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大跨度斜拉立体桁架的静动力非线性分析

孙建琴  
【摘要】: 大跨度斜拉立体桁架是由斜拉索、立体桁架和塔柱三部分组合而成的结构体系,造型轻巧优美,与斜拉网格结构相比,这种结构杆件较少,节点少,施工吊装比较容易,是一种有发展前途的大跨度杂交结构体系。 本文基于连续介质力学的基本原理,论述了结构几何非线性分析理论,讨论了U.L格式与T.L格式的异同。基于U.L格式,给出了空间杆单元、空间梁单元和索单元的切线刚度矩阵。 探讨了大跨度斜拉立体桁架结构体系的合理形式,包括桁架的截面形式、斜拉索的布置形式以及塔柱的形式,探索了斜拉立体桁架比较常用的两塔柱三跨和一塔柱两跨两种结构体系的计算模型以及在竖向静荷载作用下的位移和内力特征规律,分析了大跨度斜拉立体桁架设计中的重要参数:如拉索间距、塔柱高度、塔柱刚度、桁架高度和拉索刚度等对结构的静力特性的影响,得出一些重要结论为初步设计提供参考。 分析了结构产生几何非线性的原因,对两种结构体系几何非线性影响程度进行了深入分析。分别考虑大位移、垂度效应以及同时考虑大位移和垂度效应的几何非线性分析表明,对于桁架内力,拉索垂度效应的影响比大位移效应的影响大。斜拉索不论在何种非线性情况下,非线性影响都很小。总的来说,桁架轴力和塔柱弯矩的非线性效应相对比较明显。 对两种结构体系采用平面和空间两种模型进行了线性、几何非线性、材料非线性和双重非线性极限承载力分析,分析结果表明,用线性分析和仅考虑几何非线性的方法会过高估计结构的极限承载能力。几何非线性的影响并不十分明显,结构实际的极限承载能力主要由材料非线性来控制。另外还分析了塔柱高度、桁架高度、索距、拉索刚度和预张力对极限承载能力的影响,进一步讨论该结构体系的稳定性能。研究发现索距对结构的极限承载力影响最大,索距减小,极限承载能力明显提高。 研究了预张力的确定问题以及预张力对结构性能的影响。首次提出了预应力斜拉结构拉索卸除后的迭代法,推导了迭代公式。该法避免了结构重分析,整个迭代过程是在原结构刚度变化所牵涉到的节点自由度范围内进行的,计算量大大地减小。该法不仅适用卸除任何一根索,而且适用于同时卸除多根索。 本文通过对结构自振特性的分析可知,该结构自振周期较长,频谱比较密集。采用振型分解反应谱法分析时,应采用CQC振型组合法,宜取20阶振型参与组合。探索了各重要参数对自振特性的影响。采用振型分解反应谱法和时程分析法,研究在水平地震作用下结构的地震反应特点,进行了结构在大震作用下弹塑性地震反应计算,分析了弹塑性变形,找到结构的薄弱部位,为该结构体系的抗震设计提供依据。 本文选择了有代表性的竖向地震波,进行了时程分析,同时又进行了竖向反应谱分析,两种方法分析结果基本一致。研究了大跨度斜拉立体桁架在竖向地震作用下内力系数的大小及其分布规律,并归纳总结出了竖向地震内力系数表,研究中发现:竖向地震内力系数除与场地和烈度有关外,还与该体系的结构形式和跨度有关,这对大跨度斜拉立体桁架这种新型结构体系的抗震设计具有重要的指导作用。 最后,对研究工作进行了总结,并指出了进一步研究中需解决的问题。本文的研究为该结构的进一步研究打下了基础,可为大跨度斜拉立体桁架在工程中推广应用提供参考。


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