部分预应力混凝土斜拉桥极限状态的基本理论与设计方法研究

预应力混凝土斜拉桥由于强调主梁的全预应力要求，往往导致预应力用量过多和混凝土压应力过大等不经济和不安全等问题，影响了混凝土斜拉桥的发展。本项目旨在研究部分预应力混凝土在斜拉桥中应用的可行性和其设计的基本理论与方法。具体研究内容为：(1)基于几何和材料非线性研究部分预应力混凝土斜拉桥的正常使用极限状态性能，特别是裂纹的稳定性；（2）研究混凝土斜拉桥极限承载力的一般规律，探讨主梁预应力大小与整体承载能力的关系；（3）探讨大比例斜拉桥模型的设计方法，通过部分预应力混凝土斜拉桥的模型试验，验证前述研究成果的正确性；（4）通过部分预应力混凝土斜拉桥设计方法的研究，提出部分预应力混凝土主梁的合理施工状态和合理成桥状态、截面应力合理范围和配筋计算的设计准则。项目成果可证明部分预应力的混凝土斜拉桥比全预应力的情况更安全、耐久和经济，并为该类桥的设计计算提供理论基础及技术支撑。

本报告从斜拉桥体系的受力特点出发，研究如何将部分预应力设计应用于混凝土斜拉桥上，使其在保证安全的前提下结构受力更为合理。主要工作有：.（1）提出了混凝土斜拉桥主梁采用部分预应力混凝土（PPC）的设计理念。按部分预应力设计的桥梁可以克服全预应力设计的不足，尤其适合于自重效应比重较小、活载效应比重较大、大部分区间压应力足够的斜拉桥；两者相结合，能有效减小斜拉桥主梁压应力和节约成本又不影响其正常使用要求和结构安全。.（2）提出基于带刚臂的分层梁单元法，进行混凝土截面开裂和裂缝宏观发展过程的模拟，编写了相关计算程序。进一步通过对比不同轴压力作用下的钢筋混凝土梁和室内静载试验的预应力混凝土T梁数据，验证了程序的可靠性，克服了常规数值分析法在临近破坏时可能出现迭代不收敛的问题。.（3）提出了混凝土斜拉桥两阶段设计的局部节段模型试验方法。以实桥塑性最明显的区间作为试验区间，在模型两端设置无索区以消除边界条件的影响，加以弹性支撑以体现整体结构对局部节段模型的影响，进行节段模型设计，实现了在保证试验精度的前提下，用有限数量的索、梁组合模型来反映斜拉桥整体性能的试验目标。.（4）开展了PPC斜拉桥室内节段模型试验。完成了试验梁设计和加工，在弹性范围内和不同裂缝宽度工况下进行重复控制加载以及结构破坏试验。试验发现裂纹在加载过程中有良好的平稳性和重复性且卸载后裂纹能完全闭合，主梁开裂后结构仍有较大承载空间，开裂后恢复的结构整体刚度有所下降但并不明显。完成了实测数据和理论计算结果对比，验证了理论计算的正确性。.（5）进行了PPC斜拉桥内力重分布与参数分析。分析了混凝土斜拉桥开裂后跨中截面弯矩增量和挠度的非线性性能；分析了裂缝宽度和分布范围随荷载的增长趋势。计算表明主梁开裂后斜拉桥发生了明显的内力重分布，减小后期预应力能有效减小混凝土最大压应力，同时对加载后期的裂缝宽度影响较小，也不会降低全桥的承载能力。.（6）提出了PPC斜拉桥主梁按裂缝宽度控制设计和简化的设计方法。根据主梁截面上、下缘的应力控制条件，提出用“应力平衡法”确定部分预应力混凝土斜拉桥主梁合理状态。提出了根据0.1mm裂缝宽度确定主梁允许拉应力的大小，从而进行部分预应力混凝土斜拉桥主梁设计。研究了部分预应力估算和布束方法，提出了PPC斜拉桥主梁设计步骤。进一步结合典型算例提出了按部分预应力进行PPC斜拉桥主梁简化设计和验算的方法