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.     

刚性悬索加劲钢桁梁桥结构参数敏感性分析

为了准确把握刚性悬索加劲钢桁梁桥在施工阶段及运营阶段内力和线形的变化,以中国首座刚性悬索加劲钢桁梁桥——东江大桥为例,采用大型有限元计算程序,建立了三维空间有限元模型.运用仿真分析方法,对该结构受力特性进行了相应的研究,得出结构自重、结构刚度、支座强迫位移、温度变化、刚性悬索线形误差等敏感参数对该桥内力及线形的影响规律.结果表明:支座强迫位移、结构刚度、结构自重误差对主桁线形和内力影响较大;温度变化和刚性悬索线形误差对主桁线形及内力影响较小,所得结果可为大桥施工控制提供参考.     

单曲率预应力悬索重屋盖结构内力分析

本文通过工程实践,介绍了推导小垂度悬索应力——应变方程的过程,提出了设计单曲率重屋盖悬索结构的方法及步骤,介绍了超载施加预应力以保持屋盖稳定和刚度的措施及计算公式;探索了用空间闭合框架与悬索组成的索——框结构的受力模型,并将其简化为平面杆系和梁系的分析方法;提出了“柱支连续曲(折)梁考虑梁跨变及柱高变的内力分析”步骤。     

悬索桥主缆成桥线形的解析计算

根据悬索桥在恒载作用下的力学特点,对悬索桥的主缆线形及无应力索长的计算方法进行了研究.采用悬链线单元建立悬索桥线形和无应力索长的计算公式,结合施工中加劲梁的架设特点,确定了成桥线形分析中的吊索力,还对计算悬索桥主缆线形的非线性方程组采用Newton-Raphson迭代格式求解并编制程序.最后通过算例验证了该方法的计算精度、有效性和稳定性,并将计算结果与其他文献的计算结果进行了分析比较.分析结果表明：该方法具有计算过程简洁和精度高的优点,其精度满足成桥几何线形的初步设计要求,适用于大跨度悬索桥的主缆线形和内力的计算与分析.     

温度对悬索桥索股垂度的影响分析

针对悬索桥主缆索股线形对温度变化敏感的特点,研究了主缆索股断面温度变化以及索塔塔身温度变化对索股线形的影响.考虑主缆索股沿跨度为同一温度,并根据无应力索长恒定不变的原理,给出了空缆状态下索股温度变化与垂度关系的迭代方法,以及温度导致的索塔偏位与索股垂度之间的相互影响,及相应的修正方法.比较了迭代修正法和有限元法分别计算得到的不同温差下索股垂度的改变量,两种方法计算结果吻合较好,最大偏差为9 mm,约为3%.分析表明,运用迭代方法修正由于温差引起主缆索股垂度变化量是可行的.     

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.     

松弛悬索体系几何非稳定平衡状态的找形分析

对于施工阶段松弛悬索体系的找形分析,体系的几何不稳定性将引起结构的刚度奇异,使仅适用于稳定结构分析的常规方法失效.针对此问题,基于"力密度法"的基本思想,提出-种给定单元原长的松弛悬索体系的找形方法.从单索特性分析入手,直接推导节点坐标和外荷载之间关系的基本方程,避免了刚度矩阵的建立.同时采用抛物线索单元,考虑了索的垂度效应.通过一个正交索网和一个悬挂索环的算例分析,验证了该找形方法的精确性和有效性.     

大垂度悬索结构的空间悬链线元

本文用虚功原理精确地导出考虑出平面刚度的悬链线元刚度矩阵,能用于分析任何大垂度悬索结构.算例表明出平面刚度在大垂度悬索分析中是不能忽视的.同时本文也指出,现有文献给出的考虑出平面刚度的大垂度悬链线元刚度矩阵是不完善的.     

