压弯耦合效应下自锚式悬索桥自由振动研究

基于大位移非线性弹性理论的广义变分厚理,考虑了加劲梁的压弯耦合和剪切应变能的影响,建立了三跨自锚式悬索桥空间耦合自由振动的大位移不完全广义势能泛函,通过约束变分导出了自锚式悬索桥的竖向挠曲振动、横向挠曲振动和纵向振动的基础微分方程,忽略非线性项的影响,进而得到线性振动微分方程．以一座拟建的自锚式混凝土悬索桥为例,求出了竖向振动方程自振频率的解析解,并与数值解作了比较,证明了这一理论和方法为自锚式悬索桥的固有振动特性分析能提供可靠的依据。     

管桥耦合下管线悬索桥的动力特性和地震反应

为了研究管线悬索桥大直径管线和桥梁的耦合作用对结构动力特性和地震反应的影响,以澜沧江管线悬索桥为研究对象,利用有限元软件建立实桥模型,分析了管线悬索桥在管桥耦合作用下的动力特性,并研究了管桥耦合对桥梁地震反应的影响.结果表明,与未耦合时相比,管桥耦合作用下桥梁结构的自振周期较长,自振模态被激励的先后顺序发生变化;在地震波激励下,管桥耦合作用对管线悬索桥不同构件的受力和变形具有不同的影响,其中索塔顺桥向剪力和主梁横向位移均减小,主梁上弦杆轴力和竖向挠度均增大.在计算过程中考虑管桥耦合作用的影响能够比较真实地反映结构实际的动力特性.     

柔性悬索桥动力特性分析

对于整体刚度很低的柔性悬索桥而言,动力特性的分析非常重要.采用非线性的有限元理论,对柔性悬索桥进行了详细的动力分析,探讨了结构的动力特征值问题,最终找出了它所固有的动力特性.并通过与其他悬索桥的对比,进一步分析了柔性悬索桥的结构特点.分析结果还为系统的动力荷载分析提供了基础.这些分析数据还为施工控制以及日后桥梁使用过程中的健康检测提供了控制性的依据.     

大跨径自锚式悬索桥主缆的线形计算及误差分析

针对自锚式悬索桥的主缆线形在施工过程中的变化特性,自编分段悬链线法和抛物线法程序实现了大跨径自锚式悬索桥主缆线形、空缆线形、各节段无应力长度、吊点坐标和索鞍预偏量等几何特征参数的精确计算;结合工程实例,对自编程序与Midas civil软件计算结果进行了比较分析. 结果表明:与有限单元法相比,分段悬链线法计算得到的索鞍预偏量相对误差为11. 3%,抛物线法计算得到的索鞍预偏量相对误差为23%. 在施工中,分段悬链线法和抛物线法计算结果需要反复修正迭代以综合确定主缆线形.     

混凝土自锚式悬索桥结构内力分析

为研究混凝土自锚式悬索桥的结构受力特征以及与地锚式悬索桥的差别,通过计算实例,分析比较混凝土自锚式悬索桥结构的力学特性,研究其拱度、矢跨比变化时引起的内力变化规律,混凝土收缩、徐变对内力影响的规律.对于中小跨度的自锚式悬索桥来讲,除了主梁的轴力偏大以外,结构的其余内力与地锚式悬索桥的差别不是很大,差值在10％以内.拱度和混凝土的收缩、徐变的影响比较明显.与相应的水平加劲梁和不考虑收缩、徐变影响的计算结果比较,差值均在20％以上.弹性理论适合干中小跨度的自锚式悬索桥的设计和计算.     

三塔悬索桥的缆索体系及其抗风稳定性

以在建1 080 m主跨的三塔双跨悬索桥-泰州长江公路大桥为工程背景,分别试设计了具有空间缆索体系和平行双缆体系的两座方案桥,采用三维非线性空气静力和动力稳定性分析方法,分别对其动力特性、空气静力和动力稳定性进行了分析和比较,并探讨了具有良好抗风稳定性的三塔悬索桥的合理缆索体系.结果表明:三塔悬索桥采用平面双缆体系尤其是空间缆索体系后,结构的刚度明显增强,具有良好的结构动力特性,结构的抗风稳定性显著提高,相比而言采用空间缆索体系则更有利.     

