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自锚式悬索桥的力学特性与施工控制研究

檀永刚  
【摘要】: 自锚式悬索桥以其美观的外形、良好的适应性和适中的经济指标等优点,在城市桥梁的建设中,已经成为一种颇具竞争力的桥型方案而被大量地采用。本文以多座桥梁的设计、模型试验和施工控制为背景,从定性和定量两个层面上研究此类桥梁设计参数与力学特性的一般规律;提出了有关主缆计算的解析法和精确高效的数值算法;探讨了自锚式悬索桥施工控制中的力学特性并进行了索力优化和优化张拉调索的过程;提出了基于无应力状态理论的设计参数识别误差修正法。具体内容如下: (1)在挠度理论的基础上,推导出自锚式悬索桥的无量纲方程,研究了重力刚度、特性参数与自锚式悬索桥的力学特性的一般规律,得出了采用线性程序计算精度满足要求的适用条件。推导出加劲梁的拱度对自锚式悬索桥加劲梁弯矩和主缆内力影响的解析表达式,以及主缆垂度对主缆内力影响的解析解表达式。 (2)推导出自锚式悬索桥主缆从空缆状态到成桥状态变化的解析法方程组,采用此解析法可以在不建立有限元模型的情况下,直接求出主缆的无应力索长和索鞍偏移量。 (3)提出了主缆施工控制计算的解析元法,将空间缆索结构简化为具有拉伸刚度的质点系,给出了缆索结构空间解析元法的基本方程和求解方法,单元间的作用力与坐标变化的关系可以用解析法得到,对所得到的反映结构特性的质点系方程组进行力的平衡迭代,求解方程组。采用自动的动态可变步长的迭代方法,能够提高求解的效率,保证收敛。这种方法既考虑了几何非线性,又适用于材料非线性的计算,比有限元法优越之处还在于,它不用求解线性方程组,所以适用范围广,允许求解多自由度的几何可变体系,而有限元法在求解此类问题时经常不收敛。 (4)探讨了自锚式悬索桥施工控制过程中的力学特性,即主缆位移的弱相干性原理和吊杆内力的相邻影响原理。以多个桥梁的施工控制为背景,研究了这些原理的普遍性和特殊性。 (5)证明了无应力状态控制法适用于自锚式悬索桥的施工控制,并将该方法应用于实际桥梁的施工监控;将群论应用到自锚式悬索桥的施工控制理论分析中,把自锚式悬索桥张拉调索的过程定义为变换群,通过对张拉变换群的研究,得出分别采用4台、8台千斤顶张拉的可行性和张拉效率;提出了交替前进张拉法,大幅度提高了张拉的效率,并保持吊杆力均匀增长,采用8台千斤顶对称作业,多数桥梁经3轮张拉就能达到施工控制的目标,自重小的桥梁最少可经2轮张拉就实现了体系转换。 (6)研究了自锚式悬索桥施工控制过程中的参数识别和误差修正。在自锚式悬索桥施工控制的无应力状态控制法的基础上,提出了基于无应力状态理论的设计参数识别误差修正法。考虑主缆和吊杆的无应力索长的误差、加劲梁重量的误差、温度误差等因素对成桥状态影响程度的大小,给出了设计参数误差的影响系数。研究了主缆和吊杆无应力长度的容许误差,并研究运用调节吊杆力和索鞍的位置来修正设计参数的误差的方法。


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