钢锚梁—钢牛腿组合索塔锚固结构受力性能与设计方法研究

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1、分类号:U44，U4510710-2010021052博士学位论文钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构受力性能与设计方法研究赵敏导师姓名职称周绪红教授狄谨教授申请学位类别博士学科专业名称桥梁与隧道工程论文提交日期2014年11月10日论文答辩日期2015年6月20日学位授予单位长安大学StudyontheDesignMethodandMechanicalBehaviorofCable-pylonCompositeAnchorStructurewithSteelAnchorBeamandSteelCorbelADiss

2、ertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：ZhaoMinSupervisor：Prof.ZhouXuhongProf.DiJinChang’anUniversity,Xi’an,China论文独创性声明本人声明.•本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中己经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人

3、承担。论文作者签名年6月％日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。(保密的论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名:年Z月％日导师签名：丨1]讀在年彳月V日摘要本文在总结分析钢锚梁式组合索塔锚固结构及剪力连接件相关研究成果的基础上，通过模型试验和理论分析，对钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构及其钢混连接处混合剪力连接件的

4、受力性能进行了深入研究，提出了该类索塔锚固结构的设计计算方法。本文主要完成以下几方面的工作：采用弹塑性有限元数值方法对钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构的传力机理进行了研究。有限元数值模型考虑了钢与混凝土间的非线性接触，并模拟了钢锚梁与钢牛腿螺栓连接和两者初始相对位置等构造细节。研究得到，在横桥向对称索力作用（后文简称双侧索力工况，其大小为成桥恒载状态索力）和单侧换索工况（为斜拉桥维护过程中更换单根斜拉索的特殊工况）下索力在钢锚梁和钢牛腿各板件间的传递规律、分配大小及比例，以及由焊钉和PBL剪力键两种型式连接件组成

5、的混合剪力连接件的受力状态。进行了钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构足尺节段模型试验研究。采用与实桥相同的材料、构造、施工工艺和加载方式，试验测试了锚固结构中钢锚梁、钢牛腿、混合剪力连接件和混凝土塔壁在成桥恒载索力、换索工况、运营最不利索力和1.2倍成桥恒载索力作用下的应力分布和变化规律，以及混凝土塔壁裂缝的分布情况。试验结果表明锚固结构安全可靠；将试验结果和有限元计算结果进行对比分析，验证了有限元数值模拟方法的精确性。采用弹塑性有限元数值模拟方法，对钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构的极限承载能力进行理论分析。研究得

6、到锚固结构的破坏形式；加载至结构破坏的过程中，各构件应力、变形的演变过程，混凝土塔壁裂缝的发展规律，以及索力在混合剪力连接件间分配的变化规律。采用精细化弹塑性有限元数值分析方法对钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构中焊钉连接件和PBL剪力键的受力性能进行了研究。有限元模型在计入材料非线性和接触问题的基础上，研究了索力在混合剪力连接件间的传递机理及其影响因素。模拟剪力连接件在索塔锚固结构中的边界条件，研究了外包混凝土竖向承压和水平力（拉拔力和压力）作用下，单钉连接件和单孔PBL剪力键抗剪承载力、剪切刚度以及构件变形和应

7、力分布的变化规律，并提出了适用于钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构的焊钉连接件和PBL剪力键承载力计算公式。明确了受力最合理的钢锚梁约束方式和节段间壁板拼接形式。依据空间力系平衡理论，得到钢锚梁不同约束方式下，施工过程中索力水平分力在钢锚梁与混凝土塔柱间的I分配关系随荷载的变化规律。在此基础上，采用有限元数值分析方法，建立索塔锚固区三维空间整体模型，对不同钢锚梁约束方式下成桥阶段混凝土塔柱应力、节段间壁板不同拼接形式下混凝土塔柱应力和剪力连接件竖向剪力分布进行对比分析。总结上述研究成果的基础上，确定了钢锚梁、钢牛腿

8、和混凝土塔壁的受力模型，并推导了关键截面内力计算公式；提出了钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构设计方法。关键词：钢锚梁-钢牛腿组合索塔锚固结构，混合剪力连接件，足尺节段模型试验，精细化弹塑性有限元数值方法，受力性能，设计方法IIAbstractOnthebasisofsummarizingandanalyzingachievementsofsteel-concretecompositean