三塔悬索桥桥塔适宜刚度体系研究

不同塔梁结合情况下的桥塔适宜刚度体系的研究对三塔悬索桥具有重要的意义。以泰州长江公路大桥为依托背景,针对塔梁固结体系、塔梁漂浮体系、塔梁半漂浮体系,通过改变中塔刚度,计算分析了中边塔刚度比、中塔刚度对跨中最大挠度和主缆抗滑移系数的影响。结果表明:主缆与鞍座间的摩擦系数取0.2的情况下,对于塔梁固结和半漂浮体系能够找到同时满足挠跨比限值（1/250～1/300）和抗滑移系数限值（2.0）的合理中塔刚度区间,对于塔梁漂浮体系不能找到同时满足挠跨比限值和抗滑移系数限值的合理中塔刚度区间。中边塔的刚度比不能有效反映桥塔刚度体系对跨中最大挠度和主缆抗滑移系数的影响,中塔的绝对刚度是二者的主要影响因素。适当地提高主缆与鞍座间的摩擦系数的取值能够增加中塔刚度的选择范围,具有较高的经济性和实用价值,建议三塔悬索桥中主缆与鞍座间的摩擦系数选取值可以放宽到0.25~0.3之间。     

悬索桥主缆线形计算和绘图实用方法

以悬索桥设计为研究对象,介绍了悬索桥主缆中跨与边跨悬链线的理论公式,并阐述了悬索桥主缆线形的计算及绘图方法,指出实际工程中,在吊索集中荷载作用下,主缆线形会发生变化,为防止变形过大,设计应考虑主缆的重力刚度要求。     

悬索桥主缆抗弯刚度引起的二次应力分析

为了研究悬索桥主缆考虑抗弯刚度引起的二次应力,以一座主跨为730 m的双塔单跨悬索桥为例,用索单元与空间梁单元组成的组合单元对主缆进行模拟,采用桥梁非线性分析软件BN-LAS建立有限元模型,通过改变组合单元中梁单元的抗弯惯性矩,分析了抗弯刚度对主缆边跨和主跨二次应力的影响;比较了加劲梁从跨中向桥塔方向吊装和从桥塔向跨中方向吊装2种不同吊装方案下的二次应力,研究吊装过程中二次应力的变化情况;分析了恒载作用下悬索桥的二次应力随跨度的变化,并与有限元结果进行比较。结果表明:主缆抗弯惯性矩对二次应力影响很小;吊装顺序对二次应力有较明显的影响;恒载作用下跨度越小,二次应力越大。     

应用碳纤维缆索的大跨度悬索桥抗风稳定性研究

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空气静力和动力稳定性分析。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稳定性的影响。分析结果表明:大跨度悬索桥采用碳纤维复合材料主缆后,静风作用下结构的变形增大,但其静风稳定性却与钢主缆悬索桥基本接近;由于结构自振频率特别是扭转频率有显著的提高,使得其空气动力稳定性要比钢主缆悬索桥好。因此从抗风稳定性角度而言,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的准则。     

独柱塔空间缆索自锚式悬索桥动力特性分析

为研究独柱塔空间缆索自锚式悬索桥的动力特性,以南京江心洲大桥为工程背景,运用有限元软件Midas/civil 2015,分别建立了成桥状态的墩底固结模型和桩-土相互作用模型,对比分析了桩-土相互作用对结构动力特性的影响,并分析了恒载集度、加劲梁刚度、桥塔刚度、主缆刚度以及吊杆刚度对该类桥梁动力特性的影响规律。分析结果表明,考虑桩-土相互作用时,结构自振周期延长了1.4s,并且振型发生了变化;恒载集度主要影响结构竖弯振型;加劲梁竖向刚度对结构竖弯振型影响较大;加劲梁扭转刚度对结构各主要振型影响均不明显;桥塔纵向刚度主要影响结构纵飘振型;桥塔横向刚度对桥塔横弯振型影响较大;主缆抗拉刚度主要影响加劲梁竖弯振型;吊杆抗拉刚度的提高对结构整体刚度的贡献可以忽略。     

自锚式悬索桥动力特性研究

以三汊矶自锚式悬索桥工程为例,利用通用有限元分析软件ANSYS建立大桥的动力模型,计算了前16阶频率及振型,并具体分析了恒载、加劲梁刚度、桥塔刚度等结构参数,提出了自锚式悬索桥动力特性的影响规律。     

悬索桥易损性分析与简化模型

对中国当前已建和在建的车行悬索桥进行了统计分析,总结其分类特点,得到了统计意义上桥梁主要参数间的关系,并利用线性拟合得到趋势拟合公式。选取3座典型悬索桥（双塔地锚式平行双索面桥、双塔自锚式平行双索面桥、独塔自锚式空间索面桥）建立有限元模型,对影响悬索桥振动的主要参数进行了敏感度分析;利用塔底弯矩曲率曲线确定不同等级的损伤指标,采用增量动力分析(IDA)法得到地震反应需求值,通过计算不同损伤指标的能力需求比,对悬索桥的易损性进行分析。针对震后灾害快速评估的需求,建立单塔简化模型来计算易损性曲线。结果表明:对算例桥梁而言,主塔顺桥向弯曲振动,主塔刚度对自锚式平行索面悬索桥影响大,主缆刚度对地锚式平行索面悬索桥影响大;横桥向主塔刚度对3座桥影响均较大;地锚式悬索桥比自锚式悬索桥易损,而自锚式悬索桥中双塔平行索面桥抗震性能优于独塔空间索面桥;单塔简化模型在一定程度上能够满足震害后快速评估的需求,误差基本在工程上可以接受的范围。     

