朝阳大桥结构力学性能分析文献综述

论文题目

朝阳大桥结构力学性能分析

1. 选题背景和意义：

随着中国经济的发展，交通事业也迅速发展，大量的桥梁也不断地被建造，为了巩固我们学习的桥梁工程等专业课的知识并将其应用到实践中去，更深入和具体地掌握专业技能，为以后的工作和学习做准备，我们选择对一座桥进行具体的建模、计算和分析来掌握桥梁设计计算的基本知识、理论和方法，熟悉对桥梁进行验算、分析的过程，锻炼自己设计分析，阅读和翻译文献，使用软件建立模型和绘图的能力，为以后的实际工作打下基础。目前随着科技的进步，桥梁设计和分析的方法也越来越成熟，桥梁的设计计算主要通过电算，大大地提高了计算的速度和精确程度，并且使很多难以计算的问题也能得到考虑。波形钢腹板矮塔部分斜拉桥是一种新型的桥梁结构形式，是对传统混凝土埃塔斜拉桥结构的一种改进。部分斜拉桥介于斜拉桥与连续梁桥之间，塔高较矮，主梁刚度较大，由拉索承担部分荷载，剩下的由主梁预应力筋承担，可以减小拉索的应力幅值。在部分斜拉桥的主梁中采用波形钢腹板，构造简单，能较好地发挥预应力的作用，有利于降低主梁的自重、增大跨径、减小地震反应，也有利于施工缩短工期，降低施工成本。本课题采用有限元软件MIDAS建立南昌朝阳大桥的结构分析模型，对波形钢腹板矮塔斜拉桥的力学性能进行数值分析。

1. 课题关键问题及难点：

用有限元软件Midas/Civil建立模型,对于不同的阶段进行结构力学性能分析，需要建立计算模型，对材料特性，预应力筋和钢索的应力进行模拟，同时也要考虑到对各施工阶段和运营阶段的模拟，

还要考虑温度和混凝土徐变和收缩等因素，进行分析结构的性能的分析，并进行结构强度，刚度，稳定性等验算。

1.上部结构的建模

朝阳大桥建模所需单元繁多，主要包括主梁、塔柱、斜拉索这几个部分，主梁由几百个单元组成，每根斜拉索用一个单元，每个桥塔的建模需要的单元也在30个以上。主梁截面为单箱五室截面，需要使用SPC再导入联合截面，并且主梁的截面的厚度在不同区域也有变化。桥塔的截面也比较复杂，由圆弧、抛物线等曲线组成，分为无索区和拉索区，在不同的区域也是变化的，塔柱中还有劲性骨架。索单元的截面大小对于某塔柱的一侧的不同的索也不同。另外，主梁和塔柱中都有预应力束，需要分批张拉，也比较繁琐。

2.施工阶段模拟

朝阳大桥的施工步骤较多，可以分为多个阶段。该桥采用悬臂浇筑法施工，施工工序依次主要为0#块施工、上塔柱施工、斜拉索安装及张拉、主梁1~9#节段悬臂施工、人非通道施工、主梁合拢段施工、主墩支座安放和反力调整、压重混凝土施工、各类预埋件施工。施工时斜拉索的张拉，张力等都很关键，成桥时要进行索力调整，需要经过反复计算，满足各个阶段的承载能力极限状态的要求，对工程设计的最终结果起着很重要的作用。

3.施工阶段结构受力分析及成桥计算处理

需要分析不同施工阶段下结构的内力及变形情况，主要包括混凝土徐变和收缩、温度、预加力在结构中引起的次内力分析，还有各阶段荷载作用下结构的内力、应力和变形分析。应根据相应规范对工况进行荷载组合，进行上部结构的承载力验算、正常使用极限状态验算。

1. 文件综述（或调研报告）：

波形钢腹板部分斜拉桥是一种新型的桥梁结构形式，介于连续梁桥与斜拉桥之间,是对传统混凝土矮塔斜拉桥结构的一种改进。本课题采用有限元软件MIDAS对波形钢腹板矮塔斜拉桥的力学性能进行数值分析。波形钢腹板PC箱梁桥是20世纪80年代出现的一种新型桥梁，结构自重较轻，可以减少下部结构的工程量，进而降低工程总造价。随着科技的进步，桥梁建设的迅速发展，部分斜拉桥和波形钢腹板箱梁桥这两种桥梁结构在桥梁的建设中得到了越来越广泛的应用。

部分斜拉桥的概念是1988年法国工程师Jacques Mathivat提出的，它是一种新的结构体系：很矮的塔与上部结构刚性连接、通过索鞍的索吊住100m长的预应力混凝土等高度的箱型梁，与斜拉桥斜拉索相比，索的应力幅更小，索主要通过初张力的竖向分力来减小主梁的竖向荷载，同时像传统的预应力一样给主梁施加压力，所以这种索更像是体外预应力筋而非常规斜拉索。1994年日本建成了世界上第一座部分斜拉桥——小田原港桥。之后日本又修建了很多这类部分斜拉桥，到现在已经超过20座，并在其它地方也推广了部分斜拉桥。我国建成的第一座部分斜拉桥，1999 年建成的芜湖长江大桥，是一座公铁两用的部分斜拉桥，2001 年9 月通车的漳州战备桥是我国第一座公路混凝土部分斜拉桥。部分斜拉桥有很多优点，结构刚度较大，最大应力幅值要小于常规斜拉桥，性价比比较高且造型新颖美观，主梁具有相当的刚度，行车平顺，具有斜拉索，跨越能力增大，塔高较矮，塔身结构简单，刚度大，施工方便。

