[博士]大跨徑三塔結(jié)合梁斜拉橋幾何非線性分析研究

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　　[博士]大跨徑三塔結(jié)合梁斜拉橋幾何非線性分析研究　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位： 博士 　　學(xué)位授予單位：武漢理工大學(xué)　　學(xué)位年度：2010　　 在建的武漢二七長(zhǎng)江大橋采用主跨為616米的三塔結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，是目前世界上跨度最大的三塔結(jié)合梁斜拉橋。由于采用三塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)整體柔性增大，幾何非線性問(wèn)題進(jìn)一步突出。同時(shí)由于采用了結(jié)合梁形式，鋼和混凝土材料性能差異較大，造成整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和空間分布變化特性十分復(fù)雜，因此開(kāi)展三塔結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)幾何非線性研究是十分必要的?！　? 本文以二七長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，首先開(kāi)展三塔結(jié)合梁斜拉橋非線性有限元模型研究，然后基于雙主梁非線性空間模型，考慮索的垂度效應(yīng)、梁柱效應(yīng)和大位移效應(yīng)，進(jìn)行三塔結(jié)合梁斜拉橋幾何非線性分析，研究各種幾何非線性因素對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋內(nèi)力和位移的影響。最后提出斜拉索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)精確算法，并給出了斜拉橋初始成橋索力的計(jì)算方法。本文研究對(duì)于全面掌握大跨徑結(jié)合梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力特性，進(jìn)一步提高結(jié)合梁斜拉橋的計(jì)算分析水平，具有重要的理論和實(shí)際意義。主要內(nèi)容和成果如下:　　 (1)運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS的APDL語(yǔ)言以及參數(shù)化技術(shù)，采用空間板殼與梁桿單元相結(jié)合，建立了三塔結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)雙主梁非線性模型，并通過(guò)與單主梁有限元模型對(duì)比分析，充分驗(yàn)證了該雙主梁模型的有效性和正確性。結(jié)果表明基于桿、板(殼)及空間梁?jiǎn)卧嘟Y(jié)合的雙主梁模型可以用于大跨徑三塔結(jié)合梁斜拉橋非線性分析，具有較好的計(jì)算精度，能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的內(nèi)力空間分布及變形特征?！　? (2)基于雙主梁非線性有限元模型，定義了線性、計(jì)入斜拉索垂度效應(yīng)的非線性、計(jì)入梁柱效應(yīng)和大位移效應(yīng)的非線性以及計(jì)入全部非線性因素的綜合非線性四種工況，分析三塔結(jié)合梁斜拉橋在四種工況下的幾何非線性行為，研究各種幾何非線性因素對(duì)三塔結(jié)合梁斜拉橋內(nèi)力和變形的影響。結(jié)果表明各種幾何非線性因素都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)。斜拉索垂度效應(yīng)是大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)幾何非線性的主要因素，同時(shí)計(jì)入三種非線性較計(jì)入單項(xiàng)非線性因素對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的非線性影響大。各種非線性因素對(duì)不同構(gòu)件受力的影響程度不同，對(duì)主梁和塔的位移而言，斜拉索的垂度效應(yīng)影響大于梁柱效應(yīng)和大位移效應(yīng)，對(duì)于主梁和塔的內(nèi)力而言，斜拉索的垂度效應(yīng)影響小于梁柱效應(yīng)和大位移效應(yīng)，而對(duì)于斜拉索的索力，幾何非線性效應(yīng)的影響均很小?！　? (3)提出了一種斜拉索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)精確求解方法，其特點(diǎn)是用索端力的精確計(jì)算式代索端節(jié)點(diǎn)力的平均值，建立已知端張力時(shí)斜拉索特征參數(shù)約束方程，求解無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)，同時(shí)避免了無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)初值的選取問(wèn)題。并運(yùn)用該方法計(jì)算了二七長(zhǎng)江大橋的斜拉索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，并與解析法、等效模量法對(duì)比，結(jié)果表明該方法正確有效。　　 (4)基于非線性有限元方法，利用ANSYS二次開(kāi)發(fā)功能，運(yùn)用APDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了大跨三塔斜拉橋調(diào)索程序，給出了一種三塔斜拉橋成橋初始索力確定方法。并將該程序應(yīng)用于二七長(zhǎng)江大橋索力分析，結(jié)果表明該程序?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)完成調(diào)索過(guò)程，調(diào)索速度快精度高。

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