多塔部分斜拉桥合理成桥状态优化研究

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作为一种介于连续梁桥和多塔斜拉桥的桥梁结构,多塔部分斜拉桥凭借着索塔矮、主梁刚度大等结构特点,在单跨跨径100m~300m的桥梁设计中具有独特的经济性和施工优势。目前对多塔部分斜拉桥成桥状态优化的研究较少,主要集中在对传统斜拉桥成桥状态的优化研究,因此有必要对多塔部分斜拉桥成桥状态进行优化研究。本文主要的研究内容及结论如下:
  在总结部分斜拉桥、多塔部分斜拉桥的发展和演变历史、研究现状、构造特点和力学特点的基础上,对不同结构体系多塔部分斜拉桥单独施加恒载、活载以及温度作用,研究多塔部分斜拉桥成桥状态不同构件受力特点。结果表明:整体刚度越大的多塔部分斜拉桥结构体系,荷载效应越小;对于主梁,受荷载作用影响明显,影响程度从高到低分别是恒载,活载以及温度作用;对于索塔,其受恒载作用会产生向岸侧的塔偏,受活载作用会使塔向背岸侧的弯曲程度比向岸侧大,同时,索塔受系统升温影响明显,三种作用均呈现出自边塔向中塔递减趋势。不同类型的荷载作用对多塔部分斜拉桥不同桥跨的主梁、索塔以及斜拉索产生的影响具有较大的差异性,在成桥状态优化过程中应当根据分析规律予以考虑。
  提出了多塔部分斜拉桥合理成桥状态应当满足的基本原则。对现有斜拉桥成桥状态理论进行对比分析,总结了不同优化方法的优缺点。本文采用综合最小弯曲能量、应力平衡法、影响矩阵法和最小二乘法的算法对多塔部分斜拉桥成桥状态进行优化。结果表明:在考虑恒载、活载以及温度作用的情况下,仅采用最小弯曲能量法计算所得成桥状态,部分截面不能满足规范要求;以最小弯曲能量法计算结果为初始状态,以应力平衡法确定的弯矩可行域中值为优化目标,利用最小二乘法和影响矩阵法实现了多塔部分斜拉桥合理成桥状态的优化,该方法综合考虑了恒载和可变作用对斜拉桥的影响,有效降低了主梁在塔根处的较大弯矩,优化后的斜拉桥主梁、索塔以及斜拉索各控制截面应力满足规范要求。
  通过对多塔部分斜拉桥成桥状态优化过程中有影响的参数进行敏感性分析,探究不同参数对主梁、索塔以及斜拉索的影响。结果表明:主梁线形受斜拉索索力影响最大,主梁整体自重、单一桥跨自重和系统升温是主要影响因素;主梁上下缘应力受系统升温影响最明显;索塔偏移受所在桥跨自重影响最大,主梁整体自重、系统升温、相邻桥跨自重以及斜拉索索力是主要影响因素;斜拉索索力受主梁自重影响最大,初始索力和系统升温是主要影响因素。不同因素对多塔部分斜拉桥的影响具有特殊性,应当在多塔部分斜拉桥合理成桥状态优化时予以考虑。
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