自锚式悬索桥主缆状态影响参数分析

对自锚式悬索桥主缆的空缆状态和成桥状态进行了影响参数分析。以主缆线形、主缆对主索鞍水平分力和合力作用点位置为控制目标,定义了主缆合理成桥状态;以吉林市雾凇大桥为例,建立了主缆有限元模型。改变模型参数,计算主缆在不同参数下的空缆状态和成桥状态,并将其与基准状态进行比较,具体研究各影响参数对主缆状态的影响情况。主缆自重和空缆架设温度均对主缆状态影响甚微,中跨主缆无应力索长主要影响其自身线形,而边跨无应力索长会对各控制目标均造成较大影响;以空缆架设线形为控制条件时,发生在空缆架设前的主索鞍和后锚面位置偏差对主缆成桥状态不构成影响,但其发生在成桥运营阶段的变形会严重影响主缆成桥状态。工程实例分析结果表明,主缆抗拉刚度和成桥吊杆力均会对主缆成桥状态造成一定影响,建议在空缆架设前实测主缆抗拉刚度和梁段标准节间重量,控制两者偏差在合理范围内;建议对空缆架设线形设置预抬高,以抵消主索鞍和后锚面在成桥阶段的变形,该结论对自锚式悬索桥的空缆架设工作具有较强的指导意义和参考价值。     

悬索桥结构分析中的索-鞍座单元

为在悬索桥结构的有限元分析中真实、简洁、高效地模拟索鞍,本文建立了一类新的单元。新单元包括索段的一端固定在与其接触部分为单一半径圆弧的索鞍上,另一端分别位于索鞍两侧的两节点“左索-鞍座单元”和“右索-鞍座单元”,以及索段两端点分别位于索鞍两侧,中间一点固定于鞍座上的三节点“索-鞍座单元”,后者的鞍槽可为两不同半径圆弧的组合。根据要求的成桥状态几何参数确定结构的无应力状态时,可利用前二者进行悬索桥的单跨分析。新单元通过自动调整索与鞍座的脱离点而处于平衡状态,从而简化了计算。单元算法的推导基于有限元分析的基本原理和弹性悬链线的精确解,并利用了处于平衡状态时索与鞍座之间的内力关系。新单元可象常规单元一样直接用于成桥状态或施工过程中悬索桥结构的有限元分析。设计的算例验证了新单元的正确性,并举例说明了新单元在悬索桥结构分析中的应用。     

大跨度悬索桥索股抗弯刚度对锚跨张力测试精度的影响研究

为研究索股抗弯刚度对张力测试精度的影响,基于能量法推导了计入索股抗弯刚度和忽略索股抗弯刚度影响的悬索桥锚跨索股在两端铰接时索股张力和自振频率的关系,考虑到悬索桥索股边界条件的复杂性,结合动平衡法得出了索股在一端铰接一端弹性支承时索股张力与自振频率之间的相关表达式。通过算例,对所得表达式的精度及有效性进行了验证,结果发现索股的抗弯刚度对索股张力控制精度的影响较大。工程应用研究则表明,索股抗弯刚度对测试精度的影响,主要由索股张力产生的应力刚度与索股抗弯刚度之间的比值决定;锚跨索股边界条件的不确定性,对控制精度也产生较大影响,施工锚跨张力控制过程中,结合提出的最小二乘法,能有效地解决该问题,并能大幅提高索股张力控制精度。     

架设阶段悬索桥静力问题的随机有限元分析

架设阶段的悬索桥不仅具有显著的几何非线性行为，而且存在材料特性的变异。本文建立了以增量形式表达的非线性摄动法随机有限元列式，并编制了悬索桥静力分析程序ＳＮＡＰ。针对一座国内在建的悬索桥，计算了该桥在某一施工阶段考虑缆索弹性模量随机性时主梁跨中点位移的变化。结果表明，材料随机性的影响十分明显。     

非滑移刚度理论下的空缆线形半解析算法

为设计阶段更简洁和准确地计算悬索桥空缆线形，提出了一种锚跨水平张力-预偏量-修正水平力迭代过程的非滑移刚度理论计算方法。基于分段悬链线理论，探讨了空缆线形计算存在的三种不同情况，并以此为计算思路。在任一锚跨水平张力作用下，考虑鞍座对空缆线形的影响，以各跨无应力索长不变与鞍座两侧的力或力矩平衡为准则，推导了各跨左右鞍槽接触段和悬空段的内力与线形平衡方程，以及迭代过程中待求参数之间的影响矩阵及修正方法，以右边塔索鞍处不动点里程坐标误差为收敛条件，采用了二分法迭代出理论的左锚跨水平张力，进而得到空缆状态下各索鞍的预偏量以及各跨索段内力与线形。通过算例比对，验证了本文方法的可靠性。结果表明，在成桥状态下结构参数已知的基础上，仅需求解左锚跨水平张力一个变量参数，即可得到各跨索股线形与内力以及鞍座预偏量。相比传统的滑移刚度理论方法，本文方法迭代过程方便简洁，易收敛且精度高，无需往复固定或释放一个鞍座约束进行迭代求解，提高了计算效率，适用于任意跨对称或非对称空缆线形的计算。     

