多塔斜拉橋幾何非線性分析及其索力優(yōu)化研究.pdf

1、斜拉橋是由主梁、索塔和斜拉索組成的高次超靜定柔性結(jié)構(gòu)體系。拉索受拉，塔梁受壓彎組合作用，當(dāng)斜拉橋跨度變大時(shí)，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的幾何非線性。因此，在斜拉橋的計(jì)算分析中應(yīng)充分考慮非線性影響。另外，由于斜拉橋的索力可以人為的張拉調(diào)整，從而決定了成橋內(nèi)力狀態(tài)的多樣性。因此，為使斜拉橋工作在一個(gè)更合理的內(nèi)力狀態(tài)下，有必要展開其最優(yōu)索力的研究。本文圍繞斜拉橋幾何非線性及索力優(yōu)化展開了研究，核心內(nèi)容主要包括3個(gè)部分:
　　(1)介紹了幾何非線性分析

2、的TL、 UL及CR列式理論，給出了橋梁結(jié)構(gòu)常用單元——桁架單元、梁單元、索單元及板單元切線剛度矩陣表達(dá)式，并借助MATLAB數(shù)值編程軟件，對本文的理論進(jìn)行了實(shí)例考證。梁單元算例表明，CR-TL列式要遠(yuǎn)優(yōu)于CR-UL列式，其主要特點(diǎn)為在CR坐標(biāo)系下精確扣除單元?jiǎng)傮w運(yùn)動(dòng)以及計(jì)算單元抗力時(shí)基于整體平衡條件而不是增量平衡條件，相比CR-UL列式能避免誤差累積和取消增量步內(nèi)小轉(zhuǎn)動(dòng)限制，具有高精度與效率。板單元算例表明，有限元中高斯積分階次取到4

3、階即可，過高的階次對最終計(jì)算結(jié)果精度的提高是無益的。
　　(2)建立赤石大橋的4種分析模型——完全線性模型、僅考慮垂度效應(yīng)（等效彈性模量法）的非線性模型、考慮大位移和塔梁二階效應(yīng)的非線性模型、考慮全部非線性因素的非線性模型，分析了各特殊施工階段塔梁變形及內(nèi)力的非線性影響。另外，利用MATLAB編程分析了等效彈性模量法模擬斜拉索的計(jì)算誤差。最后，以非線性理論、線性二階理論及線性理論對成橋階段活載的非線性影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明，等效彈

4、性模量法計(jì)算誤差對低應(yīng)力的長索很大，其計(jì)算精度嚴(yán)重依賴于所選取的荷載步個(gè)數(shù)。垂度效應(yīng)對主梁變形影響大，但對主梁內(nèi)力的影響小，在各施工階段垂度效應(yīng)對主梁彎矩影響均在5％以內(nèi)。大位移及塔梁二階效應(yīng)對主梁內(nèi)力非線性影響很大，對彎矩的非線性影響可高達(dá)20％以上。成橋階段活載非線性影響很小，可近似按線性理論計(jì)算。
　　(3)建立赤石大橋施工索力與成橋狀態(tài)變量間影響矩陣，以主梁彎曲能量為目標(biāo)函數(shù)，考慮到活載影響對目標(biāo)函數(shù)加以修正，運(yùn)用正裝迭代