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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

悬索桥空间缆索实用找形方法

针对现存分段悬链线法和有限元法在悬索桥空间缆索找形方面存在对初值敏感和容易发散等问题,本文提出了一种实用方法.基于空间缆索纯索体系的有限元模型,以缆索节点坐标和单元内力为未知参数,通过小弹性模量法确定迭代初值,采用内循环参数更新外循环坐标修正的嵌套循环迭代计算空间缆索线形.三个算例分析结果表明,本文方法计算精度与分段悬链线法一致,且具有迭代次数更少、收敛性更好和计算效率更高的优点,适用于纵桥向斜吊杆空间缆索的线形计算.     

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,...     

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。     

悬索的变原长计算模式

本文从非线性弹性理论出发,采用泛函内积形式,建立了悬索非线性计算模式。提出了变原长迭代计算的基本思想,就一端固定、另一端张力已知的悬索模型,从Reissner变分理论出发,导出了该模式的非线性有限元的基本方程,使计算量大大减少。     

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。     

张拉结构非线性分析两节点曲线单元有限元法

提出适合张拉结构几何非线性分析的两节点曲线单元有限元方法．假定索元的初始形状呈二次抛物线,根据单索的平衡条件、几何和物理关系建立了索元的位移函数;由拉格朗日应变的定义建立了可以考虑任意次高阶位移影响的索元轴向应变的精确表达式,并基于拉格明日描述方法和虚功原理得到了索元的非线性平衡方程与切线刚度矩阵．采用荷载增量法与Newton－Raphson法相结合的混合法进行了实例计算,结果表明：本文方法的精度明显优于两节点直线索单元,适合于大跨度索阿、索穹顶等张拉结构的几何非线性分析．     

巨型钢框架——拉索吊挂结构拉索参数确定方法

如何确定拉索参数是巨型钢框架——拉索吊挂结构的关键问题. 基于简化模型推导了竖向载荷下结构内力及变形的求解方程;依据牛顿定律分析了水平载荷作用下, 不同的滑移状态拉索对框架受力变形的影响, 得到了拉索索力增量最大值的关系式;最终, 根据"正常使用状态下, 巨型梁的挠度满足规范要求"的拉索参数确定准则, 建立了首先确定拉索截面积、再确定拉索预拉力的确定方法. 为巨型钢框架-拉索吊挂结构的性能评判和初步设计奠定理论基础.     

工程索结构动力学:非线性建模与分析

索结构因其轻、柔及高强度等特性被作为受拉构件广泛应用于工程领域.一方面,环境载荷激励下索结构产生了复杂的大幅动力响应,给结构带来危害;另一方面,索结构是一个同时含有平方和立方非线性的典型力学系统,具有非常丰富的非线性动力学行为.因此,索动力学的研究受到了工程界和力学界的广泛关注,产生了大量的研究成果.本文尝试从索结构动力学建模、非线性内共振分析、支座运动激励下的索动力学以及复杂环境载荷作用4个方面对索动力学研究进行总结,并讨论目前研究的局限性.     

巨型钢框架--拉索支撑结构中拉索的抗侧机理

研究巨型钢框架-拉索支撑结构中预应力拉索的抗侧机理,为确定拉索参数提供理论依据. 基于预应力的作用形态及力学原理分析得到预应力拉索的抗侧机理,推导了预应力拉索抗侧刚度理论公式. 从模型试验的角度进一步研究,将模型试验的结果与理论推导及数值分析的结果进行对比分析,最终验证了预应力拉索的抗侧机理：预应力为柔性拉索建立轴向刚度和稳定性,使预紧过的拉索既可承受拉力,也可承受压力,从而为结构提供弹性约束支撑.     

斜拉桥索力优化的强次可行序列二次规划法

提出了一种斜拉桥索力优化的实用方法-强次可行序列二次规划法. 该方法通过建立斜拉 桥索力优化的非线性规划模型，以主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数，斜拉索的索力为设 计变量，结构应力和索力为约束条件，计入大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响，采用 强次可行序列二次规划算法进行优化求解，确定斜拉桥成桥合理状态的索力. 运用该方法对 某斜拉桥进行索力优化，结果表明该方法简单、有效.