[博士]自錨式懸索橋非線性分析與試驗(yàn)研究

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　　[博士]自錨式懸索橋非線性分析與試驗(yàn)研究　　學(xué)科專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程　　授予學(xué)位：博士 　　學(xué)位授予單位：大連理工大學(xué)　　學(xué)位年度：2004　　 自錨式懸索橋以其造型美觀、經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到工程界的青睞，在國(guó)內(nèi)外，己有多座自錨式懸索橋建成和建造中。自錨式懸索橋無(wú)論是在施工方面，還是在成橋后的受力方面，與地錨式懸索橋都有很大的區(qū)別，存在自身的特點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)際，在自錨式懸索橋的受力性能、極限跨度、極限承載力以及施工控制方面進(jìn)行了研究和探討，具體研究?jī)?nèi)容如下:　　 (1)基于有限位移理論，針對(duì)自錨式懸索橋的受力特點(diǎn)，全面考慮大位移效應(yīng)、主纜垂度效應(yīng)、初始內(nèi)力效應(yīng)、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失等因素對(duì)自錨式懸索橋的非線性影響，給出了適于自錨式懸索橋非線性分析的有限元方法。利用有限位移理論，對(duì)一座跨度24伽的自錨式混凝土懸索橋進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)跨徑達(dá)到2}}m的自錨式懸索橋近似滿足彈性理論，非線性行為可以忽略;增大主纜矢跨比和加勁梁拱度，可以提高結(jié)構(gòu)剛度，減小活載產(chǎn)生的內(nèi)力;加勁梁的混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形影響較大;在施工階段，主梁因壓縮和混凝土收縮徐變產(chǎn)生的變形對(duì)主纜線形影響很大，在確定主纜空纜線形時(shí)應(yīng)加以考慮?！　? (2)推導(dǎo)了常見(jiàn)的雙塔三跨式自錨式懸索橋和單塔兩跨式自錨式懸索橋的極限跨度的表達(dá)式，研究了極限跨度與主纜矢跨比兄、邊跨與中跨跨度比a、索塔高度與跨度比聲、二期恒載、活載等影響因素的關(guān)系。結(jié)合目前橋梁常用的材料，考慮主要因素的影響，對(duì)混凝土加勁梁和鋼加勁梁自錨式懸索橋的極限跨度進(jìn)行了具體研究，給出了相應(yīng)的極限跨度。研究結(jié)果表明，要想增大自錨式懸索橋的極限跨度，可以采取以下措施:中跨主纜采用較大的矢跨比;主纜和加勁梁采用高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料;盡量減輕二期恒載?！　? (3)為了分析自錨式懸索橋的極限承載力，首先給出了平面梁?jiǎn)卧紤]材料非線性的折減剛度法，建立了考慮滑移非線性效應(yīng)的鋼一混凝土組合梁非線性分析的“雙層梁”有限元模型，推導(dǎo)了考慮滑移效應(yīng)的剪力連接件單元?jiǎng)偠染仃??！　? 通過(guò)對(duì)三座實(shí)際自錨式懸索橋的彈塑性極限承載力分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于全橋加載的情況，三座自錨式懸索橋的彈塑性極限荷載安全系數(shù)分別為3.00、2.88、3.30;三座懸索橋的破壞均與吊索或主纜的屈服有關(guān)，因此吊索和主纜的設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值大小應(yīng)予以重視;采用較小的邊跨和中跨的跨度比時(shí)，錨固端壓重過(guò)小，會(huì)使結(jié)構(gòu)的極限承載力降低較大。　　 對(duì)萬(wàn)新大橋進(jìn)一步研究表明，按彈塑性和彈性計(jì)算的結(jié)果，無(wú)論是變形，還是內(nèi)力，　　均有較大的差異，說(shuō)明該橋進(jìn)入彈塑性階段，存在顯著的內(nèi)力重分布現(xiàn)象;性穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)大于彈塑性極限荷載安全系數(shù);加勁梁和索塔的配筋率、量、該橋的無(wú)限彈主纜的彈性?；炷潦湛s和徐變對(duì)該橋的極限承載力影響不大，但對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響明顯。　　 (4)從自錨式懸索橋的成橋狀態(tài)和主纜矢跨比出發(fā)，采用分段懸鏈線理論計(jì)算了成橋主纜線形;考慮自錨式懸索橋主纜線形受主梁變形等因素的影響，利用懸鏈線理論，計(jì)算了主纜空纜狀態(tài)的線形;研究了考慮非彈性變形時(shí)鋼絲繩索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的計(jì)算方法; 究了主纜架設(shè)過(guò)程中跨度、索長(zhǎng)、塔高、溫度對(duì)線形的影響關(guān)系。針對(duì)自錨式懸索橋的施工特點(diǎn)，考慮吊索張拉過(guò)程中存在大位移非線性、支架接觸非線性、混凝土收縮徐變、索鞍頂推、主纜彈性模量非線性等多種非線性因素的影響，編制了適于自錨式懸索橋施工控制的非線性有限元程序。　　 針對(duì)吊索張拉這一復(fù)雜的非線性過(guò)程，研究了在結(jié)構(gòu)承載力和張拉設(shè)備能力等約束條件下，吊索反復(fù)張拉次數(shù)和接長(zhǎng)桿數(shù)量的優(yōu)化方法和脫模狀態(tài)的確定方法，解決了自錨式懸索橋施工控制中體系轉(zhuǎn)換這一關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)萬(wàn)新大橋施工計(jì)算表明，利用該方法，可以通過(guò)四次張拉達(dá)到理想的脫模狀態(tài)，三次張拉可以達(dá)到滿足要求的實(shí)際脫模狀態(tài)?！　? 最后，以最小二乘法為基礎(chǔ)，提出了自錨式懸索橋施工過(guò)程中的非線性誤差調(diào)整方法。研究表明，對(duì)于施工過(guò)程中的索力誤差，可以通過(guò)部分吊索索力的調(diào)整得以消除;而對(duì)于主梁和索塔的變形誤差，則需要通過(guò)全橋吊索索力的調(diào)整加以消除，同時(shí)獲得滿足要求的吊索索力誤差?！　? (5)通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)自錨式懸索橋的施工過(guò)程進(jìn)行了模擬，對(duì)成橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了本文對(duì)自錨式懸索橋受力性能理論研究的正確性，同時(shí)為實(shí)橋的施工控制提出了有益的建議。

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