确定悬索桥主缆成桥线形的参数方程法

假设悬索桥主缆自重沿弧长均匀分布，加劲梁、桥面等其余恒载沿水平均匀分布，导出了悬索桥主缆成桥线形的参数方程解。然后由边界条件及连续性条件，建立了确定主缆成桥线形的非线性方程组。根据中跨方程组可求出成桥状态主缆张力水平分量和中跨端点处对应的参数，再由中跨与边跨主缆张力水平分量相等的假定，根据边跨方程组来确定边跨端点处的参数。这样，主缆吊点坐标计算最终被转换成求解一个非线性方程。本文采用拟牛顿法求解非线性方程组，采用对分法求解非线性方程，算例结果表明本文方法具有适合程序计算、收敛速度快、计算精度较高的特点。     

悬索桥的非线性分析

为进行悬索桥的几何非线性分析，建立了梁单元的刚度矩阵及有关算法，通过算例验证了方法是可行的。     

主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移机理研究

在悬索桥的服役过程中，由于桥梁恒载、风载以及车流量变化导致的动态载荷，使得鞍座两侧的主缆受到的力不平衡，从而引起主缆与鞍座间的动态接触和微滑移.当不平衡力超过主缆与鞍座间的静摩擦力，主缆与鞍座间将发生滑动，将导致悬索桥结构失稳，甚至可能造成桥梁坍塌.因此，揭示主缆和鞍座之间的动态接触和微滑移特性对增强主缆的抗滑性和确保大跨度悬索桥的稳定性至关重要.本文作者运用自制试验平台,模拟悬索桥实际服役环境中动载工况下的主缆索股与鞍座间动态接触与微滑移行为，通过开展接触摩擦试验并对接触界面进行实时监测来研究接触摩擦机理揭示了典型工况下主缆索股与鞍座间的动态接触与微滑移机理(接触状态、微滑移幅值、摩擦系数以及接触压力等).结果表明：主缆索股承受动态载荷时各个索股个体与鞍座间的接触状态存在差异，外层索股与鞍座间的接触面均为完全滑动状态，内层索股与鞍座间的接触状态为接近完全滑动状态的部分滑动状态，主缆索股整体承受较大动载时外层索股与鞍座间更容易发生完全滑动，索股间产生分层滑移现象，不同索股的微滑移幅值由内层到外层依次增大；随着加载力的增大，从内层索股至外层索股，滑移距离增长速率依次增大，从固定端到加载端...     

悬索桥线形分析的悬链线单元法

从悬链线方程出发,以节点坐标和无应力索长作为未知量,推导了增量型索单元的刚度方程,提出了悬索桥在恒载作用下初始线形和无应力索长的计算公式及基于Newton-Raphson的求解方法.算例分析表明本文方法具有较高的精度.     

预应力钢桁架结构分析中的摩擦滑移索单元

为精确模拟预应力钢桁架中连续长索在支撑点的滑动,本文创建了一种考虑摩擦力影响的新单元。被称为摩擦滑移索单元的新单元有三个节点,中间节点为支撑点。本文首先利用弹性悬链线的解析解,建立了弹性悬链线单元,并推导了单元两端点的张拉刚度。摩擦滑移索单元由两个弹性悬链线单元组合而成,根据支撑点处索的滑动方向、索力差、滑动摩擦力和滑移刚度调整两索段的原长,使支撑点两侧的索力满足给定的摩擦关系。算例验证了新单元算法的正确性和高效性,对设计的预应力钢桁架的分析,显示了张拉过程中及使用荷载作用下新单元在结构分析中的应用。新单元可直接用于常规的有限元分析,研究在工作状态或施工中存在连续长索滑移的索结构。     

索托桥结构分析的滑移索单元法

为在索托桥的结构分析中精确模拟连续长索的滑动,本文创建了一种新的单元。被称为“滑移索单元”的新单元有三个节点,以点接触的形式模拟索从下方绕过滑轮,它可以通过自动调整两侧索段的长度而使单元处于平衡状态,从而简化了计算。新单元算法的推导基于有限元分析的基本原理和弹性悬链线的解析解,并利用了平衡状态时单元内力之间的关系。本文介绍滑移索单元的推导过程,用设计的算例验证了它的正确性,分析了连续长索的滑移对索托桥桥面竖向变形的影响。新单元可以直接用于常规的有限元分析中,研究处于工作状态或在施工中的索结构。     

