索桿梁耦合結(jié)構(gòu)非線性動響應分析模型及其應用研究.pdf

1、實際工程中有很多都可以理想化為索桿梁耦合體系，例如橋梁工程中的斜拉索橋，高壓架空輸電線與塔架等。在惡劣的自然環(huán)境條件下，耦合體系結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生某一（或某些）桿件破壞失效，產(chǎn)生瞬態(tài)動響應，并在耦合體系中傳播至其他桿件，進而導致其他桿件的繼續(xù)破壞。因此，有必要建立一個能夠反應結(jié)構(gòu)實際力學狀態(tài)的理論分析模型，并且能夠分析桿件連續(xù)破壞后耦合體系動響應變化規(guī)律，指導整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計及動響應監(jiān)測。在索桿梁耦合體系結(jié)構(gòu)中，索結(jié)構(gòu)與其他桿件連接時，連接處

2、可能存在摩擦滑移；梁桿單元耦合時，由于連接裝置的不同，不能簡單得認為是完全固接或完全鉸接，為研究索桿梁耦合結(jié)構(gòu)在某一（或某些）桿件破壞后的非線性動響應變化規(guī)律，首先需要建立一個能夠反應結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)的耦合結(jié)構(gòu)分析模型。
　　 基于上述研究目的，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬等手段，首先分別從索桿梁耦合結(jié)構(gòu)的主要組成部分索結(jié)構(gòu)和梁桿結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立了考慮摩擦滑移的索單元分析模型和考慮耦合節(jié)點構(gòu)造的梁桿單元分析模型；其次聯(lián)立索、桿、梁結(jié)構(gòu)分

3、析模型建立了耦合體系分析模型，作為動響應分析的基準模型：最后提出了桿件連續(xù)破壞失效的非線性動響應分析方法，以架空輸電線路耐張段為例，分別探討了當導線（索單元）、絕緣子（桿單元）及鐵塔構(gòu)件（梁單元）破壞失效后的結(jié)構(gòu)動響應變化，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計和現(xiàn)場監(jiān)測提出了有益的建議和方案。主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)以索桿梁耦合體系組成部分之一的索結(jié)構(gòu)為研究對象，根據(jù)索結(jié)構(gòu)在施工和運營過程中可能出現(xiàn)的索與其他構(gòu)件連接結(jié)構(gòu)之間的摩擦滑移作用，首先

4、基于更新拉格朗日格式推導了三節(jié)點直線型滑索單元幾何非線性剛度矩陣，闡述了滑索單元的檢索算法：其次根據(jù)索微段的平衡方程，在平面滑移索的基礎(chǔ)上，考慮平面外剛度系數(shù)，建立了空間懸鏈線型摩擦滑移索分析模型。通過與不考慮摩擦滑移的直線索單元、以及平面滑索模型的計算結(jié)果比較，驗證了分析模型的有效性，可將其作為索桿梁耦合體系的特殊索段，分別與梁桿單元和一般非線性索單元相連接。
　　 (2)以索桿梁耦合體系組成部分之一的梁桿結(jié)構(gòu)為研究對象，通過

5、兩端鉸接的簡單桿單元的變形和受力之間的關(guān)系，在整體坐標系下直接推導出桿單元的切線剛度矩陣。然后基于更新拉格朗日列式推導了開口截面的薄壁梁單元切線剛度矩陣，考慮了剪切中心與形心分離，并建立了偏心修正矩陣，論述了梁單元的內(nèi)力計算方法。通過分析實際工程結(jié)構(gòu)中的節(jié)點構(gòu)造特點，確定了在大型梁桿耦合體系有限元模型中各單元的耦合處理方法。以某一鼓型輸電鐵塔為實例，計算了耦合結(jié)構(gòu)的動力特性，將計算結(jié)果與經(jīng)典的空間桁架結(jié)構(gòu)和空間剛架結(jié)構(gòu)做比較，驗證了模型

6、的有效性。
　　 (3)采用靜力凝聚和相應自由度擴充等手段，將索、桿、梁單元平衡矩陣進行組裝，建立了索桿梁耦合結(jié)構(gòu)分析模型。針對實際桿系結(jié)構(gòu)的破壞特點，設(shè)置桿件破壞閥值，提出了模擬桿件連續(xù)破壞后耦合體系動響應的分析方法，采用直接積分法求解耦合結(jié)構(gòu)的運動方程。
　　 (4)以某一架空輸電線路耐張段為工程實例，選取合適的索、桿、梁單元分析模型分別離散導線（或地線）、絕緣子及鐵塔等構(gòu)件，通過滑索單元分析模型的非線性靜力分析確定