大跨徑三塔結(jié)合梁斜拉橋極限承載能力研究.pdf

1、武漢二七長(zhǎng)江大橋是世界上跨徑最大的三塔結(jié)合梁斜拉橋，是新型的大型多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，不僅是城市交通的重要樞紐，也是武漢市的標(biāo)志性建筑，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)地位，所以，其結(jié)構(gòu)安全性能是社會(huì)和研究人員所關(guān)心的首要問題。由于結(jié)構(gòu)的安全性能是由其極限承載能力決定的，所以對(duì)該斜拉橋進(jìn)行極限承載能力研究是很重要的。雖然嚴(yán)格地講，橋梁極限承載能力包含靜力、地震、風(fēng)力、船撞、爆炸等荷載作用下結(jié)構(gòu)的各種最大承受荷載能力，但其中最典型和最重要的是靜力作用下的極

2、限承載力和動(dòng)力及偶然荷載作用下的抗震能力，且它們是確定橋梁結(jié)構(gòu)靜力和地震安全性的基礎(chǔ)，所以對(duì)這兩方面的研究極為重要。由于該斜拉橋跨徑大，橋塔多，主梁采用較柔的結(jié)合梁，所以無論是極限承載力分析還是抗震能力分析，結(jié)構(gòu)多重非線性突出，結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響因素多，計(jì)算難度大。因此，為保證結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)使用過程中的安全性和認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力力學(xué)性能，對(duì)該新型斜拉橋進(jìn)行極限承載力研究和抗震能力研究是非常必要的。
　　 本文以武漢二七長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃?/p>

3、先研究了幾何、材料非線性和結(jié)合梁界面滑移效應(yīng)的計(jì)算方法，形成了大跨徑結(jié)合梁斜拉橋多重非線性極限承載力分析方法；其次采用塑性鉸考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的混凝土開裂、鋼筋屈服等特點(diǎn)以及利用二分法計(jì)算程序使計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析和減少計(jì)算量，提出了基于塑性鉸模型的斜拉橋抗震能力時(shí)程分析法；最后，針對(duì)橋梁混凝土材料的疲勞損傷和地震作用下的應(yīng)變率效應(yīng)會(huì)影響結(jié)構(gòu)的抗震能力，研究建立了基于疲勞損傷本構(gòu)模型的地震中結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)變率效應(yīng)分析方法。本文的研究可促進(jìn)大跨

4、徑斜拉橋的極限承載力和抗震能力計(jì)算方法的進(jìn)步和提高，進(jìn)一步探明多塔結(jié)合梁斜拉橋的力學(xué)性能，為大型橋梁結(jié)構(gòu)極限承載能力分析和安全性能評(píng)估提供理論基礎(chǔ)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。主要內(nèi)容和研究成果如下：
　　 (1)系統(tǒng)研究了結(jié)構(gòu)幾何、材料非線性和結(jié)合梁界面滑移效應(yīng)的計(jì)算方法，形成了大跨徑結(jié)合梁斜拉橋多重非線性極限承載力分析方法，并分析了大跨徑三塔結(jié)合梁斜拉橋極限承載力特性和研究了重要非線性因素對(duì)承載能力極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律

5、。結(jié)果表明，該三塔斜拉橋極限承載力為P值+4.1P活，安全系數(shù)為2.41，結(jié)構(gòu)具有較高的極限承載力和安全性；中塔抗彎能力對(duì)整體結(jié)構(gòu)極限承載力的影響較大；材料非線性對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的響應(yīng)影響相對(duì)較大，結(jié)合梁界面滑移效應(yīng)和斜拉索垂度效應(yīng)的影響較小。
　　 (2)根據(jù)斜拉橋地震作用特點(diǎn)，系統(tǒng)地研究了考慮幾何非線性、多維地震作用以及行波效應(yīng)的斜拉橋地震反應(yīng)時(shí)程分析方法，在此基礎(chǔ)上研究了大跨徑三塔斜拉橋在三向地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及行

6、波效應(yīng)，獲得該新型橋梁的地震反應(yīng)特性及行波效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，三塔斜拉橋中塔的最大彎矩要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊塔，橋塔的橫向地震反應(yīng)總體較??；行波效應(yīng)對(duì)先到達(dá)的邊塔的縱向地震反應(yīng)的影響最大，其次是最后到達(dá)的邊塔，但對(duì)中塔的地震反應(yīng)影響很小，行波效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)橫向地震反應(yīng)的影響很小。
　　 (3)提出了基于塑性鉸模型的斜拉橋抗震能力時(shí)程分析法。該方法充分利用了時(shí)程分析法的優(yōu)點(diǎn)，采用塑性鉸考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的混凝土開裂、鋼筋屈服等

7、截面損傷特點(diǎn)，并利用二分法計(jì)算程序使計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析和減少計(jì)算量，因此分析斜拉橋的抗震能力較為簡(jiǎn)便；采用該方法既可以獲得結(jié)構(gòu)的抗震能力，還可以得到抗震能力狀態(tài)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性和結(jié)構(gòu)失效模式。通過該方法研究了大跨徑三塔斜拉橋的抗震能力，結(jié)果表明，基于塑性鉸模型的抗震能力時(shí)程分析法計(jì)算效果較好；該三塔斜拉橋能承受的最大地震作用的峰值加速度為0.302g，結(jié)構(gòu)具有較高的抗震能力；在抗震能力狀態(tài)，中塔地震反應(yīng)最大，是控制整體橋梁抗震能力的關(guān)鍵結(jié)

8、構(gòu)。
　　 (4)建立了基于疲勞損傷本構(gòu)模型的地震中結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)變率效應(yīng)分析方法。因?yàn)闃蛄夯炷敛牧显谶\(yùn)營(yíng)使用過程中受到疲勞荷載作用而會(huì)出現(xiàn)損傷，而在地震作用下又具有應(yīng)變率效應(yīng)，兩者都會(huì)影響結(jié)構(gòu)抗震能力，所以分析計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)予以考慮，以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)地震安全性。為此，基于邊界面理論和連續(xù)損傷力學(xué)理論，推導(dǎo)了應(yīng)變控制的拉、壓混凝土疲勞損傷本構(gòu)模型，并通過對(duì)應(yīng)變能釋放率進(jìn)行Perzyna粘性規(guī)則化，形成了包含靜力、應(yīng)變率相關(guān)及無關(guān)的統(tǒng)一