基于可靠度理论的超高索塔混凝土结构抗裂度设计

The pylon body, beam and anchorage zone of ultra high pylon structure are prone to cracking and repair work is difficult. Meanwhile, temperature , relative humidity, wind speed and load are complex as with the increasing of pylon height. It’s difficult to estimate the performance of structural concrete and cracking resistance of concrete structure. In this project, the numerical calculation model of the strain of high performance concrete under temperature–humidity-restraint multi-field coupling will be studied, based on the reliability theoy, the crack norm of high performance concrete, analysis model of crack probability and evaluation model of concrete structure cracking resistance will be established with the concept of structure design and material design. And the evaluation index of concrete structure cracking resistance will be proposed. Then, we will define the reliability of crack probability and cracking resistance index for unltra high pylon concrete structure like anchorage zone, beam, mass bearing platform, we will also proposed the crack stress and strain design value of concrete under various restrained conditions.

超高索塔塔身、横梁和上塔柱索塔锚固区均属于易开裂的结构部位，开裂后的修补工作难度大。同时，随着索塔高度的增加，混凝土结构面临的环境温度、相对湿度、风速和外部荷载等变化复杂，结构混凝土的性能评估以及混凝土结构的抗开裂度评价难度增加。所以，本项目拟以“结构设计-材料设计”为主线，研究温度-湿度-约束多场耦合作用下高性能混凝土的形变数值计算模型，基于可靠度理论，建立高性能混凝土开裂准则、开裂概率分析模型以及混凝土结构抗裂能力评价模型，提出混凝土结构抗裂评价指标。根据超高索塔混凝土结构所处的环境作用等级、荷载条件、服役寿命要求以及裂缝宽度对混凝土耐久性的影响规律，界定索塔锚固区、横梁以及大体积承台等混凝土结构的开裂概率和抗裂指标的可靠度，提出在不同约束条件下混凝土材料的开裂应力和开裂应变的设计指标。

悬索桥是目前世界上跨越能力最强的桥型，随着桥梁跨度的延长，索塔高度不断增加。超高的索塔结构施工难度高，环境条件随高度不断变化，且结构开裂后难以维修，导致耐久性难以保障。高性能混凝土兼顾优异的强度和耐久性已经开始在重大工程中应用。然而，高性能混凝土较低的水胶比，较高的胶凝材料用量，导致混凝土自收缩增大，水泥水化放热量增加，加大了混凝土结构的开裂风险。合理的设计和优化高性能混凝土是促进其工程更广泛应用的必要措施。.本课题以“结构设计-材料设计”为主线，基于可靠度理论，建立了高性能混凝土开裂准则分析模型以及混凝土结构抗裂能力评价模型，提出混凝土结构抗裂评价指标，提出材料性能指标指导材料设计，得到以下结论：. (1) 建立了高性能混凝土水化-温度-湿度-约束度多场耦合作用机制，及多场耦合作用下高性能混凝土力学特性、形变的理论计算模型。对无外荷载作用下超高索塔混凝土结构在水化-温度-湿度-约束多场耦合作用下的开裂风险进行了分析。根据模型对索塔塔座和下塔柱的抗裂度分析表明，节段施工过程中已浇混凝土限制了新浇混凝土散热过程，最大温度应力出现在新浇筑层顶部，塔柱壁厚不大于1.2m时，混凝土表面最大应力约为3.5MPa，而当壁厚超过1.2m时，如1.8m厚塔壁表面最大应力高达4.9MPa，混凝土里表温差导致开裂风险大大增加。而水化热调控型抗裂剂掺入后，水化放热速率峰值降低了50%以上，合理控制配合比、掺合料和外加剂可以有效减小索塔混凝土内部应力，降低开裂风险。. (2) 计算得到外荷载作用下超高索塔的应力分布，根据风作用对混凝土收缩影响的实验研究，建立了引入风作用因子的混凝土收缩模型。基于可靠度理论，在超高索塔混凝土抗开裂的有利因素和不利因素间，建立了混凝土开裂风险评价模型，得到索塔上塔柱交汇处在风作用下混凝土收缩值增加了14.6%，根据可靠度指标提出了混凝土28天抗拉强度需达到4.54MPa，收缩值不大于283με的设计目标。