飞燕式钢管混凝土拱桥系杆预应力沿程损失及影响效应研究

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飞燕式钢管混凝土拱桥造型优美、结构轻巧、跨越能力大,其系杆预应力的存在降低了主跨钢管混凝土拱桥对基础抗推能力要求,使其在桥梁方案比选中更具竞争力。系杆预应力作为改善基础受力的重要构件,其预应力损失是重点关注的问题;但目前工程上系杆预应力损失的计算方法参照预应力钢筋混凝土结构预应力损失计算方法,其适用性有待商榷。为此本文采用有限元分析方法,以主跨507m的飞燕式钢管混凝土拱桥为工程背景,研究系杆预应力沿程损失及系杆预应力损失对结构影响效应,探索计算系杆预应力损失的方法,主要研究如下:
  (1)对飞燕式钢管混凝土拱桥主跨、边跨、主墩及系杆受力进行详细分析,指出系杆可视为改善主墩及边跨受力的体外预应力束;并根据受力特点提出绘制施工阶段系杆张拉力合理取值范围图来确定施工过程系杆张拉时机及张拉力。
  (2)根据预应力分项计算方法,指出8种可能引起系杆预应力损失的因素,分项分析其与预应力钢筋混凝土结构预应力损失异同并推导其计算方法;将此计算方法用于依托工程系杆预应力损失计算,计算结果表明:依托工程系杆预应力损失占控制张拉力约12%,系杆由管道摩阻引起的预应力损失占总损失比例约80%。
  (3)分析依托工程系杆预应力在损失-5%(超张拉)、0%、10%、20%时结构力学行为变化,结果表明:系杆预应力损失对主跨影响很小,对主墩影响较大,会降低甚至消除主墩用以平衡活载推力的推力储备;边跨对系杆预应力损失最敏感,在系杆预应力损失接近20%时,边跨混凝土仅在恒载作用下出现拉应力。
  (4)使用有限元分析方法对常用的系杆预埋钢管转向装置和成排滚轮转向装置进行受力分析;预埋钢管转向装置与系杆索体接触面积较大,各构件受力明显占优势;成排滚轮转向装置对系杆预应力损失影响较小,但其滚轮暴露空气中易失效,使其摩阻力成倍增加,对于后期更换的系杆优点不明显。
  (5)针对使用较多、对系杆预应力损失影响较大的预埋钢管转向装置,通过有限元分析方法验证预应力钢筋混凝土结构管道摩阻引起的预应力损失规范计算公式用于其摩阻引起的系杆预应力损失计算的适用性,分析结果表明规范计算公式与有限元分析结果存在较大偏差;因此将有限元分析结果作为样本,采用基于信赖域的非线性最小二乘法对系杆由管道摩阻引起的预应力损失计算公式进行拟合,得出能更好反应系杆由管道摩阻引起的预应力损失规律的计算公式。
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