基于细长梁单元的悬索桥主缆线形分析

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。     

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。     

悬索桥主缆过三定点的精确线形数值解析计算方法

系统阐述了悬索桥分段悬链线理论及其基本方程,对变化刚度迭代法计算主缆线形进行了深入分析,发现了其不收敛的情况。对此,提出主缆过三定点的精确线形E-M解析计算方法,通过主缆平衡方程分别推导出末点和中间点标高与主缆左端水平和竖向分力H和V的解析关系式,得出综合考虑末点和中间点标高误差影响的H和V的修正迭代式。算例验证与有限元方法吻合较好,在吊索索力极不均匀的情况下,E-M计算方法仍能有效满足主缆线形过三定点的要求,收敛速度快精度高。     

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。     

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。     

基于Steffens-Newton法的空间索形悬索桥初始平衡状态分析

空间索形悬索桥的主缆、吊索相互耦合,用数值解析法精确求解其初始平衡状态时,面临收敛困难、算法要求严格的问题。本文建立了空间缆索的平衡方程,推导了误差调整方程。分别证明了平面索形所常用的线形变化刚度法及影响矩阵法在空间索形中不再适用。基于可调参数的Steffens-Newton法,提出一种高效的空间缆索耦合体系分析方法,...     

确定大跨径悬索桥主缆成桥线形的虚拟梁法

精确计算悬索桥主缆索形是悬索桥设计和实现施工开环控制的关键。本文通过柔计算的虚拟梁法,导出了确定大跨径悬索桥主缆成桥线形的非线性方程组,建立了索型迭代的计算流程。     

自锚式悬索桥钢混组合主梁施工预拱度分析

对自锚式悬索桥的主梁施工方法进行了总结与评价,指出顶推施工的钢混组合主梁即使在均匀成桥吊杆的作用下,其成桥线形仍会在最大跨临时墩范围内发生局部凹陷的情况,而主梁施工预拱度也不能采取圆曲线或二次抛物线在各跨径内统一布置。鉴于此,本文基于有限单元法对一座自锚式悬索桥的施工过程进行正装模拟分析,计算结果表明,钢混组合梁截面性质改变是引起主梁成桥线形存在凹陷的本质原因;同时将成桥状态的主梁简化为承受竖向均布荷载和梁端集中水平力作用的三跨连续梁结构,并采用力法推导了各跨跨中位置竖向位移的简化计算公式;经算例验证,本文提出的施工预拱度简化计算公式能够有效计入主梁截面性质改变对主梁成桥线形的影响,较准确地预测出主梁累计竖向位移,其计算精度满足工程需求,而本文的研究结论将对同类桥型的主梁施工预拱度设计有较强的指导意义和参考价值。     

悬索桥负载移梁过程静力学分析与试验研究

针对轨索移梁新工艺在悬索桥建设中的关键技术问题进行了理论分析和整体模型试验研究。根据柔索结构基本假定,建立了轨索移梁系统负载状态下的整体力学分析模型,并推导了主缆、吊索和轨索等各构件受力状态的计算方程。理论模型中,移梁小车所在轨索节段采用4个直线索单元模拟,其他位置的轨索节段采用1个直线索单元模拟。以矮寨悬索桥为工程背景,设计制作了轨索移梁体系的整体缩尺模型用以模拟移梁过程,测试了第一段梁从入轨到安装多个子工况的体系响应。理论计算结果与模型试验结果吻合良好,表明本文的计算方法正确有效,能解决轨索移梁工艺负载移梁过程中体系整体受力分析和轨索局部变形分析求解问题。该方法可简化计算过程,计算精度和结果能够应用于工程计算分析和求解,是一种适合于轨索移梁工艺负载状态下体系的分析方法。     

