大跨徑三塔結合梁斜拉橋極限承載能力研究.pdf

1、武漢二七長江大橋是世界上跨徑最大的三塔結合梁斜拉橋，是新型的大型多塔斜拉橋結構，不僅是城市交通的重要樞紐，也是武漢市的標志性建筑，具有重要的經(jīng)濟和社會地位，所以，其結構安全性能是社會和研究人員所關心的首要問題。由于結構的安全性能是由其極限承載能力決定的，所以對該斜拉橋進行極限承載能力研究是很重要的。雖然嚴格地講，橋梁極限承載能力包含靜力、地震、風力、船撞、爆炸等荷載作用下結構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、限承載力和動力及偶然荷載作用下的抗震能力，且它們是確定橋梁結構靜力和地震安全性的基礎，所以對這兩方面的研究極為重要。由于該斜拉橋跨徑大，橋塔多，主梁采用較柔的結合梁，所以無論是極限承載力分析還是抗震能力分析，結構多重非線性突出，結構響應影響因素多，計算難度大。因此，為保證結構運營使用過程中的安全性和認識結構的靜、動力力學性能，對該新型斜拉橋進行極限承載力研究和抗震能力研究是非常必要的。
　　 本文以武漢二七長江大橋為工程背景，首

3、先研究了幾何、材料非線性和結合梁界面滑移效應的計算方法，形成了大跨徑結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構在地震作用下的混凝土開裂、鋼筋屈服等特點以及利用二分法計算程序使計算機自動分析和減少計算量，提出了基于塑性鉸模型的斜拉橋抗震能力時程分析法；最后，針對橋梁混凝土材料的疲勞損傷和地震作用下的應變率效應會影響結構的抗震能力，研究建立了基于疲勞損傷本構模型的地震中結構混凝土應變率效應分析方法。本文的研究可促進大跨

4、徑斜拉橋的極限承載力和抗震能力計算方法的進步和提高，進一步探明多塔結合梁斜拉橋的力學性能，為大型橋梁結構極限承載能力分析和安全性能評估提供理論基礎，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。主要內(nèi)容和研究成果如下：
　　 (1)系統(tǒng)研究了結構幾何、材料非線性和結合梁界面滑移效應的計算方法，形成了大跨徑結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合梁斜拉橋極限承載力特性和研究了重要非線性因素對承載能力極限狀態(tài)的結構響應的影響規(guī)律

5、。結果表明，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，結構具有較高的極限承載力和安全性；中塔抗彎能力對整體結構極限承載力的影響較大；材料非線性對結構承載能力極限狀態(tài)的響應影響相對較大，結合梁界面滑移效應和斜拉索垂度效應的影響較小。
　　 (2)根據(jù)斜拉橋地震作用特點，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的斜拉橋地震反應時程分析方法，在此基礎上研究了大跨徑三塔斜拉橋在三向地震作用下的結構響應及行

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

7、截面損傷特點，并利用二分法計算程序使計算機自動分析和減少計算量，因此分析斜拉橋的抗震能力較為簡便；采用該方法既可以獲得結構的抗震能力，還可以得到抗震能力狀態(tài)結構的地震反應特性和結構失效模式。通過該方法研究了大跨徑三塔斜拉橋的抗震能力，結果表明，基于塑性鉸模型的抗震能力時程分析法計算效果較好；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，結構具有較高的抗震能力；在抗震能力狀態(tài)，中塔地震反應最大，是控制整體橋梁抗震能力的關鍵結

8、構。
　　 (4)建立了基于疲勞損傷本構模型的地震中結構混凝土應變率效應分析方法。因為橋梁混凝土材料在運營使用過程中受到疲勞荷載作用而會出現(xiàn)損傷，而在地震作用下又具有應變率效應，兩者都會影響結構抗震能力，所以分析計算時應當予以考慮，以準確評價結構地震安全性。為此，基于邊界面理論和連續(xù)損傷力學理論，推導了應變控制的拉、壓混凝土疲勞損傷本構模型，并通過對應變能釋放率進行Perzyna粘性規(guī)則化，形成了包含靜力、應變率相關及無關的統(tǒng)一