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大跨度自锚式斜拉悬索桥分析方法与性能研究

韩立中  
【摘要】:近年来,随着交通科技的发展各种各样的桥型也随即产生,大跨径悬索桥与大跨径斜拉桥更是发展迅速。但是随着桥梁所处的空间、施工条件以及经济造价的限制,这些大跨径桥型越来越受到限制;桥型多样化,空间结构桥梁增多是桥梁发展的趋势所在。新工艺、新材料和高性能计算机的出现,使得与桥梁设计相关理论在近三十年得以迅速发展、完善。 概念设计方面:经过解析与数值分析理论的发展,明确了典型结构体系的力学特性,涌现了各种样式悬索桥、斜拉桥,协作体系桥梁。自锚式、地锚式悬索桥以其优美的线型、新颖的外观以及选址灵活等特点受到大家喜欢。地锚式悬索桥虽然是大跨径甚至超大跨径桥梁的首选,但是它那硕大的锚碇受到施工以及经济的制约越来越让人们伤透脑筋。自锚式悬索桥而越来越受到青睐,一大批大跨度自锚式悬索桥也就应运而生。但是受到材料以及力学体系的限制跨径也受到很大制约,只能在中小跨径徘徊。斜拉桥的跨径也作的越来越大,已经超过千米的斜拉桥世界上也有好几座,发展势头也锐增。斜拉桥的刚度以及挺拔的力度也受到人们的青睐,在中小跨径以及大跨径桥梁,跨江、跨海等地理位置复杂的地形、还有风速以及地震恶劣环境条件下的地形都能看到斜拉桥挺拔的身影。但是斜拉桥随着跨径的增加,随着力学体系要求,斜拉桥的塔高越来也越高,千米级斜拉桥的塔高达到350多米甚至400米,这么高的普通建筑都受到力学和环境的挑战,何况还受到静力以及动力不断施加的桥梁,施工难度以及监控相当复杂。况且还有地形以及航空管制等外界事物的必然限制。综合以上很多因素的考虑,基于大连湾跨海大桥的实例,大连理工大学课题组提出了自锚式斜拉.悬索协作体系桥梁来解决相应的问题,还受到交通部西部交通建设科技项目“斜拉-悬索协作体系桥梁的研究”开发课题的资金资助。西部交通建设科技项目基金(2006 318 823 50)。 自锚式斜拉—悬吊协作体系桥作为一种新型的桥梁结构形式,具备了传统的斜拉—悬吊协作体系桥的诸多优点,而且由于庞大锚碇的取消,更好的适应了深海软土地基的建设,在不良地质环境条件下具有强劲的竞争力,目前已被工程界所采纳。但从已有的文献看,对这种桥型静、动力性能的研究颇为少见。为了确保自锚式斜拉-悬索桥施工和成桥运营期间的安全,使得自锚式斜拉-悬索桥结构的设计更加经济合理,本文以拟建的大连湾跨海大桥以及金州湾跨海大桥为工程背景,基于几何非线性有限元理论、图论优化理论,对大跨度自锚式悬索桥整体稳定与极限承载力、结构动力特性、地震响应分析、抗震减震、颤振稳定、抗震可靠度、结构系统可靠度等几个方面开展了大跨度自锚式斜拉-悬索桥分析方法与性能方面的研究。本文的研究工作和取得的主要成果有: 1.结合设计基本资料及设计技术要求,提出了大连湾跨海大桥桥型方案的设计构思,并对大桥自锚式斜拉-悬索桥的结构体系进行了创新性设计。 2.本文将图论应用于薄壁杆件结构计算,建立了薄壁剖面的图模型,利用关联矩阵和基本回路矩阵简洁而又准确地描述了薄壁剖面的拓扑关系。利用图论导出的计算扇性坐标、Bredt剪流、二次剪流和弯曲剪流的矩阵方程式。对任意复杂的薄壁剖面,只要建立了图模型,得到关联矩阵和基本回路矩阵,就可利用以上各矩阵方程式方便地用电子计算机求解,从而避免了在具体计算过程中判断剖面的拓扑关系而引起的困难。用图论作工具,研究了薄壁杆件在自由扭转时剖面极限扭矩的计算方法。 3.分析研究了悬索桥、斜拉桥、自锚式斜拉悬索桥的相关理论。本文选择大型通用有限元程序ANSYS作为结构分析软件,在求解过程中计入上述各种非线性因素的影响,以大连湾跨海大桥大连港主通航孔为工程背景,建立平面杆系计算模型。