塔底万向铰支座独斜塔斜拉桥力学特性研究

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独斜塔斜拉桥因结构新颖,造型优美,在近几十年大量被建造。但塔底铰接型独斜塔斜拉桥的案例较少,万向铰支座更是首次应用于桥塔支承中,该新型结构体系受力复杂,存在许多区别于常规体系桥梁的技术难点,现阶段对于此类桥型的研究屈指可数。因此,开展这类新型结构体系的研究对于丰富桥梁结构形式,促进此类新型桥梁结构体系的推广应用具有重要的工程应用价值。本文以某塔底万向铰支座独斜塔斜拉桥为背景,开展了结构力学特性分析以及结构参数影响研究。首先,基于Midas/Civil有限元模型,采用分步、多约束目标方法确定了合理成桥索力及合理成桥状态。通过确定的合理成桥索力,计算了无应力索长,采用无应力长度正装分析,得到斜拉索各施工阶段的合理施工索力。其次,通过ABAQUS软件建立了万向铰支座实体有限元模型,以及推导弧形接/触面转动力矩的理论公式验证了该有限元模型。根据有限元仿真计算万向铰支座扭转刚度,进而对比分析是否考虑万向铰支座扭转刚度对结构受力的影响。最后,在考虑万向铰支座扭转刚度的基础上,采用有限元方法研究塔底边界约束条件、辅助墩、桥塔刚度和主梁刚度对结构的静、动力学特性的影响。研究结果表明:分步、多约束目标方法可以较好地计算合理成桥索力,无应力状态法可以快速计算出合理的施工索力,这两种方法在塔底万向铰支座独斜塔斜拉桥上适用性较好。是否考虑万向铰支座扭转刚度对成桥状态和施工状态的斜拉索索力、桥塔内力以及桥塔扭转变形影响较大,对施工状态主梁线形影响也较大,但对成桥状态主梁线形影响较小,在设计、施工中应考虑万向铰支座扭转刚度。此类异形桥梁塔底采用万向铰约束对结构整体受力更加有利。桥梁结构力学特性对主跨是否设置辅助墩十分敏感,设置辅助墩后使得结构内力和位移减小60%-70%。桥塔刚度对结构静力特性影响较小,对结构的扭转效应影响较为显著。主梁刚度对结构静力特性影响较大,主梁刚度对结构动力特性影响较小,桥梁竖向振动频率主要取决于桥梁结构的整体刚度。本文结论为实际工程的设计及施工提供了理论支撑,对未来万向铰支座在异形桥梁中的应用发展具有一定的参考意义。
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