响行为研究 通过边中跨比、主塔高度、主梁中跨跨中无索区长度、主梁塔旁无索区长度、主塔无索区长度等长度参数;主梁刚度（梁高）、主塔刚度、斜拉索面积和墩梁连接方式等刚度参数,分别分析了这些长度参数和刚度参数对主梁内力和位移、主塔的内力和位移、拉索应力幅和拉索活载系数的影响,确定了长度参数和刚度参数比较合理的取值范围,以进一步对石湾特大桥部分结构尺寸进行优化,得到比较经济合理的设计结果,也为同类桥梁设计提供参考。 2.基于FEA矮塔斜拉桥整体空间有限元施工全过程分析研究 采用土木结构非线性详细分析专用软件Midas FEA按施工全过程建立了双塔单索面矮塔斜拉桥的空间实体有限元模型,施工从0号块混凝土浇筑直至成桥十年共分51个阶段进行了理论数值受力分析,明确了宽幅薄壁箱梁各控制截面的纵向正应力、横向正应力、主应力等分布情况,重点分析了各控制截面的上下缘正应力沿横向的分布,明确箱梁上下缘的剪力滞效应。 3.大悬臂单箱三室箱型截面梁的剪力滞效应研究 通过宽幅薄壁箱梁的受力分析,阐述了剪力滞效应的基本概念、作用分析和影响因素,介绍了国内外剪力滞效应的理论发展情况,以及常用的求解方法如弹性理论解法、比拟杆法、能量变分法、数值解法（有限单元法、有限条分法、有限差分法和有限段法）和模型试验等等。根据石湾特大桥的施工状态、边界条件和作用荷载,推导了适合该桥的三杆比拟法的实用计算公式。并与采用Midas FEA建立的石湾特大桥空间实体单元模型,在材料线弹性作用下宽幅薄壁箱梁控制截面的剪力滞效应结果进行了对比。宽幅薄壁箱梁的三杆比拟法实用计算公式的结果值较空间实体理论分析的剪力滞系数值稍大,但两者数值较接近,证明三杆比拟法计算偏于保守,较适合于同类桥梁设计计算分析时使用。 参照国内外剪力滞研究的参数和成果,通过基于矮塔斜拉桥施工全过程模拟分析实体有限元模型,对主梁关键截面分别在结构自重、二期恒载、腹板钢束、顶底板钢束和体外拉索等参数作用下,分别分析了宽幅薄壁箱梁截面上下缘纵向正应力沿横向分布,研究了各参数影响截面剪力滞效应的因素和规律。 4.基于ANSYS和Midas FEA的塔身实体有限元数值分析研究 通过建立斜拉索分丝转向管的平面单元模型,按斜拉索各钢绞线中心加载单位荷载,进行了斜拉索索力传递规律的平面单元受力分析研究,确立了塔身内48孔分丝转向管承担的荷载分布形式。 为了解单索面双塔矮塔斜拉桥桥塔塔身的受力基本特点,基于ANSYS和Midas FEA两种非线性空间有限元分析软件进行塔身空间有限元模型的数值理论分析,进一步明确了桥塔塔身受力中局部危险区域的分布情况,并提出了矮塔斜拉桥分丝转向管的优化改进建议。 5.基于空间有限元数值分析的矮塔斜拉桥施工全过程监控体系研究 对于大型桥梁,理想的几何线形与合理的内力状态不仅与设计有关,而且还依赖于科学合理的施工方法。施工控制就是通过在施工过程中对桥梁结构进行实时监测,根据监测结果,评估各主要施工阶段主梁、塔身等主要构件的变形及材料应力变化状态是否符合设计要求,判断施工过程是否安全,结构是否正常工作;而当出现较大误差时,对结构进行误差调整,并对设计的施工过程进行重新安排,从而保证桥梁建成时最大可能地接近理想设计状态,也确保施工期间的结构安全和施工质量。通过对比验证空间有限元分析结果与现场监测系统采集数据,实施了施工全过程监控,确保该桥的施工质量和安全,为今后建设同类型桥梁提供一定的经验。 本课题的创新内容如下： （1）通过分析04桥梁规范作用效应下,边中跨比、主塔高度、主梁中跨跨中无索区长度、塔旁主梁无索区长度、主塔无索区长度等长度参数;主梁刚度（梁高）、主塔刚度、斜拉索面积和墩梁连接方式等刚度参数对主梁内力和位移、主塔的内力和位移、拉索应力幅和拉索活载系数的影响,确定了单索面矮塔斜拉桥长度参数和刚度参数比较合理的取值范围。 （2）通过宽幅薄壁箱梁的受力分析,阐述了剪力滞效应的基本概念、作用分析和影响因素,介绍了国内外剪力滞效应的理论发展情况和常用的求解方法。建立了基于FEA单索面矮塔斜拉桥的整体空间实体有限元模型,按施工全过程进行了结构的精细化理论数值分析,明确了宽幅薄壁箱梁控制截面的上下缘正应力沿横向的分布规律,从而确定了箱梁上下缘的剪力滞效应。同时根据矮塔斜拉桥的施工状态、边界条件和作用荷载,推导了适合该桥型的三杆比拟法实用计算公式。 （3）通过基于FEA空间有限元理论数值分析结果与施工现场监测系统所采集的数值进行时时的对比和验证,实施了矮塔斜拉桥的实时施工全过程监控,确保该桥的施工质量和安全,为今后建设同类型桥梁提供一定的经验。 经科技查新,结论是国内外均未发现与本项目内容完全相同的文献报道。 本课题的研究成果全面、翔实,可以对桥梁的方案设计、结构设计、施工进行指导,可以简化设计流程,提高了设计效率,缩短建设工期。目前,成果已经在佛山禅西大道二期工程石湾大桥工程、天津市滨海新区中央大道永定新河工程、宁波市新江桥新建工程、长治市上党新区漳泽湖大桥工程等项目中得到应用本课题投入少产出高且符合资源节约、环境友好的根本宗旨,技术经济指标先进程度很高,应用前景广阔。 后续推广工作,拟采取编制相关技术指导手册,在类似结构体系桥梁设计、施工中大力推广。