ANCF索梁单元应变耦合问题与模型解耦

索粱结构在土木工程、航空航天等领域有着广泛的应用.在各类索梁动力学建模方法中,由于绝对节点坐标方法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)能够描述柔性体的大变形和大转动问题,因此非常适合大变形索梁结构的动力学建模.对绝对节点坐标索梁单元的应变进行分析可知,弯曲变形会引起单元内部轴向应变的不均匀分布,即单元轴向应变与弯曲应变相互耦合.这种应变耦合效应使单元产生伪应变能,导致单元刚度增大,造成单元失真.分析不同弯曲角下的单元应变及应变能可知,弯曲变形越大,单元失真越严重.通过构造等效一维杆单元重新描述轴向应变,实现了轴向应变与弯曲应变解耦.在此基础上推导广义弹性力,得到了绝对节点坐标索梁单元的应变解耦模型.对解耦前后的两种梁模型进行静力学和动力学仿真,结果表明;解耦模型消除了单元伪应变,相比原模型表现出更好的收敛性和曲率连续性,在相同单元数目下具有更高的精度.同时由于解耦模型降低了单元刚度,因此相比原模型,速度曲线中不再有高频振动.     

具有滑移式散索鞍的悬索桥主缆架设分析

为分析悬索桥的主缆架设,首先建立了滑移式索鞍纵向复合圆曲线的数学描述方法,进而利用弹性悬链线的精确解,建立了两索鞍间索跨的分析方法,并用于确定由成桥几何控制参数确定的悬索桥成桥状态,随后通过移动鞍座寻找平衡位置,可得到空载时索鞍预偏量、各跨垂度、索股张力和索夹位置等重要参数。这种解析迭代法可以考虑散索鞍重量的影响,以及主梁的架设对索鞍支承面的弹性压缩。算例表明本文所建立的方法是正确的。工程算例还表明具有不同纵向曲线的索鞍对悬索桥结构的整体静力分析结果影响甚微,且忽略散索鞍的重量将使架设时锚跨侧索股的张拉力偏大。     

Analysis of Thin Beams and Cables Using the Absolute Nodal Co-ordinate Formulation

The purpose of this paper is to present formulations for beam elements based on the absolute nodal co-ordinate formulation that can be effectively and efficiently used in the case of thin structural applications. The numerically stiff behaviour resulting from shear terms in existing absolute nodal co-ordinate formulation beam elements that employ the continuum mechanics approach to formulate the elastic forces and the resulting locking phenomenon make these elements less attractive for slender stiff structures. In this investigation, additional shape functions are introduced for an existing spatial absolute nodal co-ordinate formulation beam element in order to obtain higher accuracy when the continuum mechanics approach is used to formulate the elastic forces. For thin structures where bending stiffness can be important in some applications, a lower order cable element is introduced and the performance of this cable element is evaluated by comparing it with existing formulations using several examples. Cables that experience low tension or catenary systems where bending stiffness has an effect on the wave propagation are examples in which the low order cable element can be used. The cable element, which does not have torsional stiffness, can be effectively used in many problems such as in the formulation of the sliding joints in applications such as the spatial pantograph/catenary systems. The numerical study presented in this paper shows that the use of existing implicit time integration methods enables the simulation of multibody systems with a moderate number of thin and stiff finite elements in reasonable CPU time.     

大跨径斜拉—悬索协作体系桥动力分析

斜拉-悬索协作体系桥作为一种新的超大跨径桥型，综合了悬索桥和斜拉桥的特点，国内外对这种桥型的研究尚少。本文根据空间有限元计算模型，对伶仃东航道斜拉-悬索协作体系桥设计方案进行了模态分析，分析了斜拉-悬吊协作体系桥的固有特性，讨论了不同主梁纵向约束方式和辅助墩的设置情况的影响，为此类桥型结构的动力性能分析提供了有价值的参考。     

考虑弯曲刚度斜拉索面内面外内共振分析

本文研究桥梁工程中含弯曲刚度斜拉索的面内面外内共振问题．描述了工程中斜拉索变形的三种状态,考虑弯曲刚度、大变形及垂度等因素,忽略斜拉索纵向惯性力的影响,运用Hamilton变分原理建立了含弯曲刚度的斜拉索面内面外耦合偏微分控制方程,采用Galerkin方法对偏微分方程离散,并运用多尺度摄动方法进行了求解,获得了斜拉索可能存在的内共振模式,以工程中一根斜拉索为例,运用有限元法对其进行动力特性分析,列出了斜拉索前10阶面内面外振动频率,找出面内面外可能产生内共振的模态,分别研究了主共振条件下斜拉索面内和面外1:1、2:1内共振情形,获得了有意义的结论．