大跨度多塔悬索桥主缆与鞍座抗滑移安全性及其关键影响因素研究

作     者：康纪平 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张清华

授予年度：2019年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：多塔悬索桥 鞍座 摩擦抗力 抗滑移安全系数 竖向摩擦板 有限元方法 

摘      要：多塔悬索桥具有跨越能力强、经济效益高、施工方便等优点,是跨越宽广水域的理想桥型,具有广阔的发展前景。其结构体系刚度较弱,是制约多塔悬索桥应用和发展的关键技术难题,采用刚性中塔是提高结构刚度的有效途径,但中塔刚度提高将导致中塔两侧主缆不平衡力增加,抗滑移安全系数显著降低,“中塔效应即为中塔刚度为同时满足结构刚度和抗滑移安全性这一对矛盾体要求而取值困难的困境。而《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05-2015)中抗滑移安全系数计算方法物理意义不明确、计算结果保守、无法量化主缆与鞍座间摩擦抗力是中塔刚度取值区间狭小的重要原因之一。因此,有必要对主缆与鞍座间摩擦抗力和抗滑移安全性进行分析和研究。(1)通过分析主缆与鞍座滑移临界状态下应力状态,将主缆与鞍座接触面间摩擦抗力问题简化为求解鞍座任意截面处平面应变问题。利用ABAQUS建立鞍座截面简化二维有限元模型得出滑移临界状态下鞍座任意截面处主缆与鞍座各接触面间正压力分布,采用将正压力乘以摩擦系数并分段求和的方式求出主缆与鞍座间摩擦抗力,并通过试验模型验证该有限元方法的准确性。研究表明:考虑鞍座内设置和不设置竖向摩擦板两种情况,该方法可准确计算主缆与鞍座间摩擦抗力,并能得到任意截面处应力分布情况;设置竖向摩擦板可有效提高鞍座摩擦抗力,可通过增设竖向摩擦板提高抗滑移安全性;(2)针对规范中抗滑移安全系数计算方法存在问题,利用主缆与鞍座间摩擦抗力实际值与结构摩擦抗力需求值之比作为抗滑移安全性新评估方法,通过所提出有限元方法量化主缆与鞍座间摩擦抗力实际值,能将侧壁和竖向摩擦板对摩擦抗力的贡献纳入考虑。以此确定抗滑移安全系数,具有形式简单、物理意义明确、便于工程应用等优点,可作为抗滑移安全性评价依据;(3)考虑临界滑移状态下主缆紧边拉力为单主跨满布汽车荷载、相邻跨空载情况下紧边拉力的1.1倍,引入欧拉公式,参考国内四座多塔悬索桥设计参数,名义摩擦系数偏安全地取0.26,根据规范矢跨比建议取值范围,鞍座包角取值为0.644rad,综合得出新评估方法抗滑移安全系数限值为2.5。该限值综合考虑名义摩擦系数取值和矢跨比对鞍座包角的影响,具有通用性,便于工程应用,可作为新评估下抗滑移安全系数限值的确定依据;(4)以国内四座多塔悬索桥为研究对象,对中塔刚度、中边塔高度差、中塔处塔梁约束方式分别进行参数分析,利用规范方法得出符合抗滑移安全系数限值要求的设计参数取值范围,再利用抗滑移安全系数新评估方法,结合所提出主缆与鞍座摩擦抗力有限元计算方法,考虑实桥鞍座和鞍座内最大程度设置竖向摩擦板两种情况,得出设计参数在新的抗滑移安全系数计算方法限值条件下可取值范围。由分析可知,利用新评估方法可有效放宽抗滑移安全系数对设计条件的限制,扩大设计参数取值范围,若考虑鞍座内最大程度设置竖向摩擦板,设计参数在参数分析范围内均满足抗滑移安全系数限值要求,抗滑移安全系数已不再是设计参数取值的控制条件。