组合桥面系多塔悬索桥刚度体系研究

The composite structures and multi-span suspension bridges are developing rapidly during recent years. This dissitation mainly focuses on the stiffness system and composite girder behavior of multi-span suspension bridges, which are investigated from the overall behavior to the key local speciality. The theoretical models for longitudinal stiffness and vertical stiffness of multi-span suspension bridges would be derived. Based on the derived theory for the stiffness system, an accurate and efficient program for the nonlinear analysis of multi-span suspension bridges would be developed. A new-kind of uplift-restricted and slip-permitted T-shape (URSP-T) shear connector would be proposed to decrease the tensile stress of the concrete slab in composite girders when subjected to hogging moment. Based on the test results, the theorical model for composite girderd subjected to hogging moment would be derived. The design suggestions for suspension bridges which use composite girders would be proposed based on the bridge program and the test results of composite girders

在组合结构研究逐步深入和多塔悬索桥发展应用快速增长的大背景下，本项目以悬索桥体系和组合桥面系作为突破口，聚焦多塔悬索桥静力刚度体系和组合桥面系负弯矩开裂两个关键问题，从整体到部分辨证地研究该关键问题的内在机理，建立多塔悬索桥纵向刚度体系模型和竖向刚度体系理论模型，开发高效精确的多塔悬索桥变形计算程序，开展多塔悬索桥刚度体系试验研究，对比不同桥面系作用下悬索桥整体性能；开展组合桥面系负弯矩的计算理论和分析模型，开展理论模型的有限元模型验证，提出组合桥面系多塔悬索桥的设计方法与建议，研究成果将更好地服务国家大跨桥梁建设。

多塔悬索桥可以跨越更大跨度空间，但由于比传统的两塔悬索桥增多了中塔数量和主跨数量，总体结构性能发生较大变化。本研究针对多塔悬索桥刚度体系，充分考虑桥梁跨度和垂跨比对主缆几何刚度的影响，建立了考虑主缆弹性刚度、塔纵向刚度、各跨相互影响等因素的刚度模型，模型中桥塔和主缆组合成为一系列串并联弹簧系统，形成易于理解并具有明确物理意义的计算模型系统。基于该系统和竖向变形特征，推导得竖向刚度公式。经有限元模型验证，该计算模型准确度高、计算效率高。本研究基于实际工程设计的需要，将悬索桥刚度体系简化计算模型扩展到任意跨度任意跨数的多塔悬索桥计算公式，保留了该模型计算速度快、计算精度高的优势，形成了多塔悬索桥刚度体系计算的工程设计简化模型。对该模型进行了程序开发，形成了计算初步可视化程序。本研究采用悬吊装置对连续组合桥面系构件进行静力加载，在构件中对称位置分别设置新型抗拔不抗剪连接件和栓钉连接件，对比不同连接件作用下桥面系性能。试验研究表明新型T型连接件可以有效改善组合桥面系负弯矩性能，对组合桥面系发展具有较好的借鉴意义。基于前文建立的多塔悬索桥计算模型和对于组合桥面系的试验研究，对采用组合桥面系与采用非组合桥面系的悬索桥静力结构性能进行深入分析，对影响桥梁设计的核心参数，包括桥塔塔数、主跨跨径、边跨与主跨跨径比、垂跨比、主缆自重与截面积、边塔纵向刚度和中塔纵向刚度等参数进行了系统的参数分析，对不同参数引起的桥梁最大竖向变形、最大水平变形、桥塔主缆抗滑安全系数以及桥塔塔底最大弯矩等核心指标进行了对比分析，基于该对比分析给出多塔悬索桥的建议设计方法。