多塔斜拉—自锚式悬索组合体系桥梁结构理论分析与模型试验研究
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摘要
随着交通事业的蓬勃发展，大跨径桥梁工程备受关注，加之人们对桥梁景观要求的不断提高，多塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁应运而生。目前，国内外关于多塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥的研究成果较少，有必要对该桥型展开系统研究。
以某在建三塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥为工程背景，采用理论分析、数值模拟及模型试验相结合的方法，对该桥型的理论分析方法、静力性能、极限承载力、锚固区非线性及全桥缩尺模型试验展开研究，主要研究成果如下：
（1）采用最小弯曲能量原理推导了斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁恒载作用下的内力计算公式，利用变形协调法导出斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁活载作用下的结构分析方法。以一座简化的三塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁为例，求出其解析解，并与有限元法计算的数值解比较，二者结果较接近。
（2）将分步算法引入多塔斜拉-自锚式组合体系桥梁合理成桥状态的分析中，并确定了斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁及斜拉-地锚式悬索组合体系桥梁的成桥状态。采用对比分析方法得到两种体系在恒载、温度效应及活载作用下主梁轴力和主缆力差异较大。对于跨径160m的斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁采用线性二阶理论计算活载效应完全可以满足工程要求。采用线性二阶理论对结构进行了参数敏感性分析，结果表明，主梁抗弯刚度、主缆刚度的变化对结构受力性能影响较大，主梁轴向刚度、副塔轴向刚度及主塔轴向刚度的变化对结构的受力性能影响较小。
（3）利用线弹性和弹塑性两种分析理论，对三塔斜拉-自锚式组合体系桥梁在不同加载工况下的极限承载力进行了对比分析，结果表明，荷载分布于副塔与主塔之间结构的安全系数最低；仅考虑弹性理论分析结构极限承载力不能反映结构的实际工作状况。采用对比分析方法，探究了副塔与主梁固结及副塔、主塔和主梁材料特性变化对结构极限承载力的影响程度，分析结果表明，墩梁固结与墩梁分离结构的安全系数差别很小，主塔材料特性变化对结构极限承载力的影响显著，副塔材料特性变化对结构极限承载力有较大影响，主梁材料特性变化对结构极限承载力的影响较小。
（4）对四种不同节段长度的两种倾斜吊杆锚固区的设置方式进行了对比分析，确定了在较宽的单箱钢箱梁中设置吊杆锚固构造时，可采用顺桥向方式设置；在对吊杆锚固区进行局部分析时，应选取远离锚固区2倍梁高的节段，可较准确反应结构的受力情况。采用线弹性、材料非线性、几何非线性及双重非线性对已确定的锚固区极限承载力进行了对比研究，对比结果表明，对于利用板壳单元建模的钢锚固区，应以仅考虑材料非线性的分析理论进行极限承载力分析。
（5）通过三塔斜拉-自锚式组合体系桥梁全桥模型试验，模拟施工阶段各构件的受力状况，并对成桥后活载作用下组合体系结构的受力性能进行测试，实测结果与理论计算结果较吻合，验证了计算理论的可靠性，为今后该类桥梁的施工监控及设计提供参考。
With the flourishing development of traffic cause, the long-span bridge receives muchconcern, together with improvement requirements of bridge landscape, cable-stayed andself-anchored suspension combination bridge with multi-tower emerges as the times require.Recently, the lack of research results in the cable-stayed and self-anchored suspensioncombination bridge with multi-tower at home and abroad, it is necessary to systematicresearch on this type bridge.
In the engineering background of the building cable-stayed and self-anchored suspensioncombination bridge with three towers, theoretical analysis method, static behavior, ultimatecarrying capacity, nonlinear of suspender anchorage zone of the bridge and the whole bridgemodel test were researched by a method combining theoretical analysis, numerical simulationand model test. The principal results are as follows:
（1） Stress calculation formulas of cable-stayed and self-anchored suspensioncombination bridge under dead load were derived by minimum bending energy principle，andmethod of calculating the cable-stayed and self-anchored suspension combination bridge wasgiven by the method of deformation compatibility. The results of analytic solution agreedwith numerical solution of finite element method by taking a simplified cable-stayed andself-anchored suspension combination bridge with three towers as an example.
