三塔悬索桥刚性中塔的鞍缆防滑技术研究

为了提高三塔悬索桥刚性中塔的鞍缆防滑安全度,研究了5个方案即在跨中设置中央扣、改变矢跨比、在塔根和主缆间设置扣索、在塔顶处设置钢结构构件、在索鞍两侧主缆上添加辅助拉索等的有效性。以泰州长江大桥为工程背景,结合有限元数值方法和解析法,证明了中央扣和扣索方案的效果甚微,而其余三个方案则十分有效,并给出相应的设计建议。     

三塔悬索桥中塔结构选型分析

三塔悬索桥作为一种新型的桥梁体系,结构受力特征与两塔悬索桥显然不同。三塔悬索桥整体刚度低、主粱挠跨比大,中塔选择对整个结构的受力有非常显著的影响．本文以泰州桥的三塔双主跨悬索桥为研究背景,分析讨论了三塔悬索桥主梁挠跨比、主缆抗滑移安全系数、主塔截面内力等设计限制下的中主塔刚度的恰当取值,采用有限元方法对中塔纵向采用A型钢塔、A型混凝土塔、I型混凝土塔等不同的结构型式进行了分析．研究发现,中塔纵向刚度是中塔结构选型的关键,在一定的结构体系下,三塔悬索桥中塔的纵向刚度应当在一定范围之内才能满足各种设计条件．分析结果表明,泰州大桥中塔结构的纵向刚度宜在23～28MN／m之间,采用人字形钢中主塔是适宜的。     

三塔悬索桥中塔结构选型分析

三塔悬索桥作为一种新型的桥梁体系,结构受力特征与两塔悬索桥显然不同.三塔悬索桥整体刚度低、主梁挠跨比大,中塔选择对整个结构的受力有非常显著的影响.本文以泰州桥的三塔双主跨悬索桥为研究背景,分析讨论了三塔悬索桥主梁挠跨比、主缆抗滑移安全系数、主塔截面内力等设计限制下的中主塔刚度的恰当取值,采用有限元方法对中塔纵向采用A型钢塔、A型混凝土塔、I型混凝土塔等不同的结构型式进行了分析.研究发现,中塔纵向刚度是中塔结构选型的关键,在一定的结构体系下,三塔悬索桥中塔的纵向刚度应当在一定范围之内才能满足各种设计条件.分析结果表明,泰州大桥中塔结构的纵向刚度宜在23～28MN／m之间,采用人字形钢中主塔是适宜的.     

三塔悬索桥主缆与中塔鞍座抗滑简化计算方法

为研究三塔悬索桥主缆与鞍座的抗滑特性,给出了三塔悬索桥主缆抗滑安全系数的简化计算方法.考虑活载作用下塔、缆变形以及加载跨与非加载跨主缆内力的平衡关系,推导鞍座处主缆抗滑安全系数的解析计算公式;建立有限元模型对公式进行验证;研究垂跨比、塔缆刚度比、恒活载比、跨径等主要设计参数对主缆抗滑安全系数的影响.研究表明:该公式可用于悬索桥初步设计阶段主缆抗滑安全系数的估算,能够为设计参数的合理取值提供理论依据.主缆抗滑安全系数随着塔缆刚度比增大而减小,当塔缆刚度比小于3时,增大塔缆刚度比,主缆抗滑安全系数迅速减小,当塔缆刚度比大于3时,塔缆刚度比对主缆抗滑安全系数影响较小;垂跨比对主缆抗滑安全系数的影响取决于桥塔刚度;主缆抗滑安全系数随着恒活载比值及跨径增大而增大.     

连续超大跨悬索桥的刚度特征

为了明确三塔悬索桥的中塔刚度取值范围,以主缆与中塔鞍座的抗滑安全系数和加劲梁挠跨比为控制指标,推导了三塔悬索桥中塔刚度上、下限值解析公式,建立有限元模型验证了公式的有效性,最后分析了垂跨比、恒活载比值、跨径等主要设计参数对中塔刚度取值的影响.结果表明：理论值与有限元值符合良好,可在初步设计阶段指导多塔悬索桥的中塔选型;恒活载比值对中塔刚度取值的影响较大,当恒活载比值约大于6.5时,才存在合适的中塔刚度使三塔悬索桥同时满足结构变形和主缆抗滑的要求;主缆垂跨比主要影响中塔刚度上限值,且对上限值的影响与恒活载比值有关;中塔刚度取值范围随着主跨跨径增大而增大.

