大跨度公铁平层斜拉桥索梁锚固区结构行为和模型试验研究

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斜拉桥的索梁锚固区承受着巨大的静力荷载和动力荷载,其安全性和耐久性是斜拉桥控制设计的关键点,在施工设计中常作为控制性结构之一。宜宾临港公铁两用长江大桥是大跨度公铁平层斜拉桥,公路、铁路布置在同一层桥面,自重荷载大,受力复杂,索梁锚固区采用新型双拉索结构。为确保桥梁的安全,本文采用模型试验与数值仿真相结合的研究方法,对临港桥双拉索索梁锚固构造开展结构行为和模型试验研究,探索斜拉索索梁锚固区的应力分布规律和传力途径,为斜拉桥优化设计、合理施工提供参考依据,相关研究工作及成果如下:(1)选取宜宾临港公铁两用大桥受力最大的锚固结构开展模型试验,综合考虑试验条件及试验可行性等因素,在原结构的基础上设计了索梁锚固构造1:3缩尺试验模型(下称为模型1),用于探究锚固构造的应力分布规律以及传力途径;在原结构的基础上针对承压板不同结构形式设计对照组试验(下称模型2),用于对比分析承压板结构不同对索梁锚固构造带来的差异。并提出一种适用于复杂索梁锚固区的模型加载方式与传力桁架体系;同时对缩尺模型与足尺模型进行了有限元验证分析,证明缩尺模型有效,可以很好的代表足尺模型进行试验。(2)开展钢锚箱静载实验,分析索力荷载下锚固构造相关板件复杂应力状态,结果显示:钢锚箱结构具有良好的力学性能,无论是试验1还是试验2,在设计荷载及2.5倍设计荷载下均受力稳定,一直处于弹性阶段。当荷载达到5倍设计荷载时,钢锚箱结构才表现出明显的结构屈服点,证明锚箱结构的安全系数较高;锚腹板边侧应力分布与中间应力分布相反,边侧与梁腹板相连位置,近承压板侧承受拉应力作用,远承压板侧承受压应力作用;中侧则是近承压板侧承受压应力作用,远承压板侧承受拉应力作用,推断锚腹板结构内部索力自承压板斜向下方扩散传。(3)利用有限元软件ANSYS-WORKBENCH针对模型1及模型2建立三维精细化非线性有限元模型,模拟实验约束条件以及索力荷载,验证了试验的有效性,也作为对模型试验的验证与补充,探究了锚腹板的传力机理,同时在足尺模型的基础上进行了板厚优化设计。结果发现:有限元与实测结果应力变化趋势基本一致,平均误差处于10%左右,考虑为梁横隔板结构改变带给模型的整体改变。对比验证了实验的准确性;在有限元模型中发现,箱梁腹板结构下部位置横轴应力较为突出,表现为较大的拉应力作用,比较两个模型试验结果发现,试验2加长的承压板较好地分散了索力荷载,使索力自承压板垂直向下传递代替了斜向两边传递,一定程度上改善了锚腹板的受力情况。
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