第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
现代斜拉桥已有 60 多年的发展历史，斜拉桥以其自身跨越能力大，造价合理的优势，在国内外特大桥建设的选型中不断脱颖而出。斜拉桥索塔锚固区是将斜拉索力传递到塔柱的重要构件，足够的安全性能储备才能够保障斜拉桥的正常使用。随着大跨度斜拉桥施工技术的不断突破，现代斜拉桥的设计索力已突破 10000kN[1]，对索塔锚固区的安全储备提出了更高的要求，而国内外索塔锚固区的设计使用主要依赖足尺试验模型的试验结果和有限元模型的计算分析[2-4]，缺乏合理高效的设计方法和优化方案。因此对索塔锚固区传力机制的研究以及优化设计是一个值得研究的课题[5-8]。
目前，混凝土索塔锚固区通常设置预应力筋以提高混凝土的抗裂度，其预应力布置形式大多数采用的是 U 形和井字形，但是上述两种预应力布置方式使得预应力损伤规律难以掌握[9]。另外，由于塔柱的横向截面尺寸一般比纵向尺寸小，在布置 U 形预应力束时存在侧壁方向的钢束长度通常不超过 6m，钢束的弯起半径大多数不超过 2m，不能满足最小半径 4m 的规范要求[10-12]。因此国内外大多数采用 U 形预应力布置形式的大跨度斜拉桥都要进行试验模型，试验结果不具有通用性[13-22]。本文以广东西江水道桥单向预应力斜拉桥为工程背景，采用单向的预应力布置形式，横桥向不设预应力筋，顺桥向的预应力筋布置位置靠近内壁。国内外已完成的索塔锚固区试验模型所积累的经验无法应用于这种单向预应力体系索塔锚固区的设计中，因此本文将通过空间有限元分析研究其受力性能，进行结构关键参数比较分析。
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1.2 国内外研究现状
索塔锚固区作为大跨度斜拉桥的重要受力构件，由于其受到预应力筋的锚固力、索导管孔洞削弱作用以及斜拉索的集中拉力的共同作用，使得锚固区的应力分布十分复杂。目前在国内外研究中，通常采用空间有限元建模分析和索塔节段试验模型两种方法对锚固区预应力布置和索力设计进行合理性研究[23, 24]。
在国内外，有限元建模分析软件主要有 ANSYS、ABAQUS 和 SAP 等，ANSYS 适用于模型线弹性分析，ABAQUS 的优势主要在于非线性分析，可用于模型的弹塑性的全过程分析。索塔的节段试验模型可分为缩尺试验模型和足尺试验模型，在工程实例中考虑到圣维南定理的足尺试验模型应用较多。
1.2.1 斜拉桥索塔锚固区足尺试验模型研究
单纯采用空间有限元分析虽然可以得到锚固区应力场的分布，但并不能精确地指导大跨度斜拉桥锚固区的配筋和尺寸优化，因此常常结合足尺试验模型进行研究[25-27]。早期的锚固区形状多以矩形为主，通常采用“长短边”的方式进行命名，这对于形状比较复杂的锚固区难以准确描述其方位。本文将斜拉索锚固的塔壁称之为“前墙”，其余的塔壁则称之为“侧墙”。
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第二章 混凝土塑性损伤模型理论研究
2.1 引言
混凝土受拉和受压两种不同状态下表现出迥异的力学行为，抗拉强度通常不超过5MPa，而抗压强度可达几十兆帕。在循环荷载的作用下，混凝土的刚度会出现不同程度的退化，称之为损伤。目前，在混凝土有限元非线性分析中，塑性损伤模型应用最为广泛。本章首先介绍损伤模型的基本理论，然后介绍 ABAQUS 塑性损伤模型的特征，并针对 ABAQUS 软件塑性损伤模型参数输入问题给出使用建议，最后通过算例验证建议方法的可行性。
在荷载、温度变化等外部因素作用，结构表面和内部的缺陷将不断发育、贯通，从而形成宏观裂纹。在外部荷载的持续作用下，裂纹得到进一步发展，结构因此出现承载力下降等情况，这个过程称之为结构发生了损伤。损伤理论是要建立材料在受损条件下的本构关系和损伤演化方程，由此对结构的损伤程度进行评估。
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2.2 损伤模型基本理论
2.2.1 损伤的定义和分类
在结构的受力变形过程中，不同的阶段对应着不同的损伤量。因此，可根据结构变形的性质，将损伤分为以下几类：
（1）弹性损伤：通常在结构线弹性加载阶段中产生的，完全卸载后结构变形可恢复，也称之为脆弹性损伤。
（2）弹塑性损伤：通常在结构非线性加载阶段产生，此时结构已经产生了塑性应变，卸载不可恢复，因此也称之为延性塑性损伤。常见于中强度混凝土、强度低韧性好的金属、高分子材料等。
（3）疲劳损伤：通常由周而复始的应力作用而产生，损伤与循环次数和应力幅值有关。根据应力幅值的大小，可分为高周疲劳损伤和低周疲劳损伤。
（4）蠕变损伤：通常在结构蠕变过程中产生，损伤与时间、温度、应力幅值都有关，有时也称为粘塑性损伤。
除了上述 4 种常见的损伤情况，还有剥落损伤、腐蚀损伤等。
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3.1 引言 ........................................... 17
3.2 依托工程概况 ..................................... 17
3.3 足尺试验模型方案 .......................... 18
第四章 单向预应力体系索塔锚固区弹塑性分析 ..................................... 38
4.1 引言 ....................................... 38
4.2 有限元模型的建立 ............................ 38
第五章 单向预应力体系索塔锚固区影响参数分析 .................................... 53
5.1 引言 ..................................... 53
5.2 单向预应力筋合理布置研究 ............................ 53
第五章 单向预应力体系索塔锚固区影响参数分析
5.1 引言
单向预应力体系索塔锚固区受力形式明确，其极限承载力约为 2.872 倍设计索力，安全储备充足。在足尺试验模型中，侧墙内表面和外表面的应力分布不均匀，侧墙内表面的压应力储备较大，在不同计算工况荷载作用下仍处于全面受压状态；而侧墙外表面在工况二以及工况三作用下出现了数值较小的拉应力。上述现象的出现，可能是由于预应力筋的布置贴近侧墙内表面造成的，探讨预应力筋的合理布置能够使索塔锚固区侧墙的受力更加均衡。在极限承载力状态下，索塔锚固区前墙混凝土结构出现大范围损伤，而侧墙仅倒角处出现了损伤，其余部位未见明显损伤。可见，前墙的抗裂度明显小于侧墙，有必要对索塔锚固区结构前墙的尺寸进行优化。另外，相关文献表明，国内外部分斜拉桥索塔锚固区采用单箱双室的构造形式，整体结构受力均衡。因此，进行索塔锚固区构造隔板的研究对以后类似的工程具有一定指导意义。
本章将从预应力筋的合理布置、结构壁厚参数分析以及构造隔板的设置三个方面进行研究，以改善索塔锚固区受力均衡性并提高极限承载力。
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第六章 结论与展望
本文主要工作与结论
参考文献(略)