波形钢腹板PC组合箱梁是一种新型的钢-混凝土组合结构，利用了混凝土抗压强度高、波形钢腹板抗剪屈曲强度高的特点，将钢、混凝土两种材料结合起来，提高了材料的使用效率。用波形钢腹板、体外预应力束，不但充分满足了腹板的力学性能要求解决了混凝土箱梁腹板容易开裂的问题，它的结构自重大幅度减轻，可以减少下部结构的工程量，进而降低其工程总造价。而且，波形钢腹板具有纵向伸缩自由、不抵抗轴向力的特点，可使预应力有效地加载于混凝土翼缘板，提高了预应力的效率。使用这种组合结构还能缩短施工时间，节省材料，体现了经济、合理、高效的结构特点，这些年来它在国外和国内也都发展得很快。波形钢腹板最早用于建筑，法国学者于20世纪80年代提出了用轻质高强的钢板代替厚重的混凝土腹板，并配以体外预应力索的设想，随后根据这一设想，形成了波形钢腹板PC组合箱梁这种结构，并建成了首座采用波形钢腹板的PC组合箱梁桥——Cognac桥。日本在20世纪80年代末引进并开始进一步研究波形钢腹板PC组合箱梁桥理论和技术，1993年修建了其国内的第一座波形钢腹板Pc简支梁桥——新开桥，随后又大量修建此类的桥梁，目前已经超过200座，其中包括各种不同的桥型，也有了丰富的设计和施工经验。我国对波形钢腹板PC组合箱梁桥的研究开展较迟，目前也取得了一定的进展，已经建成了江苏淮安长征人行天桥、河南光山泼河大桥等这类桥梁。随着对波形钢腹板PC组合箱梁结构的研究的深入和应用技术的成熟，它也将在工程中得到更广泛的应用。

近年来，日本将波形钢腹板PC组合箱梁桥和部分斜拉桥的理论结合起来，新建了日见（Himi）桥和栗东（Rittoh）桥两座桥，即为波形钢腹板部分斜拉桥，它同时具有了这两种结构的优点。在部分斜拉桥的主梁中采用波形钢腹板，有利于降低主梁的自重、增大跨径、减小地震反应；也有利于施工的合理化和工期的缩短，降低施工成本；波形钢腹板具有良好的折叠性，使施加在主梁上的预应力更有效地作用在箱梁的顶底板，不被腹板吸收，使预应力能发挥其最大的作用。２０１１年我国建成了新密漆水河无背索部分斜拉桥，这也是我国第一座波形钢腹板ＰＣ梁斜拉桥。此后我国又建成了南昌朝阳大桥和郑州朝阳沟大桥，也都是这类桥梁。目前这种桥型还比较新，在国内运用不多，但是它的众多优点使其有着广阔的应用前景。

波形钢腹板部分斜拉桥的结构分析主要考虑以下部分：

（1）主梁结构体系，横断面为单箱五室形式，包括了混凝土结构、波形钢腹板体系、钢横梁体系、钢锚箱体系、人非通道体系。

（2）混凝土结构，主要包括混凝土顶底板，塔柱横梁等部分。

（3）波形钢腹板体系，分为腹板、翼板、连接件和竖向加劲肋。

（4）预应力体系主梁采用了精轧螺纹钢钢筋、体内预应力钢绞线及体外预应力环氧涂层钢绞线体系。

（5）钢横梁体系，分为腹板、翼板、连接件和加劲肋。

（6）钢锚箱体系，分为抗剪板、加劲肋、承压板、钢导梁、辅助横梁、上盖板、下翼板、斜拉索钢套管和连接件。

（7）通航孔桥中墩上塔柱，共设有6个中墩上塔柱，为施工方便布设有劲性骨架。

（8）斜拉索体系，分为三部分：梁上锚固段、斜拉索索体、塔上索鞍。

（9）人非通道体系，由预埋段、后装段钢横梁、后装段桥面系组成。

对于波形钢腹板部分斜拉桥的结构力学性能分析主要是研究桥梁在静力状态下的受力性能，通过用有限元软件Midas/Civil建立模型，在此基础上进行各种强度、刚度和稳定性的分析，具体要进行各个阶段的不同状况下的如截面抗弯、抗剪承载力计算，截面抗裂计算等。斜拉桥的动态特性对桥梁的抗震、抗风等设计有重要的意义，用有限元软件模拟斜拉桥的动态特性也是在建立模型的基础上模拟结构的振动，研究不同的情况下结构各个部分的振动频率和振型，得到结构受到外部动荷载作用的振动的特性，一般结构的前几阶振动频率起控制作用。

