鋼桁公鐵斜拉橋極限狀態(tài)分析.pdf

1、近年來，隨著鐵路現(xiàn)代化的建設(shè)，跨越大江大河線路工程的增加，斜拉橋以其優(yōu)美的線型、良好的跨越性能等特點成為公鐵兩用橋梁的主要推薦方案。但由于其本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，國內(nèi)外對其研究的資料和成果很少。為了確保鋼桁公鐵斜拉橋在成橋運營期間的安全性，使得鋼桁公鐵斜拉橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加經(jīng)濟合理，本文以武漢天興洲大橋鋼桁公鐵斜拉橋為工程背景，以超大跨斜拉橋設(shè)計理論與密索多索問題為主線，開展了索力優(yōu)化與非線性問題、鋼桁公鐵斜拉橋自振特性分析、力學(xué)性能參數(shù)研究

2、、控制構(gòu)件分析等問題的研究工作。本文的研究工作和取得的主要成果有： （1）以天興洲大橋為工程背景，系統(tǒng)地研究總結(jié)了各種斜拉橋索力優(yōu)化方法，提出了一套基于幾何非線性有限元理論的大跨度密索體系斜拉橋成橋索力多目標優(yōu)化和兩階段迭代計算法，詳細討論了大跨度鋼桁公鐵斜拉橋成橋索力計算方法。經(jīng)過與經(jīng)典算例的計算結(jié)果進行對比，對程序的精度和可靠性加以了驗證。實現(xiàn)了大跨度密索斜拉橋成橋索力方便快捷的計算，并可保證成橋狀態(tài)斜拉橋塔梁索的應(yīng)力狀態(tài)比

3、較理想。 （2）介紹了幾何非線性分析中梁單元、桿單元、索單元、板單元的處理方法。將空間梁（桿）單元、空間懸鏈線索單元以及空間板殼單元結(jié)合起來，形成了一套完整的適合于斜拉橋結(jié)構(gòu)分析的幾何非線性有限元計算方法。比較了五種設(shè)計荷載工況下的靜力分析結(jié)果，確定出最不利荷載工況，進行全橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析計算。按極限狀態(tài)分析法進行作用效應(yīng)組合，計算極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形，主塔、主桁桿件、橋面系、拉索的應(yīng)力分布和應(yīng)力水平。確定出對結(jié)構(gòu)安全性貢獻最大的控

4、制構(gòu)件。研究表明，主桁豎桿為鋼桁公鐵斜拉橋結(jié)構(gòu)體系中最重要受力構(gòu)件，在承載能力極限狀態(tài)下，主桁豎桿的最大拉應(yīng)力水平超過材料容許拉應(yīng)力的50％，因此對鋼桁公鐵斜拉橋在設(shè)計施工中，對主桁豎桿的應(yīng)力控制尤為重要。 （3）對斜拉橋非線性計算方法進行了歸納總結(jié)，就非線性對結(jié)構(gòu)安全性的影響進行了綜合比較研究。討論了幾何非線性對成橋索力以及恒載作用下結(jié)構(gòu)變形的影響，結(jié)果表明，幾何非線性對恒載很大的鋼桁公鐵斜拉橋的成橋索力以及恒載作用下主跨跨中

5、撓度影響不大，在進行大跨度公鐵斜拉橋成橋索力計算程序編譯時，在同時能夠提高運算速度又能滿足計算結(jié)果精度的要求下，可以忽略幾何非線性的影響。此外，還分析了幾何非線性對極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)變形，主塔、主桁桿件、橋面系、拉索的應(yīng)力分布和應(yīng)力水平的影響。分析結(jié)果表明，在對運營狀態(tài)下的鋼桁公鐵斜拉橋進行受力特性分析的時候，必須計入幾何非線性的影響，主塔應(yīng)力分布和應(yīng)力水平受幾何非線性影響尤為明顯，其它的構(gòu)件，如主桁斜桿、下弦桿以及鐵路橫縱平系等受幾何非線

6、性的影響也較大。 （4）對天興洲鋼桁公鐵斜拉橋模型進行動力特性分析，并依此為基礎(chǔ)，研究了最佳索塔高跨比、邊中跨之比、主梁高跨比以及最佳輔助墩位置，并討論了主塔剛度、拉索抗拉剛度、鋼桁梁各桿件剛度、橋面板剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對天興洲大橋自振特性性能的影響。經(jīng)過對大跨度鋼桁梁斜拉橋的研究，得出最佳索塔高跨比為1/3、最佳的輔助墩布置范圍在最外側(cè)拉索索位與中索（與最長索和最短索距離相等的位置）索位之間等結(jié)論，研究還發(fā)現(xiàn)，通過改變鋼桁主梁