基于细长梁单元的悬索桥主缆线形分析Study on main cable shape of suspension bridge based on slender beam element

悬索桥主缆线形的精细化计算需要同时考虑弯曲刚度及初始弯曲的影响，为此将主缆离散为小挠度的细长梁单元，推导包含自重项的细长梁单元的刚度矩阵，其中考虑了轴力对弯曲刚度的影响及弯矩引起的轴向刚度修正系数。基于细长梁单元编制主缆线形计算的有限元程序，采用改进的迭代法求解几何非线性结构的平衡状态，并考虑鞍座处主缆线形的修正。利用程序计算了两座悬索桥主缆在恒载作用下的变形，结果表明，主缆弯曲刚度对跨中和桥塔附近主缆线形的影响较大，且矢跨比越大，主缆线形的计算误差就越大。由弯曲刚度引起的主缆线形计算误差将会带来吊索下料长度计算不准确、索夹放样坐标不准确、成桥桥面线形达不到设计线形以及成桥吊索力分布不均匀等问题，尤其是对矢跨比较大的自锚式悬索桥，需要在设计和施工中引起足够的重视。     

双缆悬索桥空缆状态主缆抗滑安全性研究

为指导双缆悬索桥上下缆垂跨比的取值，明确双缆悬索桥施工阶段主缆抗滑稳定性，提出一种主缆在施工阶段空缆状态下的抗滑安全系数计算方法。基于上缆变下缆的主缆布置方式，通过双缆悬索桥成桥状态反推空缆状态主缆垂度，根据空缆状态下主缆线形为悬链线计算中塔塔顶鞍座处缆力及包角，并据此计算空缆状态抗滑安全系数。建立多塔悬索桥有限元模型对提出的公式进行验证，分析成桥状态上下缆垂跨比和桥梁跨度的取值对空缆到成桥状态主缆垂度变化以及抗滑安全系数的影响。结果表明，采用本文公式计算的双缆悬索桥空缆状态下抗滑安全系数精度较高；上下缆垂跨比对空缆状态主缆抗滑安全性影响较大，抗滑安全系数随着上下缆垂跨比差值的增大迅速减小；空缆状态主缆抗滑安全系数受跨度影响不大，其随跨度增大略有提高。在实际的双缆悬索桥初步设计过程中应考虑施工阶段主缆抗滑稳定性，选择适宜的上下缆垂跨比，采取措施提高施工阶段主缆抗滑安全性。     

Non-linear closed-form computational model of cable trusses

In this paper the non-linear closed-form static computational model of the pre-stressed suspended biconvex and biconcave cable trusses with unmovable, movable, or elastic yielding supports subjected to vertical distributed load applied over the entire span and over a part (over the half) of the span is presented. The paper is an extension of the previously published work of authors [S. Kmet, Z. Kokorudova, Non-linear analytical solution for cable trusses, Journal of Engineering Mechanics ASCE 132 (1) (2006) 119-123]. Irvine's linearized forms of the deflection and the cable equations are modified because the effects of the non-linear truss behaviour needed to be incorporated in them. The concrete forms of the system of two non-linear cubic cable equations due to the load type are derived and presented. From a solution of a non-linear vertical equilibrium equation for a loaded cable truss, the additional vertical deflection is determined. The computational analytical model serves to determine the response, i.e. horizontal components of cable forces and deflection of the geometrically non-linear biconvex or biconcave cable truss to the applied loading, considering effects of elastic deformations, temperature changes and elastic supports. The application of the derived non-linear analytical model is illustrated by numerical examples. Resulting responses of the symmetric and asymmetric cable trusses with various geometries (shallow and deep profiles) obtained by the present non-linear closed-form solution are compared with those obtained by Irvine's linear solution and those by the non-linear finite element method. The conditions for the use of the linear and non-linear approach are briefly specified.     

在中支座可滑动的两跨连续索的静力分析

基于非线性弹性理论,从单索的平衡出发,在索元的无应力长度已知情况下,提出了两跨连续索在中间节点滑移的初始平衡位置确定及均布荷载作用下的静力响应分析方法,建立了其非缄性计算的基本理论、公式和求解方法,并进行了实例计算。     

Measurement of Strain/Load Transfer in Parallel Seven-wire Strands with Neutron Diffraction

The elastic strains induced in the constituent wires of parallel wire strands under tensile loading were measured using neutron diffraction. The elastic strains carried by the individual wires depended very strongly on the boundary conditions at the grips and on radial clamping forces. The friction forces between the wires were quite significant and should not be neglected in analytical or numerical formulations of strain partitioning in parallel wire cables.