     

悬索桥主缆施工控制与监测

分析悬索桥主缆施工过程中测量数据的影响因素及误差来源,介绍测量方法的应对调整方案。 主缆线形基准索股测量无法使用几何水准,采取先进高精度测量全站仪器、只能单向三角测量,一台全 站仪器进行单向三角测量如果出现粗差无法校对,同时测量的基准索股对温度变化、风力的大小、塔位 的偏移等因素十分敏感,因此对测量方案进行调整,选择在无风或风力很小、温度稳定的夜间进行,用两 台高精度的自动跟踪全站仪同步单向三角测量,使得测量任务能在短时间完成,满足悬索桥主缆施工控 制精度要求。     

三塔悬索桥的缆索体系及其抗风稳定性

以在建1 080 m主跨的三塔双跨悬索桥-泰州长江公路大桥为工程背景,分别试设计了具有空间缆索体系和平行双缆体系的两座方案桥,采用三维非线性空气静力和动力稳定性分析方法,分别对其动力特性、空气静力和动力稳定性进行了分析和比较,并探讨了具有良好抗风稳定性的三塔悬索桥的合理缆索体系.结果表明:三塔悬索桥采用平面双缆体系尤其是空间缆索体系后,结构的刚度明显增强,具有良好的结构动力特性,结构的抗风稳定性显著提高,相比而言采用空间缆索体系则更有利.     

三塔悬索桥的结构体系及抗震性能研究

与通常采用的双塔悬索桥相比,三塔悬索桥因中间桥塔缺乏有效的纵向约束而导致结构整体刚度的下降,在地震作用下结构的动力反应问题可能会更加突出.以已建成的1 080m主跨的三塔双跨悬索桥-泰州长江公路大桥为工程背景,利用MIDAS/CIVIL有限元软件对其抗震性能进行分析,揭示了三塔悬索桥抗震性能的特点,在此基础上进行了主缆矢跨比、中塔刚度以及主梁约束方式等主要结构设计参数对大跨度三塔悬索桥地震反应的影响分析,并从抗震性能角度提出大跨度三塔悬索桥适宜的结构体系.研究结果表明:大跨度三塔悬索桥横桥向地震反应非常显著,尤其是边塔,因此应重视结构的横桥向和边塔的抗震性能.采用较大的矢跨比、柔性的中塔、中塔与主梁之间设置弹性索都可以有效地提高大跨度三塔悬索桥的抗震性能.     

自锚式悬索桥主缆成桥线形分析

基于悬链线解析模型,将加劲梁简化为刚性支承连续梁,根据悬链线索元的节点力与索单元投影的函数关系式,建立了自锚式悬索桥的分析模型.利用几何线形误差影响矩阵调整索端力,给出了求解主缆成桥线形和主缆无应力长度的非线形迭代方法.与有限元分析方法相比,该方法计算过程简单,精度满足成桥几何线形的设计要求,便于工程应用.算例分析表明,该方法计算结果与有限元方法计算结果具有较好的一致性.     

中央扣对三塔悬索桥动力特性的影响

基于ANSYS软件建立了泰州长江公路大桥的三维有限元计算模型,并采用子空间迭代法对其进行了自振特性分析,研究了在主跨跨中主缆和主梁之间设置中央扣对大跨度三塔悬索桥动力特性的影响。结果表明：中央扣的设置对第1阶竖弯振型有较大影响,对某些竖弯振型有非常大的影响,而且较明显地推迟了1阶反对称扭转振型的出现,增大了侧弯振动频率;对单跨内反对称侧弯振型的影响大于单跨内正对称侧弯振型,使得以缆索振动为主的振型推迟出现;所得结论为该桥的抗风、抗震研究提供了必要的信息和研究基础。     