索杆张力结构的构件长度误差效应

针对构件长度误差会造成索杆张力结构的实际预张力偏离设计值这一问题,建立构件长度误差效应分析问题的数学模型,采用悬链线索单元及精确协调方程以确保计算精度.利用动力松弛法来进行求解,避免了刚度矩阵的建立.建立反映预张力偏差和长度误差关系的敏感性矩阵.考虑到结构的实际施工成形是以张拉索索力来控制的,基于牛顿法提出存在索力约束条件的长度误差效应求解方法.以一个实际工程中的索 桅杆张力系统作为算例,通过4种不同张拉方案下的长度误差效应敏感性分析,表明了索杆张力结构的张拉方案评价必须考虑长度误差效应的控制效率.     

三塔悬索桥中塔结构选型分析

三塔悬索桥作为一种新型的桥梁体系,结构受力特征与两塔悬索桥显然不同.三塔悬索桥整体刚度低、主梁挠跨比大,中塔选择对整个结构的受力有非常显著的影响.本文以泰州桥的三塔双主跨悬索桥为研究背景,分析讨论了三塔悬索桥主梁挠跨比、主缆抗滑移安全系数、主塔截面内力等设计限制下的中主塔刚度的恰当取值,采用有限元方法对中塔纵向采用A型钢塔、A型混凝土塔、I型混凝土塔等不同的结构型式进行了分析.研究发现,中塔纵向刚度是中塔结构选型的关键,在一定的结构体系下,三塔悬索桥中塔的纵向刚度应当在一定范围之内才能满足各种设计条件.分析结果表明,泰州大桥中塔结构的纵向刚度宜在23～28MN／m之间,采用人字形钢中主塔是适宜的.     

大跨度碳纤维复合材料主缆悬索桥的抗风性能研究

为了探讨碳纤维复合材料缆索在大跨度悬索桥中应用的可能性，以主缆等轴向刚度为原则，拟定了一座主跨为1490m的碳纤维复合材料主缆悬索桥，并运用三维非线性计算理论进行了动力特性、静风和空气动力稳定性的分析．通过与同跨度钢主缆悬索桥的比较，讨论了不同主缆材料对大跨度悬索桥抗风性能的影响．分析结果表明大跨度悬索桥采用碳纤维复合材料主缆后：（1）结构的自振频率特别是扭转频率有显著的提高；（2）静风作用下结构变形增大，但其静风稳定性却与钢主缆悬索桥基本接近；（3）空气动力稳定性要比钢主缆悬索桥好．因此从抗风性能角度而言，大跨度悬索桥采用碳纤维复合材料主缆是可行的，但是主缆截面尺寸的确定应采用等轴向刚度为原则．     

特大跨悬索桥的缆索体系优化

以提高特大跨悬索桥的动力稳定性为目的,基于优化缆索体系的思路,对三种优化方案进行比较.综合考虑抗风性能、施工、经济等因素,通过力学分析,指出一种行之有效的空间索形体系.以某座主跨1 090 m的跨海悬索桥为算例,就实桥使用的平面索形与本文推荐的空间索形,利用自行编制的程序ECFS,分别计算出初始平衡状态下主缆与吊杆的无应力长度、坐标和张力.利用这些力学、几何参数在ANSYS中分别建立平面、空间索形模型,进行动力分析.经过对两种索形自振特性的对比,分析其振动性能的差异与原因,证实了该空间索形可以有效提高悬索桥的横向刚度、抗扭刚度,从而提升结构的动力稳定性.有可能成为大跨悬索桥的发展方向.     

