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自锚式吊拉组合桥非线性计算程序开发

张征  
【摘要】: 大跨度自锚式吊拉组合桥是一种由多种非线性因素耦合的受力复杂的结构体系,所以几何非线性问题相对突出,但是到目前为止,尚缺少一个简单、成熟、精确的结构分析方法来解决自锚式吊拉组合桥设计和施工中遇到的问题,而桥梁工程界迫切需要解决和精确预测结构受力和变形形态,因此有必要针对该桥型的非线性问题展开精确的研究。本文以拟建的大连跨海大桥为工程背景,围绕大跨度自锚式吊拉组合桥成桥及施工过程几何非线性而展开。主要内容如下: (1)采用解析法计算自锚式吊拉组合桥主缆线形方面。基于分段悬链线理论,提出了一套完整的可精确考虑索鞍影响的自锚式吊拉组合桥主缆线形计算的解析方法。提出了空缆状态IP点的概念,使考虑索鞍影响的空缆线形的计算方法与成桥状态线形计算方法一致,简化了空缆线形的计算方法。推导了成桥状态主跨和边跨索力修正的计算公式;给出了有多个索鞍存在时,各个索鞍预偏量的迭代计算方法;编写了解析法程序CAB,该程序数据输入简单、直观。通过算例验证程序具有很好的收敛性,而且计算精度很高,可用于各种形式的悬索桥和吊拉组合桥主缆线形的精确计算。 (2)自锚式吊拉组合桥几何非线性有限元分析方面。详细介绍了切线刚度矩阵、节点荷载、单元荷载、单元抗力的各种处理方法。给出了用CR列式全量法进行非线性分析的方法,该方法的优点为:①在CR坐标系下能精确扣除单元刚体运动,取消了增量步内为小转动的限制;②基于全量平衡条件而不是增量平衡条件计算单元抗力,避免了误差累积;③使非线性计算结果的精度不再依赖于切线刚度矩阵的精度,省去了推导精确的切线刚度矩阵的庞大的工作量,即节省了计算时间,由保证了收敛速度和计算结果的精度。根据索的基本假定和悬链线平衡方程,推导了两节点悬链线索单元刚度矩阵及节点力的迭代格式。给出了可以完全考虑自锚式吊拉组合桥活载非线性的计算方法。编制了高精度的平面非线性有限元分析程序FBNL。通过大量经典算例验证,证明该方法具有极高的精度和效率,收敛速度较其他方法也要快很多。 (3)自锚式吊拉组合桥理想成桥状态确定方面。提出了以有限元法与解析法相结合确定自锚式吊拉组合桥理想成桥状态的综合算法。详细介绍了使用本文程序FBNL进行理想成桥状态确定的计算流程。 (4)自锚式吊拉组合桥施工过程非线性分析方面。将CR列式全量法引入多阶段、多工况的桥梁结构分析,不但精度和效率高,而且使得单元增减、约束增减、拉索张拉等因素的分析更为简便统一。建立了自锚式吊拉组合桥施工过程计算的非线性无应力状态法;给出了计入几何非线性的结构安装构形和无应力构形的计算方法。采用解析法与有限元法相结合的综合算法,编制了桥梁结构施工过程精细分析的非线性有限元程序BCNL,可用来精确模拟自锚式吊拉组合桥各个施工状态,也可用来优化自锚式吊拉组合桥的施工方案,具有很好的计算精度和计算速度。详细介绍了程序BCNL的主要特点和功能。 (5)基于解析法和非线性有限元分析的CR列式全量法,采用高精度的悬链线索单元,建立精细的几何非线性分析模型,对大连跨海大桥进行成桥状态和施工过程非线性分析。


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