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极端气候条件下钢筋混凝土拱桥缆索吊装系统土木工程稳定性研究

论文编号:lw201802022052414020 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2018年02月07日 论文作者:www.51lunwen.com
第一章 绪论

1.1 研究背景
现今,得益于无支架施工技术的发展,大跨度桥梁中钢混拱桥的比重逐步增加,相同条件下,其抗风稳定性胜于斜拉桥,而钢拱桥则消耗了更多钢材量,后续还需花费更多的养护费用,所以,不管在跨越能力、承载能力还是运行时速等方面,大跨度钢筋混凝土拱桥因为更大的跨越能力,更强的承载能力,较大的竖横向刚度,更低的造价,后期养护维修工作量小等优点,现已成为许多桥梁建设的优先使用方案,尤其在地质优越的峡谷地区,大跨钢筋混凝土拱桥的优势则更加明显。由于水平垂直运输机动灵活且跨越能力强,所以缆索吊装系统具有较为广泛的适应性,于上世纪 70 年代被广泛应用于大跨度拱桥无支架施工中。目前存在较多典型的钢筋混凝土箱形拱桥以供参考。部分河流上需要满足船只的通行或者受到一些漂流物的影响,支架会受很大的限制,此时缆索吊装法更加经济适用[1]。随着时代的进步,拱桥的跨度也越来越大,施工要求也越来越高,这对吊装结构主、扣塔提出了更高的刚度、强度还有稳定性要求,因此,大型缆索吊装结构随之出现。极端环境的特殊性主要体现在地理位置、地质地貌情况、植被群落、由于地理环境造成的气候特征、政治或社会条件等,与正常状态会有很大差别,我们更需要去重视。所以说,在施工过程中由于各种原因出现的安全隐患无处不在。2008年,重庆市武隆县“10.28”芙蓉江跨江大桥吊篮钢丝绳断裂,如图 1-1 所示,共死亡 11 人,重伤 5 人,轻伤 7 人[2]; 2016 年,在多向风荷载作用下,某工地索塔倒塌,虽然没有人员伤亡,但是造成了很严重的经济损失,如图 1-2 所示。2017年,某桥址所在地附近甘孜州雅江县木绒乡亚多村境内发生了森林火灾,调查原因显示在大风情况下,输电线路与树梢接触放电,火花落地后引发火灾,严重影响了该地区附近桥梁的施工,如图 1-3 所示[3]。因此,我们需要吸取前人的教训,更加注重分析缆索吊装施工的稳定性,尤其是极端气候条件下的。另外,多节段吊装在大跨度钢筋混凝土箱形拱桥的建设中更具优势,其技术难点和解决方案都有待进一步地深入研究。
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1.2 钢筋混凝土拱桥的发展
1875 年,园艺家 Joseph Monier 建造了第一座人行钢筋混凝土拱桥,其跨径为 16m[5]。1890 年,跨径为 40m 的人行钢混拱桥在德国的不莱梅工业展览会上展出。1990 年 Hennebique 于法国的 Vienne 河上建成的 Camille de Hogues 桥[6],其中跨 50m,两个边跨各 40m。之后的时间段里,欧洲修建了大量的钢筋混凝土拱桥。钢筋混凝土拱桥在二十世纪初得到了很好的发展,在 1950 年左右,大跨度钢筋混凝土拱桥的发展达到了顶峰,在那期间诞生了许多经典人物和设计作品。Maillart(1872-1942)创造了三铰拱和刚性梁柔性拱(拱桥面加劲拱)。1930 年在法国工程师 Eugene Freyssinet(1879-1962)的主持下,修建了第一座三孔 180m 跨径的箱形变截面抛物线型 Plougastel 公铁两用桥,其中采用了一套系杆式木拱架先后浇筑形成三个拱圈,首次应用千斤顶在拱顶处调整拱圈应力[5]。瑞典于 1934 年建成了Traneberg 大桥,跨径达到的 178m 箱形拱桥,也可支持铁路通行。紧接着在 1942年,位于西班牙 Esla,建成的双线铁路钢筋混凝土拱桥,跨度再次突破,达到了210m。又过了一年,瑞典建成了一座 Sando 箱形截面拱肋公路桥,跨度增加了54m,达到了 264m[7]。之后的钢筋混凝土拱桥都基本满足公路铁路同时使用,前苏联在 1952 年修建了同样类型的拱桥,跨度为 228m。跨径为 270m 的 Arrabida混凝土拱桥于 1963 年在葡萄牙建成;1964 年澳大利亚修建了跨径 305m 的Gladesville 桥;1964 年在巴拉那河上修建了跨度 290m 的 Amizade 桥。1969 年左右,克罗地亚修建了跨度为 246m 和 193m 的 Sibenik 桥和 Pag 桥,都是采用的无支架悬臂浇筑施工法。1980 年代初,南非修建了跨度 272m 的 Bloukrans 拱桥,成为当时非洲最大跨径的此类拱桥。十年后,法国修建了跨径 261m 的Chateaubriand 桥。2000 年,日本建成跨度 260m 的高松大桥,2005 年,又建成同样类型的富士川桥,跨度为 265m。2010 年,美国建成第一座复合材料钢筋混凝土拱桥—胡佛大桥。法国米约高架桥是是截至 2013 年世界上第二高的桥梁,其在竞标方案中也提出了主跨 602m 的钢筋混凝土拱桥方案。
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第二章 缆索吊装施工过程中的计算理论