悬索桥主缆成桥线形的计算方法

为了准确地计算悬索桥主缆的成桥线形和无应力索长,采用悬链线单元建立了确定悬索桥主缆线形和无应力索长的计算公式;对计算悬索桥主缆线形的非线性方程组采用Newton-Raphson方法求解,并详细地讨论了吊杆力的计算及悬索桥主缆线形和无应力索长的计算过程;最后通过算例验证了该方法的有效性、计算精度和稳定性,并将计算结果与其他文献方法的计算结果进行了比较。分析结果表明：该方法具有计算过程简洁和计算精度高的优点。     

自锚式悬索桥主缆成桥线形分析

基于悬链线解析模型,将加劲梁简化为刚性支承连续梁,根据悬链线索元的节点力与索单元投影的函数关系式,建立了自锚式悬索桥的分析模型.利用几何线形误差影响矩阵调整索端力,给出了求解主缆成桥线形和主缆无应力长度的非线形迭代方法.与有限元分析方法相比,该方法计算过程简单,精度满足成桥几何线形的设计要求,便于工程应用.算例分析表明,该方法计算结果与有限元方法计算结果具有较好的一致性.     

自锚式悬索桥体系转换实用计算分析

为设计阶段更简洁方便地计算自锚式悬索桥在其体系转换过程中各吊索的张拉力,提出一种基于主缆内力状态计算吊索力的实用计算方法,根据吊索张拉完成的程度将主缆划分为张拉完成段与自由悬挂段两部分,借鉴结构力学中位移法的求解思路,首先在主缆相应吊点处添加约束使主缆张拉完成段内力与目标状态内力一致,然后释放约束使各主缆节段自由变形达...     

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.     

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．     

三塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥成桥阶段活载模型试验研究

为研究三塔斜拉-自锚式悬索组合体系桥在成桥阶段活荷载作用下的结构受力性能,依据相似理论,制作了1∶20的全桥缩尺模型。利用模型试验研究了该体系桥在对称与非对称荷载作用下的结构力学特性,对加劲梁、吊杆、拉索、主塔与副塔的力学行为进行了分析。结果表明:在成桥阶段活载作用下,模型桥对称性较好、刚度较大、抗弯扭性能较好;模型桥能较准确地反映实桥的受力特性,所测得的试验数据,已成功用于指导实桥设计;理论计算值和实桥换算值与试验实测值吻合较好;模型桥及实桥均满足规范要求,该体系桥梁在使用阶段安全可靠。     

大跨径悬索桥索鞍处主缆长度计算方法

为了充分考虑索鞍对主缆长度的影响,兼顾操作便捷性与计算准确性,提出大跨径悬索桥索鞍处主缆长度解析计算方法. 首先,根据主缆与索鞍的几何关系,推导了索鞍处主缆曲线修正算法;然后,利用牛顿-拉菲森迭代法,对所得二元非线性方程组进行求解;最后,选取常见的主索鞍与散索鞍两组算例,验证该方法的可靠性. 结果表明:相比于传统算法,减少了6个方程与6个初始输入参数,表达形式更加明确;仅需输入两个参数,且对参数初始值设置没有严格要求,均可达到快速收敛的效果,增强了其可操作性;迭代次数减少50%,计算时间不足传统算法的10%,大大提高了计算效率,且计算精度可满足工程要求. 所提出的算法可方便地应用于建设期间主缆曲线长度以及索鞍位置的确定,使大跨径悬索桥的施工控制更为精准,进而确保其成桥状态满足设计要求.     

面向施工过程模拟研究的自锚式悬索桥试验模型设计与有效性评价

为解决自锚式悬索桥施工过程模拟研究中试验模型的有效性问题,以某在建自锚式悬索桥结构为原型,设计制作了该桥的1/20缩尺模型,利用有限元方法对模型桥的有效性进行了评价;设计了模型桥的配重和测试方案,并依据测试方案对模型桥的空缆线形和主塔动力特性进行测试与分析。结果表明：试验模型的空缆线形和主塔动力特性测试结果与理论设计结果吻合良好,试验模型设计有效。     

超大跨径三塔悬索桥加劲梁吊装方案

为了寻找超大跨径三塔悬索桥建设中更为有利的加劲梁吊装方案,以主跨2 000 m三塔悬索桥为对象,运用参数分析结合有限元数值模拟的方法研究了主、边跨加劲梁不同吊装顺序对边塔鞍座偏移量、主缆线型、合龙位置、合龙段施工方法以及吊装过程中结构动力响应的影响.结果表明,超大跨径三塔悬索桥主跨加劲梁宜从跨中向索塔方向吊装,边跨加劲梁宜从锚碇向边塔方向吊装,该方案下主缆水平倾角小,扭转基频较大,颤振稳定性更好,且采用预偏合龙方法时所需要的牵引力小,因而按该方案吊装对桥梁建设更为有利.     

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.