钢锚板式钢混组合索塔锚固体系受力性能理论与试验研究

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1、分类号:U44，U4510710-B2007052博士学位论文钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系受力性能理论与试验研究张茜导师姓名职称周绪红教授申请学位级别工学博士学科专业名称桥梁与隧道工程论文提交日期2013年4月16日论文答辩日期2013年6月10日学位授予单位长安大学TheoryAnalysisandModelTestResearchontheMechanicalBehaviorofSteel-concreteCompositeCable-pylonAnchorageSystemwithSteelAnchorSlabAD

2、issertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：ZhangQianSupervisor：Prof.ZhouXuhongChang’anUniversity,Xi’an,China摘要本文以青岛胶州湾大桥红岛航道桥为背景，结合山东省交通科技项目《斜拉桥索塔新型锚固体系研究》（2009Y24-2），在国、内外创新性地提出了钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系。在收集各种钢-混组合索塔锚固体系构造形式及研究资料的基础上，采用理论分析、足尺节段模型试验的方法对钢锚板式钢-混组合索塔锚固

3、体系的传力机理、承载能力及设计方法进行了研究。采用弹塑性有限元数值方法对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系在对称及单侧索力作用下的传力机理进行了研究。数值模拟采用精细化有限元模型，特别考虑了钢与混凝土间的接触非线性和摩擦力以及普通钢筋的作用。研究得到了对称及单侧索力加载全过程中斜拉索索力传递路径和钢锚板、横隔板、竖隔板、底座、侧板、混凝土、PBL剪力键分别承担的水平力和竖向力的大小与比例；同时还得到了不同位置PBL剪力键所承担的水平力和竖向力分布规律及其穿孔钢筋的有效工作长度。进行了钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系足尺节段模型试

4、验研究，采用与实桥相同的斜向加载方式。试验加载工况包括成桥索力工况、运营索力工况、超载工况和偏载工况，其中超载（对称加载）和偏载工况（单侧加载）均加载至2.2倍成桥恒载索力，加载至最大索力时，结构未达到其极限承载能力，表明钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系具有较高的安全储备；对各工况加载过程中钢锚板应力和位移、混凝土应力、PBL剪力键穿孔钢筋应力进行了测试，将测试结果与有限元数值分析结果进行了对比，结果表明采用本文有限元数值方法可以较好的模拟结构的实际受力状态。对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系的极限承载能力进行了弹塑性有限元数

5、值分析。得到了对称及单侧索力作用下锚固体系的极限荷载及破坏形态，同时得到了锚固体系在加载全过程中的变形、应力以及混凝土裂缝发展规律。进行了对称及单侧索力加载时锚板厚度、横隔板厚度及位置、侧板厚度、竖隔板厚度、PBL剪力键列数及其穿孔钢筋直径等参数变化对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系受力性能的影响分析。结果表明，锚固体系内各构件承担的水平力和竖向力以及其应力大小对锚板厚度、PBL剪力键列数的变化最为敏感；锚固体系对钢锚板厚度变化较为敏感。在上述研究成果的基础上，对钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系构造进行了设计优化，对优化后锚固

6、体系的受力情况及传力机理进行了数值分析。结果表明，优化后锚固I体系受力安全可靠、传力更为明确，PBL建立键传递的荷载较优化前显著增大。提出了优化后钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系的设计方法。通过分析影响PBL剪力键承载力的主要因素，提出了适用于钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系中PBL剪力键的承载力计算公式；采用弹性理论推导了耳板销铰接触面应力的简化计算方法，可用于钢锚板厚度的设计。关键词：钢锚板式钢-混组合索塔锚固体系；PBL剪力键；足尺节段模型试验；弹塑性有限元方法；传力机理；极限承载力；参数分析；设计方法IIAbstrac

7、tBasedontheHongdaoChannelBridgeofQingdaoJiaozhouwanBridgeandsupportedbyShandongprovincialtransportationscience-technologyprojectofResearchontheNewTypeofCable-pylonAnchorageSystemofCable-stayedBridge(2009Y24-2),steel-concretecompositeanchoragesystemwithsteelanchors

8、labwasintroduceddomesticallyandoverseasinthispapercreatively.Onthebasisofcollectingstructuralformandresearchdataofdifferenttypesofsteel-concretecomposit