双曲面斜拉桥桥塔钢-混结合段受力特性及试验研究

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混合结构因可以充分利用钢和混凝土两种材料的优点在桥塔的建造中得到青睐。近些年来,随着国民经济的不断发展,人们对城市桥梁景观的要求也不断提高,异形混合桥塔逐渐成为城市桥梁景观的首选。但异性桥塔受力复杂,且混合桥塔在我国的应用不足二十年,针对钢-混结合段的研究相对较少,因此异形混合桥塔值得深入研究。双溪铺大桥桥塔高88 m,为双曲面桥塔,空间变形大。桥塔钢-混结合段采用承压传力式结构,是整个桥塔结构的刚度突变处,其受力性能关系到整个桥塔乃至全桥的运营安全,是双溪铺大桥设计的重点和难点。在此,以双溪铺大桥桥塔钢-混结合段为工程背景,对其进行节段仿真分析和试验研究,并推导相应的计算理论,主要研究内容及成果如下:(1)采用ANSYS建立原桥桥塔节段有限元模型,分析其受力性能和板件应力分布规律。结果表明:在运营状态下,双溪铺大桥桥塔钢-混结合段所有板件应力均在合理范围内。桥塔双曲面变形使得壁板截面上出现了最大约36 MPa的应力差值。PBL钢筋的剪应力在模型轴向上呈现“两边大,中间小”的分布特征,剪力钉的剪应力呈现“四周大,中间小”的分布特征。(2)为验证双溪铺大桥桥塔钢-混结合段受力特性和传力机理,在有限元计算的基础上,设计了等效的全截面缩尺静载试验模型。经过比选,确定缩尺比为1:4,并进行了等效性验证,设计了对应的加载方案。(3)根据试验加载方案,进行了静载模型试验,测试并分析了在最不利负弯矩工况和2.0倍超载工况下双溪铺大桥桥塔钢-混结合段试验模型的板件应力、变形和钢混滑移等数据。结果表明:最不利负弯矩工况下,模型处于弹性工作状态,钢结构最不利位置均位于模型钢梁过渡段,最大压应力为-169.26 MPa,最大拉应力为47.84 MPa。混凝土部分最不利位置位于混凝土过渡段中部。(4)2.0倍超载工况加载过程中,模型整体变形处于弹性工作状态。混凝土段于1.4倍加载下首先出现裂缝,2.0倍加载下缝宽最大为0.1 mm,裂缝共10条,其中3条贯穿整个截面。钢梁过渡段受压壁板于1.7倍加载下出现局部屈曲。剪力钉和PBL钢筋的轴向应力不均匀系数分别为1.63和1.27。PBL钢筋的弯曲应力小于附近的剪力钉弯曲应力。模型最大水平挠度为1.26 mm,位于钢梁过渡段;钢与混凝土最大滑移量为255μm,位于钢-混结合段受拉侧中部。(5)推导了钢-混结合段相关计算理论和PBL钢筋弯曲应力与剪应力的换算关系公式,探究了钢-混结合段的传力机理,并对承压板厚度和钢梁过渡段钢壁板厚度等敏感性参数进行了参数分析。结果表明:承压板厚度对钢-混结合段的受力性能影响较小,钢梁过渡段钢壁板厚度仅对钢梁过渡段处应力影响较大。
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