（2）Step-by-step arithmetic for the reasonable finished dead state of the bridge wasintroduced in cable-stayed and self-anchored suspension combination bridge withmulti-tower，and finished dead of cable-stayed and self-anchored suspension combinationbridge and cable-stayed and earth anchored suspension combination bridge were determinedby step-by-step arithmetic. The girder axial force and the main cable tension of the two kindssystems had great difference by comparing analyzed under dead loads, temperature effectsand living loads. The cable-stayed and self-anchored suspension combination bridge under thelive loads whose span is160m can meet the project requirements by deflection theory. Theparameter sensitivity of the structure was analyzed by deflection theory, the results shows thatthe main girder stiffness and the cable stiffness are larger impact on the mechanical behaviorof the structure, and the variation of the main beam axial stiffness the stiffness of the vicetower and main tower are smaller impact on the mechanical behavior of the structure.
（3）The ultimate carrying capacity of the bridge was calculated under different loadcases by the methods of linear elastic and elastic-plastic. And the results showed that safetyfactor of the structure under the load from vice tower to main tower was smallest, and thestructure of the actual working conditions can not be reflected by using elastic theory whenthe ultimate carrying capacity of the bridge are analyzed. Meanwhile, the impact ofconsolidation with vice tower and main beam and the material properties variation of mainbeam, vice tower and main beam on the ultimate carrying capacity of the bridge wereresearched by comparison analysis method. And the results showed that safety factor has littledifferences among pier-beams consolidation structure and pier-beam separation structure, theimpact of material properties variation of main beam was significant and the vice tower has agreater impact, but there was less impact of the girder.
（4）According to comparative analysis of two anchorages zone structures about fourdiffident anchor segment lengths, the anchor structure along the bridge can be used in a widesingle-box steel girder, and the selection length of anchor segment is at least2times height ofgirder away from anchorage zone in order to response mechanical characteristics of anchorstructure. Ultimate carrying capacity of suspender anchorage zone was analyzed by means oflinear, geometric nonlinear, material nonlinear and dual nonlinear, and the results show thatthe analysis theory of material nonlinearity must be only considered when studying theultimate bearing capacity of such structural modeling using shell elements.
（5）The whole bridge model test of cable-stayed and self-anchored suspensioncombination bridge was conducted to simulation force status of each component inconstruction phase. And mechanical behavior of the bridge under live loading in finishedstage was researched. The test results are agreed with the theoretical calculations results,verifying the reliability of calculation theory, and providing reference for constructionmonitoring and design of the cable-stayed and self-anchored suspension combination bridge.
以某在建三塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥为工程背景，采用理论分析、数值模拟及模型试验相结合的方法，对该桥型的理论分析方法、静力性能、极限承载力、锚固区非线性及全桥缩尺模型试验展开研究，主要研究成果如下：
（1）采用最小弯曲能量原理推导了斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁恒载作用下的内力计算公式，利用变形协调法导出斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁活载作用下的结构分析方法。以一座简化的三塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁为例，求出其解析解，并与有限元法计算的数值解比较，二者结果较接近。
（2）将分步算法引入多塔斜拉-自锚式组合体系桥梁合理成桥状态的分析中，并确定了斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁及斜拉-地锚式悬索组合体系桥梁的成桥状态。采用对比分析方法得到两种体系在恒载、温度效应及活载作用下主梁轴力和主缆力差异较大。对于跨径160m的斜拉-自锚式悬索组合体系桥梁采用线性二阶理论计算活载效应完全可以满足工程要求。采用线性二阶理论对结构进行了参数敏感性分析，结果表明，主梁抗弯刚度、主缆刚度的变化对结构受力性能影响较大，主梁轴向刚度、副塔轴向刚度及主塔轴向刚度的变化对结构的受力性能影响较小。
（3）利用线弹性和弹塑性两种分析理论，对三塔斜拉-自锚式组合体系桥梁在不同加载工况下的极限承载力进行了对比分析，结果表明，荷载分布于副塔与主塔之间结构的安全系数最低；仅考虑弹性理论分析结构极限承载力不能反映结构的实际工作状况。采用对比分析方法，探究了副塔与主梁固结及副塔、主塔和主梁材料特性变化对结构极限承载力的影响程度，分析结果表明，墩梁固结与墩梁分离结构的安全系数差别很小，主塔材料特性变化对结构极限承载力的影响显著，副塔材料特性变化对结构极限承载力有较大影响，主梁材料特性变化对结构极限承载力的影响较小。
（4）对四种不同节段长度的两种倾斜吊杆锚固区的设置方式进行了对比分析，确定了在较宽的单箱钢箱梁中设置吊杆锚固构造时，可采用顺桥向方式设置；在对吊杆锚固区进行局部分析时，应选取远离锚固区2倍梁高的节段，可较准确反应结构的受力情况。采用线弹性、材料非线性、几何非线性及双重非线性对已确定的锚固区极限承载力进行了对比研究，对比结果表明，对于利用板壳单元建模的钢锚固区，应以仅考虑材料非线性的分析理论进行极限承载力分析。
（5）通过三塔斜拉-自锚式组合体系桥梁全桥模型试验，模拟施工阶段各构件的受力状况，并对成桥后活载作用下组合体系结构的受力性能进行测试，实测结果与理论计算结果较吻合，验证了计算理论的可靠性，为今后该类桥梁的施工监控及设计提供参考。
With the flourishing development of traffic cause, the long-span bridge receives muchconcern, together with improvement requirements of bridge landscape, cable-stayed andself-anchored suspension combination bridge with multi-tower emerges as the times require.Recently, the lack of research results in the cable-stayed and self-anchored suspensioncombination bridge with multi-tower at home and abroad, it is necessary to systematicresearch on this type bridge.