Study of Vertical Seismic Response of Concrete Self-Anchored Suspension Bridges

Based on the variational prineiple of incomplete generalized potential energy with large deflection, the vertical nonlinear vibrational differential equation of self-anchored suspension bridge is presented by taking the effect of coupling of flexural and axial action into consideration. The linear vertical equation is obtained by omitting the nonlinear term, and the pseudo excitation method(PEM). Taking the self-anchored concrete suspension bridge over Lanqi Songhua river for an example, the expected peak responses of main beam, towers and cables are calculated. And the seismic spatial effects on vertical seismic response of self-anchored suspension bridges are discussed.     

悬索桥主缆的次应力分析

针对在主缆的设计中,采用高的安全系数避免对细部次应力分析而使主缆的承载能力没有充分发挥的现状,尝试对悬索桥的次应力进行较为详细的分析.对悬索桥的主缆由于丝股长度差异、钢丝弹性模量差异以及钢丝弯曲等原因产生的次应力进行分析,并给出了相应的经验计算公式;对缆索角度变化产生的次应力,对以往的计算方法进行了分析,并针对更一般的情况进行了理论分析和公式推导,给出了计算算法;对于由于缆索形状的变化而产生次应力,分解为空隙率差异、截面特性差异、截面形状差异三部分进行分析.分析了悬索桥主缆出主鞍近六边形截面到第一个索夹处圆形截面引起的次应力.最后,结合国内某大跨度悬索桥主缆次应力计算的实例,对次应力的发生部位以及次应力对结构安全的影响进行了分析,并按照英国、日本和丹麦大跨度悬索桥主缆安全系数的计算方法对实例的安全系数进行了分析,认为其安全性能够得到保证.     

悬索桥主缆线形确定的常用精确解析算法比较及电算高效实现方法研究

以悬索桥主缆线形确定的常用精确数值解析算法为研究对象,通过对它们的比较分析和公式推导发现:在主缆理想柔性、忽略泊松比效应的最基本假定下,主缆线形确定的精确数值解析法可归结为主缆自重集度按其有、无应力长度计算作为已知条件的两大类算法;并且证明了在每大类解析算法中的所有方法是完全等价的.研究还表明:第二类解析算法为"全精确解析算法",第一类为"准精确解析算法";在第一类算法中,主缆无应力长度公式的计算值偏小.仅就悬索桥主缆成桥态线形确定而言,主缆线形确定的两大类数值解析算法都具有很高的工程精度,但第二类算法的主缆自重集度的确定更为精确、更接近实际情况,实际计算时应优先使用它.另外,针对两类解析算法涉及到大量的超越方程求解和递推迭代计算的情况,提出了基于MATLAB软件的高精度电算实现方法.最后,给出一个超大跨径悬索桥的中跨主缆线形确定的验证算例.     

自锚式悬索桥空间缆索系统的求解方法

由于存在着强烈的几何非线性效应,自锚式悬索桥的主缆和吊索的线形与内力的确定具有一定的困难,本文对自锚式悬索桥空间缆索系统的线形和内力的求解方法进行了研究.以单索的悬链线方程为基础,推导了空间主缆和吊索的线形和内力的递推-迭代计算流程,通过反复迭代直至主缆线形满足设计参数要求.在进行迭代计算时,切线矩阵的确定是迭代计算的关键.由于不能获得切线矩阵的理论表达式,提出了采用数值方式形成割线矩阵近似代替切线矩阵的求解策略,并通过构造牛顿类迭代格式进行求解.按照该求解方法编制了数值计算程序,经过算例验证,表明该求解方法是可行的,可用于具有对称或不对称形式悬索桥空间主缆和吊索的几何位形和内力的求解.     

