外文翻譯--大跨度斜拉橋的力學(xué)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(xué)性能 大跨度斜拉橋的力學(xué)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(xué)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(yīng)、軸向彎曲力的相互作用以及大變形效應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)。根據(jù)極值點失穩(wěn)的概念，在恒載作用下引起的構(gòu)件穩(wěn)定變形時，開始進 行橋梁的極限承載能力分析。相關(guān)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(jié)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(guān)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(yīng)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(shè)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(jié)以下幾點：（1） 橋型美觀；（2）能充分和有效地利 用結(jié)構(gòu)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(gòu)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(xué)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(shè)計和施工中應(yīng)給予關(guān)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(jié)構(gòu)是由高幾何非線性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件組成。? 斜拉索的非線性軸向拉伸性能，應(yīng)由于自重引起的下垂（垂效應(yīng)）引起的不 同張拉應(yīng)力大小。? 塔梁上，軸向荷載和彎矩的組合效應(yīng)。? 結(jié)構(gòu)幾何變形產(chǎn)生大位移。 此外，在極限承載能力分析和健全性評估中，應(yīng)包括每個橋梁因素（包括屈服）的非線性應(yīng)力-

6、應(yīng)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(jié)構(gòu)（如 Baron 和正如所有結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)（如主梁和塔柱） 的模型。可以假定：大跨度斜拉橋組成構(gòu)件的幾何變形可以

8、由大位移、大旋轉(zhuǎn)及小應(yīng) 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(yīng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu))組成，即：纜索、梁,和塔柱。這些結(jié)構(gòu)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(gòu)成的復(fù)雜體系。大跨度斜拉橋的材料非線性分析應(yīng)根據(jù)個別構(gòu)件中各自材料 的非線性應(yīng)力-應(yīng)變變化。當構(gòu)件的一些點(應(yīng)力集中點)超出個人材料的屈服極 限時，結(jié)構(gòu)的剛度矩陣應(yīng)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