大跨度自錨式斜拉懸索橋分析方法與性能研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著交通科技的發(fā)展各種各樣的橋型也隨即產(chǎn)生，大跨徑懸索橋與大跨徑斜拉橋更是發(fā)展迅速。但是隨著橋梁所處的空間、施工條件以及經(jīng)濟(jì)造價(jià)的限制，這些大跨徑橋型越來(lái)越受到限制；橋型多樣化，空間結(jié)構(gòu)橋梁增多是橋梁發(fā)展的趨勢(shì)所在。新工藝、新材料和高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得與橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)理論在近三十年得以迅速發(fā)展、完善。
　　 概念設(shè)計(jì)方面：經(jīng)過解析與數(shù)值分析理論的發(fā)展，明確了典型結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)特性，涌現(xiàn)了各種樣式懸索橋、斜拉橋，協(xié)作體系

2、橋梁。自錨式、地錨式懸索橋以其優(yōu)美的線型、新穎的外觀以及選址靈活等特點(diǎn)受到大家喜歡。地錨式懸索橋雖然是大跨徑甚至超大跨徑橋梁的首選，但是它那碩大的錨碇受到施工以及經(jīng)濟(jì)的制約越來(lái)越讓人們傷透腦筋。自錨式懸索橋而越來(lái)越受到青睞，一大批大跨度自錨式懸索橋也就應(yīng)運(yùn)而生。但是受到材料以及力學(xué)體系的限制跨徑也受到很大制約，只能在中小跨徑徘徊。斜拉橋的跨徑也作的越來(lái)越大，已經(jīng)超過千米的斜拉橋世界上也有好幾座，發(fā)展勢(shì)頭也銳增。斜拉橋的剛度以及挺拔的力度

3、也受到人們的青睞，在中小跨徑以及大跨徑橋梁，跨江、跨海等地理位置復(fù)雜的地形、還有風(fēng)速以及地震惡劣環(huán)境條件下的地形都能看到斜拉橋挺拔的身影。但是斜拉橋隨著跨徑的增加，隨著力學(xué)體系要求，斜拉橋的塔高越來(lái)也越高，千米級(jí)斜拉橋的塔高達(dá)到350多米甚至400米，這么高的普通建筑都受到力學(xué)和環(huán)境的挑戰(zhàn)，何況還受到靜力以及動(dòng)力不斷施加的橋梁，施工難度以及監(jiān)控相當(dāng)復(fù)雜。況且還有地形以及航空管制等外界事物的必然限制。綜合以上很多因素的考慮，基于大連灣跨海

4、大橋的實(shí)例，大連理工大學(xué)課題組提出了自錨式斜拉，懸索協(xié)作體系橋梁來(lái)解決相應(yīng)的問題，還受到交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目“斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的研究”開發(fā)課題的資金資助。西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目基金(200631882350)。
　　 自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋作為一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，具備了傳統(tǒng)的斜拉一懸吊協(xié)作體系橋的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且由于龐大錨碇的取消，更好的適應(yīng)了深海軟土地基的建設(shè)，在不良地質(zhì)環(huán)境條件下具有強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)力，目前已被工程

5、界所采納。但從已有的文獻(xiàn)看，對(duì)這種橋型靜、動(dòng)力性能的研究頗為少見。為了確保自錨式斜拉.懸索橋施工和成橋運(yùn)營(yíng)期間的安全，使得自錨式斜拉.懸索橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理，本文以擬建的大連灣跨海大橋以及金州灣跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于幾何非線性有限元理論、圖論優(yōu)化理論，對(duì)大跨度自錨式懸索橋整體穩(wěn)定與極限承載力、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、地震響應(yīng)分析、抗震減震、顫振穩(wěn)定、抗震可靠度、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度等幾個(gè)方面開展了大跨度自錨式斜拉-懸索橋分析方法與性能方面的研究

6、。本文的研究工作和取得的主要成果有：
　　 1.結(jié)合設(shè)計(jì)基本資料及設(shè)計(jì)技術(shù)要求，提出了大連灣跨海大橋橋型方案的設(shè)計(jì)構(gòu)思，并對(duì)大橋自錨式斜拉.懸索橋的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。
　　 2.本文將圖論應(yīng)用于薄壁桿件結(jié)構(gòu)計(jì)算，建立了薄壁剖面的圖模型，利用關(guān)聯(lián)矩陣和基本回路矩陣簡(jiǎn)潔而又準(zhǔn)確地描述了薄壁剖面的拓?fù)潢P(guān)系。利用圖論導(dǎo)出的計(jì)算扇性坐標(biāo)、Bredt剪流、二次剪流和彎曲剪流的矩陣方程式。對(duì)任意復(fù)雜的薄壁剖面，只要建立了圖模型

