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超大跨度斜拉桥施工全过程几何非线性精细分析理论及应用研究

陈常松  
【摘要】: 当斜拉桥向超大跨径发展时,研究其施工全过程正装计算理论和方法对于桥梁设计合理和结构安全有着重要意义。本文首先对斜拉桥几何非线性分析理论的研究现状进行了全面评述,然后对其施工全过程的几何非线性精细分析理论及工程控制中的关键技术问题进行了较深研究,最后以苏通长江公路大桥和荆州长江公路大桥为工程实例进行了验证分析。具体研究内容和取得的成果为: (1)推导了TL列式和UL列式的势能增量驻值公式并由此建立了切线刚度矩阵的构成规则;应用Kirchhoff应力张量和Green应变张量导出了正装结构CR法的虚功增量方程,并分析了CR法相对UL法更精确的根本原因。 (2)导出了带任意刚臂的两结点精确悬链线索元的显式切线刚度矩阵,建立了两种计算条件下切线刚度矩阵的迭代算法;提出了改进快速弧长法的计算策略和加速改进算法,解决了斜拉桥施工过程的精确求解和快速迭代问题。 (3)以苏通长江公路大桥施工全过程的计算表明,同时计入拉索垂度效应、梁柱效应和大位移效应对于结构的内力与变形影响较大,综合非线性因素影响通常大于各单项因素影响的代数和,忽略其中任何一项因素都将带来较大的计算误差;综合非线性因素对一般位置的斜拉索索力的影响较小,对辅助墩附近拉索索力影响稍大些;对于索塔,其非线性影响程度在成桥阶段最大,其次是最大单悬臂阶段,最大双悬臂阶段为最小;对于主梁,最大单悬臂阶段非线性影响最大,成桥阶段次之,最大双悬臂阶段影响最小。 (4)对新老桥涵设计规范中混凝土的收缩徐变计算模式进行了比较分析,基于新规范推导了便于有限元法计算的徐变参数指数函数模式,并利用荆州长江公路大桥营运期健康监测数据对其进行了验证;推导了混凝土收缩徐变的UL列式虚功增量方程和相应的等效结点荷载计算公式;以苏通长江公路大桥的计算表明,在大跨度斜拉桥的施工过程中,混凝土收缩徐变对结构的内力和变形都存在影响,但对于钢斜拉桥,当混凝土索塔施工期较长时,该影响比较小。 (5)建立了求解斜拉桥施工控制参数的非线性正装迭代法;建立了计入几何非线性的自适应无应力构形求解方法,同时以实桥为例分析了安装索力误差主要影响因素的敏感性;提出了由5个子系统组成的斜拉桥自适应施工控制系统,成功地应用于实桥施工控制。 (6)对大跨度斜拉桥的关键技术进行了深入研究。首先建立了利用分段多项式温度场函数计算斜拉桥温度影响的方法,提出了一套紧密结合悬臂现浇法施工控制的温度影响实时修正方法,经实桥验证效果良好;其次根据柔索索力振动法测试原理,通过理论分析和实桥测试发现了主频阶次是产生索力测试误差的主要原因且与测试误差成二次关系;最后对振弦式混凝土应变计的测量误差及处理方法进行了较深入的研究,提出了有益建议。


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