【博士】大跨度組合體系箱梁的計算理論及其應(yīng)用研究【2007】

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內(nèi)容簡介

　　學科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：中南大學　　學位年度： 2007年　　大跨度組合體系箱粱具有型式新穎、造價經(jīng)濟、受力合理等特點，傳統(tǒng)簡化分析方法已不能適應(yīng)該類橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，必須進行仿真分析研究。本文以宜萬鐵路線宜昌長江大橋為工程背景，對大跨度組合體系箱梁仿真分析的計算理論及其應(yīng)用方法進行了深入細致的研究。首先，從約束變分原理出發(fā)，采用轉(zhuǎn)動與線位移獨立插值的位移模式，首次提出適用于大跨度組合體系箱梁結(jié)構(gòu)分析的板段元能量變分原理，并建立相應(yīng)的板段元列式。通過數(shù)值算例和模型試驗，驗證板段元法的精度與效率。進一步，利用板段元方法對宜昌長江大橋的靜、動力特性進行深入細致的仿真分析。為改善箱形主梁橫向受力特性，提出多種改進方案并進行相應(yīng)的參數(shù)研究，從而揭示“剛梁柔拱”組合體系橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性。最后，分析研究了宜昌長江大橋的抗震性能。主要研究內(nèi)容如下：　　1．提出基于平板殼元基本假定的箱梁結(jié)構(gòu)計算理論?！　钠桨鍤ぴ幕炯俣ǔ霭l(fā)，提出與箱梁結(jié)構(gòu)變形特征相適應(yīng)的應(yīng)變位移關(guān)系，基于能量變分原理建立箱梁頂、底及腹板的剛度方程。為精確模擬橫隔板對箱梁結(jié)構(gòu)受力的影響并使橫隔板元與頂、底及腹板單元位移模式協(xié)調(diào)，本文從約束變分原理出發(fā)，對橫隔板單元部分線位移及角位移沿板寬方向采用獨立插值的位移模式，提出一類新的橫隔板單元列式方法，從而形成箱梁結(jié)構(gòu)分析的板元解析法。該方法中各類單元位移模式能夠保持較好的協(xié)調(diào)，精度與效率比一般平板殼元更高，且能較好模擬橫隔板對箱梁結(jié)構(gòu)受力特性的影響。另外，為使板元解析法與常規(guī)有限單元位移模式協(xié)調(diào)，本文建立了板元解析法與常規(guī)單元連接的約束方程，編制了相應(yīng)計算程序，使板元解析法可應(yīng)用于一般箱型直梁的靜力分析?！　?．提出一類應(yīng)用于箱梁組合結(jié)構(gòu)體系仿真分析的板段元方法?！　≡诎逶馕鲇嬎憷碚摶A(chǔ)上，深入分析單元節(jié)點自由度的物理概念以及單元精度和效率提高的實質(zhì)。基于約束變分原理，利用常規(guī)板殼單元節(jié)點自由度建立新的板段元位移模式。該位移模式在充分反映箱梁結(jié)構(gòu)受力特征的基礎(chǔ)上，對部分單元線位移及角位移采用獨立插值函數(shù)形式，使得板段元在保持板元解析法精度及效率的基礎(chǔ)上，提高了適應(yīng)性。進一步，通過建立替代剪切應(yīng)變場，使得板段元剛度矩陣在進行精確數(shù)值積分時，避免了剪切自鎖和零能模式，從而形成適用于大跨度組合體系箱梁結(jié)構(gòu)分析的板段元能量變分原理及相應(yīng)的有限元列式。最后，編制板段元計算程序并進行數(shù)值算例及模型試驗驗證。板段元法具有精度及效率較高且與常規(guī)單元位移模式協(xié)調(diào)等優(yōu)點，可方便地應(yīng)用于大跨度組合橋梁結(jié)構(gòu)體系的仿真分析?！　?．宜昌長江大橋靜力特性仿真分析。　　宜昌長江大橋具有結(jié)構(gòu)型式新穎、受力性能良好等特點。本文采用獨立開發(fā)的板段元計算程序?qū)υ摌虺蓸螂A段的受力狀態(tài)進行了全橋仿真分析。首先，通過平面施工過程分析得到橋跨結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)的總體受力特性。然后，以此為初始狀態(tài)，對大橋在二期恒載及活載作用下的結(jié)構(gòu)受力行為進行空間仿真分析。仿真分析工作主要包括箱梁腹板傳力途徑研究、頂?shù)装寮袅笮?yīng)研究、橫框彎曲應(yīng)力研究等。最后，針對箱梁橫框應(yīng)力狀態(tài)較為不利的特點，提出多種可行的改進方案，對各種方案的優(yōu)點與不足進行了深入細致的參數(shù)研究。揭示橫隔板(橫梁)的受力機理，分析橫隔板對箱形主梁的影響方式和作用效果，同時對比研究橫隔板(橫梁)對箱梁橫框彎曲正應(yīng)力的影響規(guī)律。　　4．宜昌長江大橋的動力特性仿真分析?！　∈紫龋茖Я税宥卧膮f(xié)調(diào)質(zhì)量矩陣，引入里茲向量疊加法求解大型動力特性方程組的部分特征解問題，提高了求解速度，從而成功地將板段元法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的動力特性計算。然后，對宜昌長江大橋的動力特性進行深入細致的仿真分析。仿真分析工作包括脊梁模型與板段元模型的對比驗證分析，二期恒載對大橋動力特性的影響分析，樁土共同作用的不同模擬方式對結(jié)構(gòu)計算頻率及振型順序的影響分析等。　　5．宜昌長江大橋的抗震性能分析。　　首先，從整體上分析宜昌長江大橋的抗震受力特征。其次，根據(jù)橋址處場地土特性合成人工地震波，分析確定大橋的抗震分析參數(shù)。然后，采用反應(yīng)譜和時程分析兩類方法對大橋進行地震響應(yīng)分析。揭示了大質(zhì)量法的基本原理及實質(zhì)，并將其應(yīng)用于宜昌長江大橋非一致激勵時程響應(yīng)分析。在時程分析時根據(jù)場地土對應(yīng)的地震視波速計入行波效應(yīng)的影響。最后，通過不同計算方法、不同地震作用方向下大橋地震響應(yīng)的比較分析，深入研究宜昌長江大橋主梁、主拱以及橋墩的抗震性能?！　?．剛梁柔拱組合體系橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計建議?！　⊥ㄟ^對宜昌長江大橋深入細致的靜、動力仿真分析，掌握該類剛梁柔拱組合體系橋梁的結(jié)構(gòu)受力特征，進一步對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出合理建議。其主要內(nèi)容包括箱梁橫向彎曲應(yīng)力改進方案的選擇、結(jié)構(gòu)動力特性的計算方法、結(jié)構(gòu)抗震性能的薄弱環(huán)節(jié)等。本文工作為確保宜昌長江大橋在施工及運營階段的安全提供了幫助，所提出的板段元方法可應(yīng)用于大跨度組合體系箱梁的仿真分析，具有較好的實用價值及廣闊的應(yīng)用前景。　　

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