高低塔铁路钢桁梁斜拉桥参数分析与优化研究

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高低塔斜拉桥适用于受地形、通航、景观及经济性能等限制导致结构两侧边跨跨径差距较大,从而必须选用不等高桥塔的情况。高低塔斜拉桥的高塔与低塔在荷载作用下变化规律无法保持一致,结构受力和变形具有不对称性,其力学行为分析要难于普通双塔斜拉桥。其次,与公路斜拉桥相比,铁路斜拉桥具有活载占比高、轴重重、动力响应大等特点。因此,本文以某在建高低塔铁路钢桁梁斜拉桥为依托工程,研究了部分关键设计参数对结构力学性能的影响规律,对设计参数的优化方法进行了探讨,为今后同类型桥梁的设计提供参考,主要研究内容如下:
  (1)以某在建高低塔铁路钢桁梁斜拉桥为依托工程,利用Midas/Civil软件建立全桥空间有限元模型,采用变参数分析法对部分关键设计参数进行研究。本文重点分析边主跨比、塔跨比、塔型三项参数,对比分析其对成桥阶段恒载、活载、温度荷载、不均匀沉降荷载作用下主梁内力及线形、主塔内力及位移、等效跨度、支反力等力学指标的影响规律。得到本桥矮塔侧边主跨比不宜小于0.25,高塔侧边主跨比不宜大于0.45;综合考虑经济性能及受力合理,矮塔塔跨比取0.30,高塔塔跨比取0.32是比较合适的;该类桥型建议采用花瓶型桥塔或钻石型桥塔。
  (2)采用数值分析的方法,研究了高低塔和等塔高结构主梁、主塔、斜拉索刚度改变以及主梁自重、活载、温度荷载改变对结构静力特性的影响规律。结果表明:两种结构均为斜拉索刚度对结构受力影响最大,主塔刚度影响次之,主梁刚度影响最小;两种结构列车活载对结构受力影响最大,主梁自重改变对结构变形影响较大,温度荷载效应对主塔弯曲效应影响较大。其次,对比了高低塔与等塔高两种结构的变形及内力对刚度参数和荷载参数敏感性的差异。
  (3)在参数分析的基础上,采用有限元与数理统计理论相结合的方法,通过正交试验设计进行参数优化。边跨与塔高匹配优化选择边主跨比、P2主塔塔跨比、P3主塔塔跨比3项参数,每个参数选取3个水平,采用L9(34)正交表进行9次试验;刚度匹配优化选择斜拉索刚度、主梁刚度、高塔刚度、矮塔刚度共4项参数,每个参数选取4个水平,采用L16(45)正交表进行16次试验。试验结果采用极差、方差两种分析方法相结合,对设计参数的显著性进行检验,找出7个结构响应指标的主要影响因素和次要影响因素,其次采用综合评分法确定试验范围内最优水平组合,最后绘制各因素指标趋势图,为进一步优化提供指导。
  (4)计算高低塔斜拉桥的主要组成构件主梁、主塔、斜拉索的材料用量和造价,得到边主跨比、塔跨比两项设计参数与结构经济特性之间的关系。
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