中小跨径悬索桥主缆线形简化计算方法研究

悬索桥主缆线形的计算在悬索桥设计与施工控制中具有十分重要的意义,针对精确的计算理论在有限元迭代计算中难以收敛和耗费大量计算时间的缺点,考虑到中小跨径悬索桥的小垂度主缆的特点,给出不同重力刚度下索单元与梁单元相互转化的理论依据,从理论上保证了在主缆线形计算中采用梁单元模拟主缆的可行性;介绍了梁单元几何非线性计算的基本原理与基本方法,并通过固镇县浍河二桥主缆线形计算验证了方法的可靠性。实际计算结果表明,对于中小跨径悬索桥主缆线形所采用的这种简化计算方法,具有计算速度快、算法稳定、易于收敛的优点。     

大跨度悬索桥施工过程中主缆二次应力实测研究

悬索桥主缆钢丝的实际应力关系到主缆的安全储备,为研究大跨度悬索桥施工过程及成桥时主缆断面的应力状态,对南京长江四桥加劲梁吊装过程中桥塔索鞍附近主缆断面的应力进行了现场实测。实测结果表明主缆断面的二次应力主要由钢丝的不均匀轴向应力组成,主缆二次应力随着施工进程在嵌固端处逐渐积累,且变化趋势与主缆在索鞍处的转角变化一致。根据测试数据建立主缆二次应力的拟合曲线,以此来计算个别无测试数据工况的断面二次应力,最终得到南京长江四桥施工全过程的主缆断面二次应力变化曲线。在成桥状态时,桥塔索鞍两侧出口处主缆的二次应力最大,分别为171MPa、136MPa,与平均轴向应力之比为0.26、0.21。研究成果可为大跨度悬索桥主缆的设计及安全储备的确定提供有价值的参考。     

考虑主缆弯曲刚度后对悬索桥的影响

通过完全无弯曲刚度的链条“主缆”模型与有一定弯曲刚度的铁丝“主缆”模型的对比试验,及针对试验情况所进行的有限元分析,初步研究了考虑悬索桥主缆弯曲刚度后的影响情况。试验结果以及数值模拟计算结果均表明,随着悬索桥跨度的增加,主缆垂跨比的减小,主缆实际存在的弯曲刚度对垂度的影响较大,如果再考虑索夹局部加强作用等的因素,则对一些悬索桥的受力和变形可能产生不利的影响,因此应该考虑主缆实际存在的弯曲刚度。     

装配式预应力鱼腹式钢支撑系统的刚度研究

在采用弹性支点法进行支挡结构计算时,需用到支撑结构的弹性支点刚度,而装配式预应力鱼腹式钢支撑系统因其特殊性,当前尚无方便有效的公式用于计算其系统刚度。文章引入鱼腹梁等效平均刚度的概念,推导装配式预应力鱼腹式钢支撑系统施加预应力前后刚度的简化表达式,并采用有限元软件进行验证。同时以厦门市钻石大厦基坑项目实际工程为背景,将三维有限元高精度数值模拟结果分别与现场监测数据和理论推导结果进行对比分析,一方面,有限元结果与现场监测数据的土体深层水平位移变化趋势总体上吻合,表明有限元可较为准确地模拟基坑实际的发展规律;另一方面,有限元分析得出的支撑系统刚度与理论推导结果总体上相差不大,表明文章所推导装配式预应力鱼腹式钢支撑系统刚度的简化公式较为准确,可供相关设计人员适用或参考。     

Improved Method for Shape Finding of Long-Span Suspension Bridges

In recent years, many long-span suspension bridges have been constructed and the shape finding is a key issue in the design stage. This paper presents an improved shape-finding method which can overcome the shortcomings of the previous shape-finding method. The improved method is based on the common finite element analysis and convenient to be widely used in normal engineering practice. The main step can be summarized as follows. First, the vertical force components of the hangers are determined according to the construction method. Second, in the midspan, the initial equilibrium state of the main cable is calculated iteratively based on the Newton–Raphson method. Third, in the side span, the shape finding for the main cable is executed according to the horizontal force equilibrium of the pylon. Finally, the full-bridge model is obtained and examined carefully. The improved method is demonstrated through one suspension bridge with a planar cable system and one with a spatial cable system. The results show that the improved method is more efficient and accurate compared with the previous shape-finding method.     

