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基于梁单元的矮塔斜拉桥力学性能精细化研究：运营、地震与鞍座应力视角

一、绪论

1.1研究背景与意义

矮塔斜拉桥作为一种极具特色的桥梁结构形式，在现代桥梁工程领域占据着重要地位。它融合了梁桥和斜拉桥的部分优点，跨越能力适中，造型优美，施工工艺相对便捷，在100-300m的跨径范围内展现出独特的技术经济优势，被广泛应用于公路、铁路及城市桥梁建设中。

在桥梁的全生命周期中，运营阶段是其发挥实际功能、承受各类荷载作用的主要时期。准确分析矮塔斜拉桥运营阶段的力学性能，对于确保桥梁结构的长期安全、保障交通畅通以及合理安排养护维修工作至关重要。在运营阶段，桥梁不仅要承受车辆、人群等活载的反复作用，还要经受温度变化、混凝土收缩徐变、基础沉降等环境因素和材料特性变化的影响。这些因素相互交织，使得桥梁结构的受力状态复杂多变，如果不能对其进行精确分析和有效评估，可能导致桥梁结构出现裂缝、变形过大等病害，严重时甚至危及桥梁的安全使用。

地震是一种具有巨大破坏力的自然灾害，对桥梁结构的安全构成了严峻挑战。矮塔斜拉桥由于其结构特点，在地震作用下的响应较为复杂，可能出现多种破坏模式，如桥墩的弯曲破坏、剪切破坏，主梁的扭转、位移过大，斜拉索的松弛、断裂等。通过对矮塔斜拉桥进行地震计算和抗震性能分析，可以深入了解其在地震作用下的动力响应特性和薄弱环节，为桥梁的抗震设计、加固改造提供科学依据，从而提高桥梁在地震中的安全性和可靠性，减少地震灾害对交通基础设施的破坏，保障人民生命财产安全。

鞍座作为矮塔斜拉桥的关键传力部件，主要承担斜拉索传来的巨大拉力，并将其有效地传递到桥塔上。鞍座的受力状态直接关系到整个桥梁结构的稳定性和安全性。由于鞍座与斜拉索、桥塔之间的接触关系复杂，在荷载作用下，鞍座内部会产生复杂的应力分布，存在较大的应力集中现象。如果鞍座的设计不合理或局部应力过大，可能导致鞍座混凝土开裂、钢筋屈服，甚至发生整体破坏，进而影响斜拉索的锚固效果和桥梁的正常使用。因此，对鞍座进行详细的应力分析，准确掌握其应力分布规律和薄弱部位，对于优化鞍座设计、提高其承载能力和耐久性具有重要意义。

1.2国内外研究现状

在矮塔斜拉桥运营阶段计算方面，国内外学者取得了一定的研究成果。早期的研究主要基于简化的结构力学方法，对桥梁在恒载和活载作用下的内力和变形进行分析。随着计算机技术和有限元理论的发展，越来越多的学者采用有限元软件建立全桥精细化模型，考虑材料非线性、几何非线性以及各种复杂的边界条件，对运营阶段的多种荷载工况进行模拟分析。例如，有学者利用ANSYS软件对某矮塔斜拉桥进行建模，研究了温度变化、混凝土收缩徐变对桥梁结构的影响，得出了相应的内力和变形变化规律。然而，目前对于一些特殊荷载工况，如极端气候条件下的荷载组合、车辆超载等情况的研究还相对较少，且不同研究中对于模型参数的选取和计算方法的应用存在一定差异，导致计算结果的准确性和可靠性有待进一步提高。

在地震响应分析领域，国内外学者针对矮塔斜拉桥开展了大量的研究工作。研究方法主要包括反应谱法、时程分析法和静力弹塑性分析法等。反应谱法由于计算简便，在工程设计中应用广泛，但它只能反映结构的最大地震响应，无法考虑地震过程中的非线性行为。时程分析法能够考虑地震动的频谱特性和持续时间，更真实地反映结构在地震作用下的响应过程，但计算量较大，且对地震波的选取较为敏感。静力弹塑性分析法通过将结构的非线性地震响应转化为等效的静力非线性分析，可评估结构的抗震性能和薄弱部位，但该方法在理论和应用上还存在一些局限性。现有研究在考虑结构与基础相互作用、土-结构-流体耦合效应等方面还不够完善，对于不同场地条件和地震动特性下矮塔斜拉桥的地震响应规律研究还不够深入。

在鞍座应力分析方面，许多学者采用有限元方法对鞍座进行局部建模分析，研究其在不同荷载工况下的应力分布规律。有学者通过建立三维有限元模型，分析了鞍座锚固区的局部应力，发现鞍座与桥塔连接处、斜拉索孔道附近存在较大的应力集中。还有学者对鞍座的结构形式和尺寸进行优化设计，以降低其局部应力水平。然而，目前对于鞍座在复杂受力状态下的疲劳性能和长期性能研究较少，且在实际工程中，由于施工误差、材料性能离散性等因素的影响，鞍座的实际应力状态可能与理论分析结果存在一定偏差，这方面的研究还相对薄弱。

1.3研究内容与方法

本研究主要围绕基于梁单元的矮塔斜拉桥展开，深入探讨其在运营阶段与地震作用下的力学性能，并对鞍座进行详细的应力分析。具体研究内容包括：首先，建立合理的矮塔斜拉桥有限元模型，采用梁单元模拟主梁、桥塔和桥墩等主要构件，考虑材料非线性和几何非线性因素，确保模型能够准确反映桥梁的实际结构特性。其次，针对运营阶段，全面分析桥梁在恒载、活载、温度作用、混凝土收缩徐变