大跨径悬索桥索鞍处主缆长度计算方法

为了充分考虑索鞍对主缆长度的影响,兼顾操作便捷性与计算准确性,提出大跨径悬索桥索鞍处主缆长度解析计算方法. 首先,根据主缆与索鞍的几何关系,推导了索鞍处主缆曲线修正算法;然后,利用牛顿-拉菲森迭代法,对所得二元非线性方程组进行求解;最后,选取常见的主索鞍与散索鞍两组算例,验证该方法的可靠性. 结果表明:相比于传统算法,减少了6个方程与6个初始输入参数,表达形式更加明确;仅需输入两个参数,且对参数初始值设置没有严格要求,均可达到快速收敛的效果,增强了其可操作性;迭代次数减少50%,计算时间不足传统算法的10%,大大提高了计算效率,且计算精度可满足工程要求. 所提出的算法可方便地应用于建设期间主缆曲线长度以及索鞍位置的确定,使大跨径悬索桥的施工控制更为精准,进而确保其成桥状态满足设计要求.     

碳纤维主缆鞍座处抗滑移试验

为了解悬索桥碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)主缆在鞍座处的抗滑移性能,对CFRP丝-鞍座界面的摩擦系数进行实测,结合实桥分析了多种鞍座两端CFRP主缆轴向拉力比对应的抗滑稳定安全系数.研究表明,CFRP主缆-鞍座界面的摩擦系数与界面压力无关;CFRP丝表面形式对摩擦系数有较大影响,微压纹单丝在鞍座处摩擦系数超过0.496;实桥中,当鞍座两端主缆轴向拉力比在1.02～1.08时,CFRP主缆鞍座处抗滑稳定安全系数大于4.7.     

悬索桥施工中索鞍顶推的小步快跑原则

针对悬索桥施工中塔顶主索鞍的顶推问题，以宜昌长江公路大桥为例，采用三维的实体退化虚拟层合单元建立起全桥的三维有限元模型，对主梁吊装阶段的悬索桥桥塔应力进行了分析，并对索鞍顶推、索鞍自由滑移、索鞍固结这3种假想情况下的桥塔应力计算结果进行了对比，提出了塔顶主索鞍顶推的小步快跑原则，即适当增加顶推次数，减小每次顶推的顶推量.根据小步快跑原则制订的顶推方案与实际施工顶推方案及另一种假想的顶推方案的对比计算结果表明，小步快跑顶推方案可使施工过程中的桥塔应力更加逼近理想受力状态，有利于增加桥塔的施工安全裕度及全桥结构的安全     

三塔自锚式悬索桥经济性能研究

在统计国内外部分已建成的自锚式悬索桥材料用量的基础上,基于银川滨河黄河大桥,研究三塔自锚式悬索桥的经济性能,建立各构件材料用量与结构参数、受力的关系,并以此为基础分析加劲梁材料、矢跨比和边中跨比等参数对造价的影响。研究得出:改变加劲梁的材料,对三塔自锚式悬索桥造价的影响较大;矢跨比的增加可以大幅减少主缆的造价;当桥梁总长一定时,边中跨比合理的范围内应选取较大值。     

钢主缆与CFRP主缆悬索桥力学性能及极限跨径研究

运用解析法研究了在现有材料强度的基础上,钢主缆和CFRP主缆悬索桥的极限跨径。结果表明,跨径超过4 500 m后,钢主缆悬索桥的主缆直径将急剧增大,恒载所占比重超过全桥总荷载的95%,不宜采用;而CFRP主缆悬索桥在跨径超过5 000 m后,主缆面积仍能保持平稳增长,且远小于相同跨径下钢主缆所需面积,可行性高。此外,分别对主跨为1 500、2 000、3 000、4 000和5000m的钢主缆和CFRP主缆单跨悬索桥进行试设计,并对主缆、锚锭及桥塔受力、活载作用下的加劲梁挠度等力学性能进行了对比分析。得出:2 000 m以下的悬索桥钢主缆具有优势,而3 000 m以上的悬索桥采用CFRP主缆是可取的。