大跨度悬索桥颤振可靠度分析的改进响应面法

介绍一种新的计算悬索桥颤振可靠度方法——改进响应面法。该方法利用传统响应面法将极限状态方程近似表达为简单的多项式形式,有效地解决FORM和SORM无法求解隐式极限状态方程的可靠度问题。另外,改进响应面法的使用还能有效地利用现有的确定性颤振分析软件。通过引入有限元方法,改进响应面法可应用于悬索桥颤振可靠度问题。通过使用重要抽样技术,提高改进响应面法的计算效率和计算精度,有效地解决传统响应面法在结构可靠度较大或失效概率较低时出现的迭代不收敛问题。数值算例验证该方法的效率和精度。最后,用该方法计算江阴长江大桥的颤振可靠度,结果表明基于经验公式的改进响应面法会过高地估计大跨度悬索桥的颤振可靠度。实际的悬索桥颤振可靠度应该采用基于有限元法的改进响应面法进行计算。     

中塔纵向刚度对三塔缆索承重桥静力特性影响

简述三塔斜拉桥和三塔悬索桥的静力特性,提出三塔斜拉一悬索协作体系桥梁,用ANSYS软件对三塔缆索承重桥梁各体系建立三维有限元模型,分析比较各体系的静力特性及讨论中塔纵向刚度对各体系结构性能的影响。     

Flutter reliability analysis of suspension bridges

A reliability analysis method is proposed in this paper through a combination of the advantages of the response surface method (RSM), finite element method (FEM), first-order reliability method (FORM) and the importance sampling updating method. The method is especially applicable for the reliability evaluation of complex structures of which the limit state surfaces are not known explicitly. After the accuracy and efficiency of the method are demonstrated through numerical examples, the method is used to estimate the flutter reliability of a suspension bridge. The uncertainties such as material properties, geometric parameters, structural damping ratio, flutter derivatives and extreme wind velocity at the bridge site are considered. The example suspension bridge is the Jiang Yin Bridge with a main span length of 1385 m built in China. The results show that the proposed method based on an empirical formula in which the limit state function is explicitly represented as a function of variables overestimates the flutter reliability of suspension bridges. The actual flutter reliability should be more accurately analyzed using the proposed method based on the deterministic finite element method in which the limit state function is implicitly represented as a function of variables. Finally, the most influential random variables on flutter reliability of suspension bridges are identified by using a sensitivity analysis.     

System reliability of suspension bridges

Provisions for the design of existing suspension bridges often rely on a deterministic basis. Consequently, the reliability of these bridges cannot be assessed if current provisions are applied. In order to develop cost-effective design and maintenance strategies for suspension bridges a system reliability-based approach has to be used. This is accomplished by a probabilistic finite element geometrically nonlinear analysis approach. This study forms part of an investigation into the system reliability evaluation of geometrically nonlinear large span bridges recently undertaken at the University of Colorado. A brief review of reliability analysis of geometrically nonlinear elastic structures allows for the determination of its relevance to the assessment of suspension bridges. A probabilistic finite element geometrically nonlinear elastic code is used for system reliability evaluation of suspension structures. The allowable stress design procedures used by the Honshu Shikoku Bridge Authority for the design of suspension bridges are presented along with their application to the design of an existing bridge. This bridge is studied from a system reliability viewpoint to evaluate its reliability under different loading and damage scenarios. Such information calls attention to the fact that the reliability of cables, hanger ropes and girders are very different. Therefore, optimal maintenance decisions for suspension bridges designed according to allowable stress method are not consistent with those based on equal component reliability values.     

大跨度非对称悬索桥振动基频的参数敏感性分析

为了研究大跨度非对称悬索桥的动力特性,基于ANSYS软件建立了某大跨度主缆不等高支承悬索桥的三维有限元模型。在计算自振频率时考虑了表征结构非对称的参数,进行了前20阶模态分析,并分析了矢跨比、结构非对称参数、加劲梁抗弯刚度及主塔抗弯刚度等关键结构参数对其振动频率的影响。研究结果表明：不同的参数对非对称悬索桥振动基频的敏感性不同,一阶竖弯和扭转频率随矢跨比的增大减小,相对于正对称的振动频率,反对称的频率对矢跨比参数更敏感;非对称悬索桥的一阶反对称竖弯和扭转基频不受非对称结构参数的影响,而正对称竖弯和扭转基频随非对称结构参数的增大而减小;一阶横弯的自振频率对加劲梁刚度的变化非常敏感,当加劲梁的抗弯刚度增加到原来的3倍时,结构原有的振型次序发生了改变,但主塔抗弯刚度参数的变化对结构各向频率的影响很小,研究结果可为非对称悬索桥的结构设计和动力分析提供参考。     

薄柔钢框架端板连接节点初始刚度的刚度系数计算法

以组件法获取的端板连接节点初始刚度计算公式为基础,提出表征连接构造刚性的刚度系数概念,并导出以刚度系数为主要变量的初始刚度计算公式。通过对薄柔钢框架中端板连接节点的初始刚度进行参数计算,拟合出不同节点构造下刚度系数的计算公式,得出节点初始刚度计算的刚度系数法。通过与试验和有限元数据对比表明,该方法具有良好的精度,同时给出刚度系数法的简化计算方法,同样具有较好的精度。