In the engineering background of the building cable-stayed and self-anchored suspensioncombination bridge with three towers, theoretical analysis method, static behavior, ultimatecarrying capacity, nonlinear of suspender anchorage zone of the bridge and the whole bridgemodel test were researched by a method combining theoretical analysis, numerical simulationand model test. The principal results are as follows:
（1） Stress calculation formulas of cable-stayed and self-anchored suspensioncombination bridge under dead load were derived by minimum bending energy principle，andmethod of calculating the cable-stayed and self-anchored suspension combination bridge wasgiven by the method of deformation compatibility. The results of analytic solution agreedwith numerical solution of finite element method by taking a simplified cable-stayed andself-anchored suspension combination bridge with three towers as an example.
（2）Step-by-step arithmetic for the reasonable finished dead state of the bridge wasintroduced in cable-stayed and self-anchored suspension combination bridge withmulti-tower，and finished dead of cable-stayed and self-anchored suspension combinationbridge and cable-stayed and earth anchored suspension combination bridge were determinedby step-by-step arithmetic. The girder axial force and the main cable tension of the two kindssystems had great difference by comparing analyzed under dead loads, temperature effectsand living loads. The cable-stayed and self-anchored suspension combination bridge under thelive loads whose span is160m can meet the project requirements by deflection theory. Theparameter sensitivity of the structure was analyzed by deflection theory, the results shows thatthe main girder stiffness and the cable stiffness are larger impact on the mechanical behaviorof the structure, and the variation of the main beam axial stiffness the stiffness of the vicetower and main tower are smaller impact on the mechanical behavior of the structure.
（3）The ultimate carrying capacity of the bridge was calculated under different loadcases by the methods of linear elastic and elastic-plastic. And the results showed that safetyfactor of the structure under the load from vice tower to main tower was smallest, and thestructure of the actual working conditions can not be reflected by using elastic theory whenthe ultimate carrying capacity of the bridge are analyzed. Meanwhile, the impact ofconsolidation with vice tower and main beam and the material properties variation of mainbeam, vice tower and main beam on the ultimate carrying capacity of the bridge wereresearched by comparison analysis method. And the results showed that safety factor has littledifferences among pier-beams consolidation structure and pier-beam separation structure, theimpact of material properties variation of main beam was significant and the vice tower has agreater impact, but there was less impact of the girder.
（4）According to comparative analysis of two anchorages zone structures about fourdiffident anchor segment lengths, the anchor structure along the bridge can be used in a widesingle-box steel girder, and the selection length of anchor segment is at least2times height ofgirder away from anchorage zone in order to response mechanical characteristics of anchorstructure. Ultimate carrying capacity of suspender anchorage zone was analyzed by means oflinear, geometric nonlinear, material nonlinear and dual nonlinear, and the results show thatthe analysis theory of material nonlinearity must be only considered when studying theultimate bearing capacity of such structural modeling using shell elements.
（5）The whole bridge model test of cable-stayed and self-anchored suspensioncombination bridge was conducted to simulation force status of each component inconstruction phase. And mechanical behavior of the bridge under live loading in finishedstage was researched. The test results are agreed with the theoretical calculations results,verifying the reliability of calculation theory, and providing reference for constructionmonitoring and design of the cable-stayed and self-anchored suspension combination bridge.
引文
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