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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

On the aerostatic divergence of suspension bridges: A cable-length-based criterion for the stiffness degradation

Motions of a suspension bridge immersed in turbulent wind flows, including both mean and stochastic, can under certain conditions lead to the degradation of the structure׳s torsional stiffness and ensuing aerodynamic torsional divergence (ATD). It is the incompressibility of the main cables that determines their effectiveness as supporting members be limited in a tension state, and dropping out of either one cable from a tension state could result in the vanish of the torsional stiffness contributed by the whole cable system. Although the physical conception is quite explicit, evaluation of the critical threshold of ATD of a suspension bridge, when experiencing stochastic aerodynamic responses, can be complicated by the deformations of the towers, the lateral oscillations of the deck and cables, and other high-order modes participating in the vibration. In view of this, a criterion based on the tracking of the length of the main cables is presented in this study. It is shown that, with the numerical example, the advent of ATD, the degradation of the system׳s stiffness, as well as some striking post-ATD behaviors, can be well explained with the proposed model by tracking the cable lengths.     

千米级斜拉桥施工过程中主梁的预转折角研究

斜拉桥安装、张拉、起拱等系统的施工金过程分析和控制技术是一项涉及斜拉桥质量和安全的关键技术问题。本文以某千米级斜拉桥为例,采用一阶最优化计算方法来确定斜拉桥的合理施工状态。以成桥后主梁的线形为目标函数,施工中主梁节段的预转折角为设计变量,建立了斜拉桥施工控制的空间非线性有限元分析模型,模拟了钢箱主梁的悬臂拼装过程,求出各施工阶段节段的预转折角。     

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。     

碳纤维复合材料拉索的非线性力学性能

采用解析法分析碳纤维复合材料(CFRP)拉索的非线性力学性能,通过与钢拉索对比分析,得出了CFRP拉索的受力特点.由于密度低,CFRP拉索自重应力、垂度约为钢拉索的1/5,承载效率也比钢拉索高许多,其承载极限长度为钢拉索的7倍,且随跨径增大,钢拉索的等效弹性模量下降非常快,而CFRP索仍保持较高值.由于CFRP线胀系数比钢材的线胀系数要小得多,约为其1/14,在温差与约束相同时,无垂度CFRP索温度应力仅为无垂度钢索的1/23.当有垂度时,钢索的温度应力降低,CFRP索的温度应力变化很小.     

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。