把自己分析的梁柱效应理论、虚位移原理应用于自锚式斜拉悬索桥力学分析当中,结合ANSYS有限元软件,更好分析此桥产生的非线性力学效应。 4.基于有限元理论,考虑多种非线性因素,建立有限元模型,对大连湾跨海大桥大连港主通航孔推荐方案主跨800m的自锚式斜拉—悬索协作体系桥的静力行为进行了详尽分析,包括刚度特性、内力、吊索疲劳问题、交接区的变形。 5.自锚式斜拉—悬吊协作体系桥的动力特性主要包括体系的自振频率和主振型,它是该体系桥进行动力响应分析的前提和基础。通过建立空间有限元计算模型,对采用自锚式斜拉—悬吊协作体系的大连港跨海大桥的动力特性进行了分析,并与相同跨径和结构参数的地锚式斜拉—悬吊协作体系桥进行了对比研究,总结了自锚式斜拉—悬吊协作体系桥动力特性的新特点并揭示了其原因。 6.分别用反应谱方法和时程分析方法对大连港海湾大桥拟定的结构体系进行了抗震分析。根据抗震分析结果,选定了结构体系,采用了摩擦支座减震技术,并对粘滞阻尼技术进行了探讨。本文将精确高效的虚拟激励法引入到自锚式斜拉—悬吊协作体系桥的地震响应分析中,对此桥在随机地震荷载作用下的地震响应进行了系统地研究,重点考察了三种影响地震体系波作用下,考虑了多点激励和地震动的空间变化效应以及阻尼的变化对该新型体系内力和位移峰值的影响。以大连湾跨海大桥为例,基于由规范反应谱生成的当量功率谱密度函数,对比分析了多点一致激励和非一致激励下其地震响应的特点和规律,所得结论为该新型协作体系桥的抗震设计提供了有价值的参考。鉴于阻尼作为结构动力特性及动力反应中的一个重要参数,本章研究了阻尼器地选择,作者主要言裾持妥枘崞?介绍了粘滞阻尼器地原理及其应用方法,研究了阻尼比的变化对结构地震反应的影响。为该新型体系桥梁的进一步设计提供了有价值的参考。 7.针对大跨度自锚式斜拉-悬索桥可能存在的风致振动,对大连港海湾大桥进行了颤振稳定分析。 本文简要介绍了桥梁静力风效应与桥梁风致振动的基本理论,以大连湾跨海大桥为工程背景,通过理论分析对大跨度自锚式悬索桥的抗风性能进行了研究。主要研究①运用多模态颤振有限元分析方法,分别从悬索的矢跨比、吊跨比、斜拉索索面布置形式、边跨辅助墩的设置以及桥面主梁构成等设计参数着手,对主跨800m的一座自锚式斜拉-悬吊协作体系桥进行了颤振稳定性分析,指出了影响自锚斜拉-悬吊协作体系桥颤振稳定性的关键设计参数,并从抗风性能角度探讨了自锚斜拉-悬吊协作体系桥的合理结构形式。②由变形引起的结构动力特性以及空气力的非线性变化效应将会对大跨径自锚式-斜拉悬索桥的颤振产生不容忽视的影响。基于结构的变形后状态,充分考虑结构变形引起的非线性效应,建立了大跨径桥梁颤振分析的三维非线性方法及其计算程序。结合大连湾跨海大桥设计的自锚式斜拉-悬索桥进行了颤振分析和研究,并揭示了结构变形产生的非线性效应对大跨径自锚式斜拉悬吊桥颤振影响的程度和机理。 8.本文以大连湾跨海大桥作为研究对象,引入虚拟激励法,对自锚式斜拉悬索桥的抗震动力可靠度进行了计算分析。分别计算了考虑均匀地面激励、空间效应及任意相干效应的情况,在多点非一致激励下的桥梁下部结构的墩、塔各控制截面的抗震动力可靠度,得到了一些有价值的结论。 9.本文总结了结构系统可靠度分析的方法及失效模式。对大连湾自锚式斜拉悬索协作桥在承载能力极限状态下的系统可靠度进行了评估。采用全局β约界法识别结构系统的主要失效模式,并应用微分等价递归算法得到系统各失效模式的等价安全裕量方程。最后,通过Ditlevsen界限理论,确定了结构系统失效概率的上、下限。


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