塔梁分离式悬索桥动力及抗震性能

针对塔梁分离式悬索桥具有塔底不等高及设置地锚索等特点,以矮寨桥为背景,基于9组空间有限元模型从主梁的支承条件、吊跨比以及地锚索的数量三个方面进行桥梁结构模态以及抗震性能分析.结果表明:在动力特性方面,塔梁分离对悬索桥振动模态影响十分微小,而吊跨比的增加会使悬索桥的整体刚度下降,加设地锚索能很大程度提高结构整体刚度;在抗震性能方面,塔梁分离提高了悬索桥横桥向的抗震性能,纵桥向基本无提升,随着吊跨比增大,主梁内力及位移响应减小幅度较大,而主缆和吊索内力几乎无变化,地锚索主要影响纵桥向地震响应,减小主塔位移与内力,降低了主缆与端部吊索的应力响应.     

基于几何非线性的自锚式斜拉-悬索协作体系桥成桥索力计算

目的研究确定自锚式斜拉-悬索协作体系桥成桥状态时构件的空间位置和缆索的成桥索力．方法根据无应力索长和索力的概念推导了无应力索长的索力不变原理,提出了自锚式斜拉-悬索协作体系桥成桥索力的计算方法．结果运用该方法对大连跨海大桥的设计方案进行了计算分析,利用该方法计算得到的成桥状态下斜拉索和吊索的索力均匀,主缆线形平顺．除主塔附近的加劲梁由于索距较大造成弯矩较其他区域偏大外,其他区域弯矩分布均匀合理,加劲梁的最大弯矩为14716kN·m．主塔弯矩较小且塔顶水平变位接近于零．结论计算结果表明利用该方法能够按照要求得到该类桥梁的合理成桥索力,并且通过非线性迭代计算得到的缆索无应力长度可以直接应用于施工阶段分析．     

弹性索参数对三塔悬索桥抗震性能影响研究

以一座三塔悬索桥为分析对象,采用有限元仿真分析法,研究了中塔、主梁间设置弹性索对该桥抗震性能的影响。针对不同弹性索参数,比较了结构主要构件和部位的内力及位移的地震响应结果。分析结果表明,选用合适的弹性索刚度时,可以显著减小主梁位移、主塔位移和中塔与主梁间的相对位移,减小边塔底内力,而中塔底内力增加很小。弹性索不是耗能装置,只能改变惯性力的传递途径,使结构体系惯性力分配更加合理。     

自锚式悬索桥吊索不接长体系转换方案及索鞍数值模拟

为降低自锚式悬索桥体系转换施工费用、提高施工效率、简化分析过程,以抛物线理论为依据,推导出主缆垂度的影响参数,结合各参数的可控性、敏感性,通过调整主索鞍顶推和吊杆张拉策略,提出3阶段2轮张拉吊索不接长体系转换方案。为在有限元计算时精确模拟方案中主、散索鞍施工状态,将索鞍圆心点与塔顶或散索鞍底座中心点建立刚臂和主从约束两个边界,通过激活、钝化刚臂模拟索鞍临时固定和滑移状态,通过设置索鞍圆心点强制位移模拟索鞍超顶状态。以双塔3跨和独塔2跨2座自锚式悬索桥为例,根据现场实际情况分别制定了2套吊索不接长体系转换方案,并建立有限元模型对2座桥梁体系转换过程进行模拟和分析。结果表明：自锚式悬索桥主跨是避免吊索接长的关键桥跨,主缆跨径和主缆长度是影响主缆垂度、避免吊索接长的关键可控参数;通过增大主缆初期变形可有效避免吊索接长,实施方案为张拉主跨长出段吊索使主索鞍超前就位,以改变主缆跨度;提前施工部分二期恒载、加劲梁在第1轮吊索张拉后脱架,以增加主缆弹性伸长。由2座桥梁实例分析结果可知,体系转换前期主索鞍可控滑移、超前就位,后期对称张拉桥塔两侧吊索,使主缆和主索鞍间的抗滑移安全系数和桥塔应力均变化平稳,所提方案和索鞍模拟方法达到了预期目的,可为同类型自锚式悬索桥体系转换提供参考。