2.1 稳定性理论
平衡分岔失稳也称为分支点失稳和第一类失稳,整体性的结构在荷载达到临界值时,在结构原有的平衡状态之外,又出现了第二个不同的平衡状态,也就是说在同一个荷载点的地方出现了平衡分岔的现象[20]。对于第一类稳定,受力构件在失稳前后平衡状态是不一样的,临界点也同样发生了两种变形,分支点处的荷载被称为临界荷载。以轴心受压构件为例,如图 2-4(b)所示。构件顶部的荷载P 在没有增加到某一个临界值的时候,构件会一直维持在一个拉直的相对稳定状态,整个截面也只需要承受均匀压应力,这个时候沿着构件的轴线只会产生对应的压缩应变,而假如在横向施加一个很小的力,构件就会微微弯曲,但一旦这个力消除,构件又能变回之前的平衡状态。但是当荷载突然变得很大,达到限值crP ,构件就会很快弯曲,而此时就会转变到相邻的微弯平衡状态,见图 2-4(c)。荷载位于 A点,图 2-4(a)的荷载一挠度曲线会出现相应的两种可能的平衡路径,直线 AC 以及水平线 AB(或'AB )。构件的荷载限值crP 称作压溃荷载、屈曲荷载或者是临界荷载。因为在相同的一个荷载点上出现了平衡分岔的现象,所以这种失稳也被叫做平衡分岔失稳。此种失稳还可分为稳定分岔失稳以及不稳定分岔失稳。
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2.22 稳定性判断准则
判断结构的稳定状态一般有三种准则,即静力准则、能量准则和动力准则[21]。其中静力准则是指在某一个位置处结构处于平衡,若相邻位置也处于平衡状态,则该结构稳定,最后通过物理条件、平衡条件和几何条件去求解。能量准则是通过结构的势能增量去判断结构的平衡。若结构平衡时的总势能最小且势能增量小于零,则平衡不稳定;若势能增量大于零,则平衡温度;若势能增量等于零,结构处于临界状态。动力准则是给处于平衡状态的结构施加一个微小的扰动,如果结构在平衡位置处做有限的自由振动,那么这种平衡就是稳定的,反之不稳定。有限元分析结构的稳定性采用的是能量准则。下面简单介绍一下能量准则的基本原理。
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第三章 非极端气候条件下吊装过程中索塔的数值分析..............27
3.1 索塔概述 .......... 27
3.2 索塔稳定性影响因素 .............. 28
3.3 有限元模型的建立 ...... 29
3.4 不同类型塔架数值结果分析 .............. 35
3.5 本章小结 .......... 41
第四章 极端气候条件下缆索吊装施工数值分析....42
4.1 风雪荷载对索塔稳定性的影响 .......... 42
4.1.1 风荷载对索塔稳定性的影响 ..... 42
4.1.2 风雪荷载对索塔稳定性的影响 ............. 44
4.1.3 与非极端气候条件下索塔的稳定性对比 ......... 51
4.2 风荷载作用下索塔的动力响应 .......... 52
4.2.1 动力研究目的及方法 .... 52
4.2.2 模态分析理论 .... 53
4.2.3 模态阶数的提取 ............ 54
4.2.4 模态数值分析及结果 .... 54
4.3 雪荷载和温度荷载对拱肋吊装过程的影响 .............. 56
4.4 本章小结 .......... 65
第五章 考虑极端风荷载下不同扣索角度数值分析 ...........67
5.1 拱箱扣索 .......... 67
5.2 非极端风荷载下不同扣索倾角对拱肋内力的影响 .............. 67
5.3 极端风荷载下不同扣索倾角对拱肋内力的影响 ...... 74
5.4 不同风荷载下不同扣索倾角对扣索应力的影响 ....... 93
5.5 不同风荷载下不同扣索倾角对拱肋稳定性的影响 ............... 95

第五章 考虑极端风荷载下不同扣索角度数值分析

5.1 拱箱扣索

扣索采用 6×37+FC 的麻芯钢索,公称抗拉强度 1700MPa。拱脚段每道扣索采用 2φ36.5mm 的钢索,其破断拉力 1403.84kN;二段每道扣索采用 2φ52mm 的钢索,其破断拉力 2796.2kN。两岸拱脚段扣索在墩柱后缘距离根部 0.4m 位置设置 I20B 小工字钢防止扣索上滑;为防止扣索捆绑对墩柱的损伤,在扣索捆绑位置的墩柱四角加垫橡胶垫块或木条[48]。两岸二段扣索都是锚固在主锚梁的固定滑轮上,每道 2 扣扣索通过两个锚固滑轮实现锚固,每个扣索相应的滑轮座分别对称布置在主索的两边。扣点与拱箱进行捆绑连接。单肋有 4 道扣索,每道 2 根,扣索的长短用滑车组卷扬机进行调整。两岸 1扣扣索长度约50m,二扣则为135m(每根都加入了15m的回头卡锚固长度)。全桥扣索用量(单肋):φ36.5mm(6×37+FC)钢索 200m,φ52mm(6×37+FC)钢索 540m。在拱肋进行合拢、调整完拱轴线标高之前