大跨径斜拉桥成桥及施工阶段的几何非线性影响分析

发布时间：2020-04-12 20:35

【摘要】：长江下游江面宽阔,航道繁忙,斜拉桥能够经济又便捷的联通两岸,符合社会发展的需求。几何非线性是大跨径斜拉桥的重要结构特性,且跨径的增加会显著增大非线性效应。为了确保工程施工、运营的质量与安全,有必要对大跨径斜拉桥成桥和施工阶段进行几何非线性影响分析。本文首先分析了几何非线性产生的原因,建立了大跨径斜拉桥的成桥模型,通过调整索力达到合理的成桥状态,分析了三种几何非线性效应(斜拉索垂度效应、二阶效应、大位移效应)对斜拉桥成桥状态的结构位移、内力及应力的影响规律,并分析了导致非线性增量的主要原因。其次,介绍了大跨径斜拉桥的施工方法,分析了施工阶段合理状态的求解方法,从而建立了斜拉桥的施工阶段模型,运用无应力状态法调索得到施工阶段合理状态,对比分析了三种几何非线性对斜拉桥施工阶段的结构位移、内力和应力的影响规律。最后,分析了在静风荷载作用下,大跨径斜拉桥考虑几何非线性的结构位移计算结果。对不同风速作用下三种几何非线性的影响规律进行了研究。分析结果表明:三种几何非线性效应对主梁、桥塔的位移、内力及应力的影响程度不同,但是它们相互影响相互促进,从而增大斜拉桥结构的静力响应增量;在成桥状态,垂度效应是导致主梁和桥塔静力响应显著增加的主要非线性效应;在施工阶段,几何非线性对结构的影响会随着施工进展而增大:在双悬臂施工阶段,几何非线性对结构的影响远小于单悬臂施工阶段,其对主梁悬臂段结构位移的影响大于对合龙段的影响,而对内力的影响刚好相反;在横向静风荷载作用下,大跨径斜拉桥主要产生横向和扭转位移,总的说来,几何非线性对主梁扭转位移的影响要大于对横向位移的影响,此外,三种几何非线性效应对结构位移的影响程度不同:在成桥状态下,垂度效应对主梁的横向、扭转位移影响最为显著;在施工阶段,大位移及二阶效应是主梁横向位移的主要影响因素,扭转位移的主要影响因素仍是垂度效应;随着风速增大,几何非线性对结构位移的影响程度也会随之增大。
【图文】：

示意图,拉索,受力,垂度

图２．１拉索受力示意图逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃａｂｌｅ邋ｆｏｒｃｅ逡逑如图２．１，首先不考虑结构的弹性形变，拉索在荷载Ｔ的作用下由虚线位置Ｉ逡逑移到实线位置ＩＩ，垂度减少了４Ａ从而使得右端产生新的位移Ａ／／，但这一位移是逡逑由于结构几何变化产生的，而右端的实际位移为：逡逑Ａ１邋＝邋Ｍ￡＋Ａｌｆ逦（２－１）逡逑式中：Ａ／ｅ为斜拉索受外荷载作用下产生的弹性伸长量，Ａ／／为垂度伸长量。逡逑故应变为：逡逑ｓ邋＝邋ＡＩ邋／１邋—邋Ａｌｃ邋／邋／邋＋邋Ａｌｙ邋／１邋＝邋ｓｅ邋＋逦—邋ＡＴ邋／邋ＥＣＡ邋＋邋ＡＴ邋／邋ＥｙＡ逦（２－２）逡逑式中：＆是弹性应变，兮是垂度应变；五ｆ为拉索弹性模量；玢为垂度导致的等效逡逑弹性模量，故可以求得：逡逑￡邋＝邋＾邋＋邋＾邋＝邋ＬＪ＾ＬＡｃｔ逦（２－３）逡逑Ｋ邋Ｅｆ邋ＥｅＥｆ逡逑１１逡逑

示意图,列式,示意图

Ｃ［Ｋ］0＋，［ＫＬ）ｄ｛８｝邋＝邋ｄ｛ｆ｝逦（２－２２）逡逑对于Ｃ．Ｒ．列式法公式推导，由参考文献ｎ８］，以平面杆系单元为例，如图２－２，逡逑使用与参照物同步平移或旋转的坐标系总体坐标系可以用Ｚ｛Ｓ｝Ｔ＝［Ｗｌ，巧，氐％逡逑Ｖｊ，尽］表示，在Ｃ．Ｒ．坐标系内可以表示成Ｚ｛５｝Ｔ＝［Ｍｒ，邋Ｖｊ’，，Ｋ邋ｖ／，尽］。Ｃ．Ｒ．坐标系逡逑与固定坐标系夹角逡逑／邋＼逡逑９邋－邋ａｒｃｔａｎ邋—逦（２－３３）逡逑单元的刚体转角可表示为：逡逑ＡＳ邋＝邋ａ－＆０逦（２－３４）逡逑ｙ邋ｋ邋Ｖ邋＾逡逑７邋（■￣￣逦气逦１逡逑一＂ｖ＞逡逑Ｖｉ逡逑５邋Ｌ逡逑－ｉ邋—°邋ｆ时刻构型邋ｉ逡逑１－逦＾逡逑Ｘ逡逑ｏ逦＾逡逑图２．２邋Ｃ．Ｒ．列式法示意图逡逑Ｆｉｇ．２．２邋Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｃ．Ｒ．邋ｆｏｒｍｕｌａ邋ｍｅｔｈｏｄ．逡逑变形后的单元在Ｃ．Ｒ坐标系的节点位移可表示为：逡逑ｗ；＇邋＝邋ｖ；＇邋＝邋Ｖｊ＇邋＝邋０逡逑６＇邋＝邋ｅ－ｔ＾ｅ逡逑ｅ；邋＝邋ｅ－＾ｅ逦（２＇３５）逡逑ｕｉ’＝邋Ｌ－邋Ｌｑ逡逑式中汾和６＾为变形后的单元在总体坐标系内的转角。逡逑从Ｃ．Ｒ列式坐标可以看出，在该方法中，扣除了结构的平动和转动。根据不逡逑同的结构反力的求解办法，Ｃ．Ｒ．列式法还可划分为Ｃ．Ｒ．增量法和Ｃ．Ｒ．全量法。逡逑１５逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U448.27

【参考文献】