7、，得到關(guān)聯(lián)矩陣和基本回路矩陣，就可利用以上各矩陣方程式方便地用電子計(jì)算機(jī)求解，從而避免了在具體計(jì)算過程中判斷剖面的拓?fù)潢P(guān)系而引起的困難。用圖論作工具，研究了薄壁桿件在自由扭轉(zhuǎn)時(shí)剖面極限扭矩的計(jì)算方法。
　　 3.分析研究了懸索橋、斜拉橋、自錨式斜拉懸索橋的相關(guān)理論。本文選擇大型通用有限元程序ANSYS作為結(jié)構(gòu)分析軟件，在求解過程中計(jì)入上述各種非線性因素的影響，以大連灣跨海大橋大連港主通航孔為工程背景，建立平面桿系計(jì)算模型。把自己

8、分析的梁柱效應(yīng)理論、虛位移原理應(yīng)用于自錨式斜拉懸索橋力學(xué)分析當(dāng)中，結(jié)合ANSYS有限元軟件，更好分析此橋產(chǎn)生的非線性力學(xué)效應(yīng)。
　　 4.基于有限元理論，考慮多種非線性因素，建立有限元模型，對(duì)大連灣跨海大橋大連港主通航孔推薦方案主跨800m的自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋的靜力行為進(jìn)行了詳盡分析，包括剛度特性、內(nèi)力、吊索疲勞問題、交接區(qū)的變形。
　　 5.自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的動(dòng)力特性主要包括體系的自振頻率和主振型，它

9、是該體系橋進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析的前提和基礎(chǔ)。通過建立空間有限元計(jì)算模型，對(duì)采用自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系的大連港跨海大橋的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，并與相同跨徑和結(jié)構(gòu)參數(shù)的地錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋進(jìn)行了對(duì)比研究，總結(jié)了自錨式斜拉一懸吊協(xié)作體系橋動(dòng)力特性的新特點(diǎn)并揭示了其原因。
　　 6.分別用反應(yīng)譜方法和時(shí)程分析方法對(duì)大連港海灣大橋擬定的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了抗震分析。根據(jù)抗震分析結(jié)果，選定了結(jié)構(gòu)體系，采用了摩擦支座減震技術(shù)，并對(duì)粘滯阻尼技術(shù)進(jìn)行

10、了探討。本文將精確高效的虛擬激勵(lì)法引入到自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的地震響應(yīng)分析中，對(duì)此橋在隨機(jī)地震荷載作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，重點(diǎn)考察了三種影響地震體系波作用下，考慮了多點(diǎn)激勵(lì)和地震動(dòng)的空間變化效應(yīng)以及阻尼的變化對(duì)該新型體系內(nèi)力和位移峰值的影響。以大連灣跨海大橋?yàn)槔?，基于由?guī)范反應(yīng)譜生成的當(dāng)量功率譜密度函數(shù)，對(duì)比分析了多點(diǎn)一致激勵(lì)和非一致激勵(lì)下其地震響應(yīng)的特點(diǎn)和規(guī)律，所得結(jié)論為該新型協(xié)作體系橋的抗震設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。鑒

11、于阻尼作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及動(dòng)力反應(yīng)中的一個(gè)重要參數(shù)，本章研究了阻尼器地選擇，作者主要選擇粘滯阻尼器，介紹了粘滯阻尼器地原理及其應(yīng)用方法，研究了阻尼比的變化對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。為該新型體系橋梁的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。
　　 7.針對(duì)大跨度自錨式斜拉.懸索橋可能存在的風(fēng)致振動(dòng)，對(duì)大連港海灣大橋進(jìn)行了顫振穩(wěn)定分析。
　　 本文簡(jiǎn)要介紹了橋梁靜力風(fēng)效應(yīng)與橋梁風(fēng)致振動(dòng)的基本理論，以大連灣跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過理論分析對(duì)大

12、跨度自錨式懸索橋的抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究。主要研究①運(yùn)用多模態(tài)顫振有限元分析方法，分別從懸索的矢跨比、吊跨比、斜拉索索面布置形式、邊跨輔助墩的設(shè)置以及橋面主梁構(gòu)成等設(shè)計(jì)參數(shù)著手，對(duì)主跨800m的一座自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋進(jìn)行了顫振穩(wěn)定性分析，指出了影響自錨斜拉-懸吊協(xié)作體系橋顫振穩(wěn)定性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，并從抗風(fēng)性能角度探討了自錨斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的合理結(jié)構(gòu)形式。②由變形引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性以及空氣力的非線性變化效應(yīng)將會(huì)對(duì)大跨徑自錨式一斜拉

13、懸索橋的顫振產(chǎn)生不容忽視的影響?；诮Y(jié)構(gòu)的變形后狀態(tài)，充分考慮結(jié)構(gòu)變形引起的非線性效應(yīng)，建立了大跨徑橋梁顫振分析的三維非線性方法及其計(jì)算程序。結(jié)合大連灣跨海大橋設(shè)計(jì)的自錨式斜拉-懸索橋進(jìn)行了顫振分析和研究，并揭示了結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的非線性效應(yīng)對(duì)大跨徑自錨式斜拉懸吊橋顫振影響的程度和機(jī)理。
　　 8.本文以大連灣跨海大橋作為研究對(duì)象，引入虛擬激勵(lì)法，對(duì)自錨式斜拉懸索橋的抗震動(dòng)力可靠度進(jìn)行了計(jì)算分析。分別計(jì)算了考慮均勻地面激勵(lì)、空間效應(yīng)