大跨度懸索橋主纜彎曲剛度效應(yīng)及二次應(yīng)力研究.pdf

1、懸索橋具有跨越能力大、抗震性能好、輕巧美觀、結(jié)構(gòu)形式多樣及對(duì)地形適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是大跨度橋梁的首選橋型。隨著大跨度懸索橋建設(shè)的迅猛發(fā)展，主纜截面越來(lái)越大，比如香港青馬大橋和明石海峽大橋的主纜直徑已經(jīng)達(dá)到1.1m。由于受到鞍座、索夾和纏絲等因素的影響，大截面主纜的彎曲剛度對(duì)其線形和受力的影響更為復(fù)雜。主纜除了承受恒載和活載所產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力外，還受到索鞍轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力以及由制造和施工引起的鋼絲不均勻軸向應(yīng)力等二次應(yīng)力，而二次應(yīng)力是

2、確定主纜安全系數(shù)的重要依據(jù)。作為懸索橋的主要受力構(gòu)件，對(duì)主纜的分析必須嚴(yán)密精確，對(duì)保證主纜的安全性、耐久性以及對(duì)懸索橋進(jìn)行工程控制的精確性具有重要意義。通過(guò)理論分析并結(jié)合模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)大跨度懸索橋主纜的彎曲剛度效應(yīng)和二次應(yīng)力進(jìn)行了深入而系統(tǒng)的研究，主要研究?jī)?nèi)容、方法和成果如下：
　　(1)將主纜離散為小撓度的細(xì)長(zhǎng)梁?jiǎn)卧?，推?dǎo)包含自重項(xiàng)的細(xì)長(zhǎng)梁?jiǎn)卧膭偠染仃?，其中考慮了軸力對(duì)彎曲剛度的影響及彎矩引起的軸向剛度修正系數(shù)，建立基于

3、細(xì)長(zhǎng)梁?jiǎn)卧闹骼|線形計(jì)算方法并編制程序。計(jì)算結(jié)果表明彎曲剛度對(duì)主纜線形的影響主要位于跨中和靠近橋塔的部分區(qū)域以及吊索力較大的吊點(diǎn)位置處，且矢跨比越大，線形計(jì)算誤差越大。以西堠門大橋主纜為原型，設(shè)計(jì)了9根分別由不同直徑和不同數(shù)量鋼絲組成的懸索模型，對(duì)懸索的靜力荷載變形及自振特性進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)了所建立的基于細(xì)長(zhǎng)梁?jiǎn)卧?jì)算方法的可靠性，并得到了彎曲剛度對(duì)主纜變形影響程度及彎曲剛度取值的定性結(jié)果。
　　(2)提出了一種新

4、型的初彎曲梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬主纜的彎曲剛度和初始彎曲，通過(guò)虛功增量方程推導(dǎo)其切線剛度矩陣，并編制了基于U.L.列式的主纜非線性有限元程序，程序中實(shí)現(xiàn)了主纜在索鞍處的線形修正及主纜幾何特性隨施工進(jìn)程的變化。利用程序建立南京長(zhǎng)江四橋主纜施工過(guò)程的有限元模型，計(jì)算結(jié)果表明:彎曲剛度使主纜在恒載作用下的豎向變形減小，成橋狀態(tài)時(shí)由此引起的主纜線形計(jì)算偏差沒(méi)有超過(guò)工程精度的要求;成橋狀態(tài)時(shí)靠近橋塔的吊索吊點(diǎn)和限位吊索吊點(diǎn)處主纜的彎矩及彎曲應(yīng)力顯著。

5、>　　(3)根據(jù)主纜由離散鋼絲組成的截面在彎曲變形過(guò)程中產(chǎn)生滑移的特點(diǎn)，提出并建立了主纜分層單元模型，并給出了層間極限摩擦力的計(jì)算方法。設(shè)計(jì)了一套索股拉彎模型試驗(yàn)的支架及加載系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)由61根鋼絲組成的索股在拉彎荷載作用下的斷面分層應(yīng)力和變形進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明:分層單元模型能夠真實(shí)地模擬索股斷面應(yīng)力及變形特性;均布纏絲力及索股軸力均在索股鋼絲產(chǎn)生滑移后對(duì)斷面不均勻應(yīng)力和變形有顯著的影響;索股長(zhǎng)度僅在鋼絲間全部產(chǎn)生滑移后才會(huì)對(duì)不均勻應(yīng)力

6、產(chǎn)生影響;索股斷面的不均勻應(yīng)力與端部轉(zhuǎn)角之間的斜率反映了索股的彎曲剛度，其隨著索股層間滑移區(qū)域的擴(kuò)大而減小;在相同的端部轉(zhuǎn)角作用下，均布纏絲力越大或軸力越小，索股的彎曲剛度就越大，不均勻應(yīng)力和變形也就越大。
　　(4)對(duì)南京長(zhǎng)江四橋加勁梁吊裝過(guò)程中索鞍附近主纜斷面的應(yīng)力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果表明:主纜斷面的二次應(yīng)力主要由鋼絲的不均勻軸向應(yīng)力組成;二次應(yīng)力隨著施工進(jìn)程在嵌固端處逐漸積累，且變化趨勢(shì)與主纜在索鞍處的轉(zhuǎn)角變化一致;根據(jù)測(cè)試