参考文献：

[1] Li Yuchun and Di Qingshuang .Numerical simulation of dynamic characteristics of a cable-stayed aqueduct bridge,2011

[2] J. H. 0. NegrrPo and L. M. C. Simtks OPTIMIZATION OF CABLE-STAYED BRIDGES WITH THREE-DIMENSIONAL MODELLINGT

[3] Francis T.K. Au* and X.T. Si Time-dependent effects on dynamic properties of cable-stayed bridges,2012

[4] Pao-Hsii Wang *, Tzu-Yang Tang, Hou-Nong Zheng Analysis of cable-stayed bridges during construction by cantilever methods,2004

[5] 陈宝春,黄卿维 波形钢腹板PC箱梁桥应用综述[期刊论文]-公路 2005(7)

[6] 姚玲森，桥梁工程（第二版）.北京：人民交通出版社，2008

[7]Yufen Zhou, Suren Chen Numerical investigation of cable breakage events on long-span cable-stayed bridges under stochastic traffic and wind,2015

[8] A.M.S. Freire a, J.H.O. Negratilde;o b,*, A.V. Lopes Geometrical nonlinearities on the static analysis of highly flexible steel cable-stayed bridges,2006

[9]Driver R J;Abbas H H;Sause R Shear Behavior of Corrugated Web Bridge Girders 2006(2)

Jian-Guo Nie , Li Zhu , Mu-Xuan Tao , Liang Tang Shear strength of trapezoidal corrugated steel webs ，2013

[10]M.F. Hassanein , O.F. Kharoob Behavior of bridge girders with corrugated webs: (I) Real boundary condition at the juncture of the web and flanges，2013

[11]Pao-Hsii Wang and Chiung-Guei Yang PARAMETRIC STUDIES ON CABLE-STAYED BRIDGES，1996

[12]仲时进，于杰，孙文 常熟碧溪大桥静力荷载试验,2014

[13]陈宝春，黄 玲，吴庆雄 波形钢腹板部分斜拉桥,2004

[14]李艳荣，李玉 波形钢腹板部分斜拉桥动力特性分析，2011

[15] Thanh-Canh Huynh, Jae-Hyung Park, and Jeong-Tae Kim Structural Identification of Cable-Stayed Bridge under Back-to-Back Typhoons by Wireless Vibration Monitoring,2015

1. 设计方案（或研究方案、研制方案）论证：

工程背景

南昌市朝阳大桥位于江西省南昌市，全长约3.6公里，桥面宽38.5米，朝阳大桥位于南昌大桥与生米大桥之间，沟通朝阳新城和红角洲地区。其主桥为六塔单索面斜拉桥，跨径布置为79m 5times;150m 79m，朝阳大桥主桥采用塔梁固结、塔墩分离的结构，塔高35米。

主要技术标准

(1) 道路等级：城市快速路。

(2) 行车道数：双向八车道。

(3) 机动车荷载标准：城市-A级。

(4) 设计车速：60km/h。

(5) 桥面宽度：上层桥宽36.8m，下层桥宽43.84m。

(6) 防洪设防标准：大桥设计洪水频率取300年一遇，路基设计洪水频率取100年一遇。

(7) 通航：赣江通航等级为Ⅱ-(3)级，不少于2个双向通航孔或不少于4个单向通航孔。

主要设计规范

(1) 《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)

(2) 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)

(3) 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)

(4) 《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ166-2011)

(5) 《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025-86)

(6) 《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10002.2-2005)

(7) 《铁路结合梁设计规定》(TBJ 24-89)

(8) 《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)

(9) 《公路斜拉桥设计细则》(JTG/T D65-01-2007)

(10) 《公路工程抗震设计规范》(JTJ 004-89)

(11) 《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)

(12) 《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)

(13) 河南省地方规范《公路波形钢腹板预应力箱梁桥设计规范》(DB41/T 643-2010)

(14) 《组合结构桥梁用波形钢腹板》(JT/T 784-2010)

(15) 《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69-95)

技术路线

以现有波形钢腹板部分斜拉桥理论为基础，结合国内外已取得的相关成果，依据国内现有规范，并参考国外相关设计指南，对南昌朝阳大桥的施工阶段和成桥使用阶段进行结构分析。拟采用桥梁工程软件Midas建模，其过程如下：

1）将桥梁近似离散为空间结构。

2）为成桥阶段建立材料和截面特性、节点、单元、边界条件、荷载等各类基本数据。

3）按照单元数据、边界条件数据、荷载数据、截面特性、材料特性、预应力钢束数据、施工阶段数据与运营阶段信息建立朝阳大桥的整体有限元模型。

4）运行分析，对结构分析产生的各施工阶段、成桥使用阶段的内力、变形数据作进一步加工整理，形成文本数据和图形数据。

5）根据计算结果，对于不同阶段、不同状况按要求进行抗弯、抗剪承载力验算，截面抗裂验算，结构变形验算等。

1. 进度安排：

1. 指导教师意见：

签名： 年 月 日

1. 开题审查小组意见：

签名： 年 月 日