[博士]大跨徑三塔結合梁斜拉橋幾何非線性分析研究

內容簡介

　　[博士]大跨徑三塔結合梁斜拉橋幾何非線性分析研究　　學科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：武漢理工大學　　學位年度：2010　　在建的武漢二七長江大橋采用主跨為616米的三塔結合梁斜拉橋結構形式，是目前世界上跨度最大的三塔結合梁斜拉橋。由于采用三塔斜拉橋的結構體系，結構整體柔性增大，幾何非線性問題進一步突出。同時由于采用了結合梁形式，鋼和混凝土材料性能差異較大，造成整體結構內力和空間分布變化特性十分復雜，因此開展三塔結合梁斜拉橋結構幾何非線性研究是十分必要的?！　? 本文以二七長江大橋為工程背景，首先開展三塔結合梁斜拉橋非線性有限元模型研究，然后基于雙主梁非線性空間模型，考慮索的垂度效應、梁柱效應和大位移效應，進行三塔結合梁斜拉橋幾何非線性分析，研究各種幾何非線性因素對三塔結合梁斜拉橋內力和位移的影響。最后提出斜拉索無應力索長精確算法，并給出了斜拉橋初始成橋索力的計算方法。本文研究對于全面掌握大跨徑結合梁斜拉橋的結構內力特性，進一步提高結合梁斜拉橋的計算分析水平，具有重要的理論和實際意義。主要內容和成果如下:　　 (1)運用大型有限元分析軟件ANSYS的APDL語言以及參數(shù)化技術，采用空間板殼與梁桿單元相結合，建立了三塔結合梁斜拉橋結構雙主梁非線性模型，并通過與單主梁有限元模型對比分析，充分驗證了該雙主梁模型的有效性和正確性。結果表明基于桿、板(殼)及空間梁單元相結合的雙主梁模型可以用于大跨徑三塔結合梁斜拉橋非線性分析，具有較好的計算精度，能準確反映結構的內力空間分布及變形特征?！　? (2)基于雙主梁非線性有限元模型，定義了線性、計入斜拉索垂度效應的非線性、計入梁柱效應和大位移效應的非線性以及計入全部非線性因素的綜合非線性四種工況，分析三塔結合梁斜拉橋在四種工況下的幾何非線性行為，研究各種幾何非線性因素對三塔結合梁斜拉橋內力和變形的影響。結果表明各種幾何非線性因素都會影響結構的變形和受力狀態(tài)。斜拉索垂度效應是大跨度斜拉橋結構幾何非線性的主要因素，同時計入三種非線性較計入單項非線性因素對于橋梁結構的非線性影響大。各種非線性因素對不同構件受力的影響程度不同，對主梁和塔的位移而言，斜拉索的垂度效應影響大于梁柱效應和大位移效應，對于主梁和塔的內力而言，斜拉索的垂度效應影響小于梁柱效應和大位移效應，而對于斜拉索的索力，幾何非線性效應的影響均很小。　　 (3)提出了一種斜拉索無應力索長精確求解方法，其特點是用索端力的精確計算式代索端節(jié)點力的平均值，建立已知端張力時斜拉索特征參數(shù)約束方程，求解無應力索長，同時避免了無應力索長初值的選取問題。并運用該方法計算了二七長江大橋的斜拉索無應力長度，并與解析法、等效模量法對比，結果表明該方法正確有效。　　 (4)基于非線性有限元方法，利用ANSYS二次開發(fā)功能，運用APDL語言開發(fā)了大跨三塔斜拉橋調索程序，給出了一種三塔斜拉橋成橋初始索力確定方法。并將該程序應用于二七長江大橋索力分析，結果表明該程序實現(xiàn)了自動完成調索過程，調索速度快精度高。

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