索桿梁耦合結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)響應(yīng)分析模型及其應(yīng)用研究.pdf

1、實(shí)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(huì)發(fā)生某一（或某些）桿件破壞失效，產(chǎn)生瞬態(tài)動(dòng)響應(yīng)，并在耦合體系中傳播至其他桿件，進(jìn)而導(dǎo)致其他桿件的繼續(xù)破壞。因此，有必要建立一個(gè)能夠反應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)際力學(xué)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(dòng)響應(yīng)變化規(guī)律，指導(dǎo)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)。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(shí)，連接處

2、可能存在摩擦滑移；梁桿單元耦合時(shí)，由于連接裝置的不同，不能簡(jiǎn)單得認(rèn)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(dòng)響應(yīng)變化規(guī)律，首先需要建立一個(gè)能夠反應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)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(diǎn)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(dòng)響應(yīng)分析的基準(zhǔn)模型：最后提出了桿件連續(xù)破壞失效的非線性動(dòng)響應(yīng)分析方法，以架空輸電線路耐張段為例，分別探討了當(dāng)導(dǎo)線（索單元）、絕緣子（桿單元）及鐵塔構(gòu)件（梁?jiǎn)卧┢茐氖Ш蟮慕Y(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)變化，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)提出了有益的建議和方案。主要研究?jī)?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(duì)象，根據(jù)索結(jié)構(gòu)在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)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(dǎo)了三節(jié)點(diǎn)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(guò)與不考慮摩擦滑移的直線索單元、以及平面滑索模型的計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn)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(duì)象，通過(guò)

5、兩端鉸接的簡(jiǎn)單桿單元的變形和受力之間的關(guān)系，在整體坐標(biāo)系下直接推導(dǎo)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(dǎo)了開(kāi)口截面的薄壁梁?jiǎn)卧芯€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?jiǎn)卧膬?nèi)力計(jì)算方法。通過(guò)分析實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特點(diǎn)，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(shí)例，計(jì)算了耦合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，將計(jì)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(yàn)證了模型

6、的有效性。
　　 (3)采用靜力凝聚和相應(yīng)自由度擴(kuò)充等手段，將索、桿、梁?jiǎn)卧胶饩仃囘M(jìn)行組裝，建立了索桿梁耦合結(jié)構(gòu)分析模型。針對(duì)實(shí)際桿系結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)，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(dòng)響應(yīng)的分析方法，采用直接積分法求解耦合結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程。
　　 (4)以某一架空輸電線路耐張段為工程實(shí)例，選取合適的索、桿、梁?jiǎn)卧治瞿Ｐ头謩e離散導(dǎo)線（或地線）、絕緣子及鐵塔等構(gòu)件，通過(guò)滑索單元分析模型的非線性靜力分析確定