外文翻譯--大跨度斜拉橋的力學性能（譯文）

1、中文 中文 7500 字 出處： 出處：Ren W X. Ultimate Behavior of Long-Span Cable-Stayed Bridges[J]. Journal of Bridge Engineering, 1999, 4(1):30-37.大跨度斜拉橋的力學性能 大跨度斜拉橋的力學性能——任維新摘要: 本文撰寫主要研究大跨度斜拉橋失效的非線性靜態(tài)和力學性能，并評估斜 拉橋的整體安全性能。其中，涉及了幾何與材料

2、非線性分析。幾何的非線性是由 于纜索垂效應、軸向彎曲力的相互作用以及大變形效應引起。而當一個或多個橋 梁元素超出它們各自的彈性極限時，也會呈現(xiàn)出材料的非線性。以我國正在施工 建設的大跨度斜拉橋為例：該橋中跨為 650m，主梁采用鋼箱梁，塔柱為鋼筋混凝 土結構。根據(jù)極值點失穩(wěn)的概念，在恒載作用下引起的構件穩(wěn)定變形時，開始進 行橋梁的極限承載能力分析。相關的鋼梁硬化和主梁支撐條件對橋梁極限承載力 的影響，人們已做了研究。結果顯示幾何非線性對

3、橋梁性能的影響比材料非線性 小得多。大跨度斜拉橋的整體安全性主要取決于橋梁各自相關的材料非線性性 能。然而，根據(jù)分界點失穩(wěn)原理，計算所得的臨界荷載大大超出了橋梁的實際安 全值。所以，大跨度斜拉橋的極限承載能力分析和健全性評估，應根據(jù)極值點失 穩(wěn)原理，并且必須標出橋梁從加載到破壞的拉伸性能。前言梁體通過拉索傾斜張拉固定的設計概念可以追溯到公元七世紀（Fleming 1972），但現(xiàn)代斜拉橋的興起始于 20 世紀 50 年代中期。現(xiàn)代斜拉橋

4、在橋梁工程中 日益普及的原因，可歸結以下幾點：（1） 橋型美觀；（2）能充分和有效地利 用結構的材料性能；（3）增大的剛度超過懸索橋；（4）施工方法高效、快捷 ；（5）橋梁構造尺寸相對較小。 過去 40 年來，大跨度斜拉橋取得了快速的發(fā)展。斜拉橋正進入一個嶄新的時代：中跨長度達到 400—1000m，甚至更長。隨著中跨跨度的增大，斜拉橋趨向于 使用更薄和更細長的加勁梁，這能符合空氣動力學的要求。鑒于此情形，在活載 和外界引發(fā)的動荷載（

5、如撞擊，風和地震）作用下，橋梁安全（強度、剛度和穩(wěn) 定）的日益重要性在設計和施工中應給予關注。大跨度斜拉橋呈現(xiàn)出荷載作用下的非線性特征。眾所周知，大跨度纜索承重 結構是由高幾何非線性的復雜結構件組成。? 斜拉索的非線性軸向拉伸性能，應由于自重引起的下垂（垂效應）引起的不 同張拉應力大小。? 塔梁上，軸向荷載和彎矩的組合效應。? 結構幾何變形產生大位移。 此外，在極限承載能力分析和健全性評估中，應包括每個橋梁因素（包括屈服）的非線性應力-

6、應變狀態(tài)。 許多研究者提出了不同的分析方法來解決這類高度非線性結構（如 Baron 和正如所有結構的非線性分析,大跨徑斜拉橋的非線性分析最終也僅需推算體 系的非線性增量平衡方程和解這類方程。研究大跨度斜拉橋的非線性性能，非線 性有限元方法(NFEM)已是相當?shù)牧餍?。根?jù)上述的幾何非線性原由,一些 NFEM 已 提供理論依據(jù)。以 Fleming(1979)或 Nazmy 和 Abdel-Ghaffar(1990)提出的理論為 例, 通過

7、恩斯特的等效彈性模量法計算得出斜拉索下垂繞度，其中，每一節(jié)點坐 標的結構幾何尺寸變化是由于大變形引起。此計算考慮了平衡狀態(tài)下梁體的軸向 應力—彎曲的耦合作用。事實上,利用恩斯特的等效彈性模量(2)的原理, 斜拉索的切向剛度矩陣僅 等于長度為 L、橫截面積為 A 的桁架單元剛度矩陣。因而桁架單元可以快速建立斜 拉索模型。而通過常規(guī)梁單元可以建立縱向彎曲和軸向受壓結構（如主梁和塔柱） 的模型?？梢约俣ǎ捍罂缍刃崩瓨蚪M成構件的幾何變形可以

8、由大位移、大旋轉及小應 變表征。隨著有限變形理論 (如 Washizu 1982 年)和 NFEM 方法(如 Bathe 和 Bolourchi 1979 年) 的發(fā)展,研究人員更傾向于使用 NFEM 方法來研究大跨度斜拉 橋非線性變化。有限元理論應用是建立在可以充分描述的連續(xù)體變形過程。它嚴格區(qū)分相對 穩(wěn)定的變形體。以下有幾個實用的 NFEM 理論：? 整體拉格朗日法? 修正拉格朗日法? 變形理論 這些理論都涉及大位移、大旋轉及

9、小變形。因此,之前提及的大跨度斜拉橋所有的幾何非線性,可以認為是正確的。 斜拉橋通常是由三個主要部分(或橋梁結構)組成，即：纜索、梁,和塔柱。這些結構部件可能是用不同的材料做的。因此,大跨度斜拉橋往往是由不同的材 料構成的復雜體系。大跨度斜拉橋的材料非線性分析應根據(jù)個別構件中各自材料 的非線性應力-應變變化。當構件的一些點(應力集中點)超出個人材料的屈服極 限時，結構的剛度矩陣應重新修訂形成彈塑性剛度矩陣。橋梁承受兩種荷載作用,即恒載和