大跨度自錨式斜拉懸索橋分析方法與性能研究.pdf

1、近年來，隨著交通科技的發(fā)展各種各樣的橋型也隨即產(chǎn)生，大跨徑懸索橋與大跨徑斜拉橋更是發(fā)展迅速。但是隨著橋梁所處的空間、施工條件以及經(jīng)濟造價的限制，這些大跨徑橋型越來越受到限制；橋型多樣化，空間結(jié)構(gòu)橋梁增多是橋梁發(fā)展的趨勢所在。新工藝、新材料和高性能計算機的出現(xiàn)，使得與橋梁設計相關理論在近三十年得以迅速發(fā)展、完善。
　　 概念設計方面：經(jīng)過解析與數(shù)值分析理論的發(fā)展，明確了典型結(jié)構(gòu)體系的力學特性，涌現(xiàn)了各種樣式懸索橋、斜拉橋，協(xié)作體系

2、橋梁。自錨式、地錨式懸索橋以其優(yōu)美的線型、新穎的外觀以及選址靈活等特點受到大家喜歡。地錨式懸索橋雖然是大跨徑甚至超大跨徑橋梁的首選，但是它那碩大的錨碇受到施工以及經(jīng)濟的制約越來越讓人們傷透腦筋。自錨式懸索橋而越來越受到青睞，一大批大跨度自錨式懸索橋也就應運而生。但是受到材料以及力學體系的限制跨徑也受到很大制約，只能在中小跨徑徘徊。斜拉橋的跨徑也作的越來越大，已經(jīng)超過千米的斜拉橋世界上也有好幾座，發(fā)展勢頭也銳增。斜拉橋的剛度以及挺拔的力度

3、也受到人們的青睞，在中小跨徑以及大跨徑橋梁，跨江、跨海等地理位置復雜的地形、還有風速以及地震惡劣環(huán)境條件下的地形都能看到斜拉橋挺拔的身影。但是斜拉橋隨著跨徑的增加，隨著力學體系要求，斜拉橋的塔高越來也越高，千米級斜拉橋的塔高達到350多米甚至400米，這么高的普通建筑都受到力學和環(huán)境的挑戰(zhàn)，何況還受到靜力以及動力不斷施加的橋梁，施工難度以及監(jiān)控相當復雜。況且還有地形以及航空管制等外界事物的必然限制。綜合以上很多因素的考慮，基于大連灣跨海

4、大橋的實例，大連理工大學課題組提出了自錨式斜拉，懸索協(xié)作體系橋梁來解決相應的問題，還受到交通部西部交通建設科技項目“斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的研究”開發(fā)課題的資金資助。西部交通建設科技項目基金(200631882350)。
　　 自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋作為一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，具備了傳統(tǒng)的斜拉一懸吊協(xié)作體系橋的諸多優(yōu)點，而且由于龐大錨碇的取消，更好的適應了深海軟土地基的建設，在不良地質(zhì)環(huán)境條件下具有強勁的競爭力，目前已被工程

5、界所采納。但從已有的文獻看，對這種橋型靜、動力性能的研究頗為少見。為了確保自錨式斜拉.懸索橋施工和成橋運營期間的安全，使得自錨式斜拉.懸索橋結(jié)構(gòu)的設計更加經(jīng)濟合理，本文以擬建的大連灣跨海大橋以及金州灣跨海大橋為工程背景，基于幾何非線性有限元理論、圖論優(yōu)化理論，對大跨度自錨式懸索橋整體穩(wěn)定與極限承載力、結(jié)構(gòu)動力特性、地震響應分析、抗震減震、顫振穩(wěn)定、抗震可靠度、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度等幾個方面開展了大跨度自錨式斜拉-懸索橋分析方法與性能方面的研究

6、。本文的研究工作和取得的主要成果有：
　　 1.結(jié)合設計基本資料及設計技術要求，提出了大連灣跨海大橋橋型方案的設計構(gòu)思，并對大橋自錨式斜拉.懸索橋的結(jié)構(gòu)體系進行了創(chuàng)新性設計。
　　 2.本文將圖論應用于薄壁桿件結(jié)構(gòu)計算，建立了薄壁剖面的圖模型，利用關聯(lián)矩陣和基本回路矩陣簡潔而又準確地描述了薄壁剖面的拓撲關系。利用圖論導出的計算扇性坐標、Bredt剪流、二次剪流和彎曲剪流的矩陣方程式。對任意復雜的薄壁剖面，只要建立了圖模型

7、，得到關聯(lián)矩陣和基本回路矩陣，就可利用以上各矩陣方程式方便地用電子計算機求解，從而避免了在具體計算過程中判斷剖面的拓撲關系而引起的困難。用圖論作工具，研究了薄壁桿件在自由扭轉(zhuǎn)時剖面極限扭矩的計算方法。
　　 3.分析研究了懸索橋、斜拉橋、自錨式斜拉懸索橋的相關理論。本文選擇大型通用有限元程序ANSYS作為結(jié)構(gòu)分析軟件，在求解過程中計入上述各種非線性因素的影響，以大連灣跨海大橋大連港主通航孔為工程背景，建立平面桿系計算模型。把自己

8、分析的梁柱效應理論、虛位移原理應用于自錨式斜拉懸索橋力學分析當中，結(jié)合ANSYS有限元軟件，更好分析此橋產(chǎn)生的非線性力學效應。
　　 4.基于有限元理論，考慮多種非線性因素，建立有限元模型，對大連灣跨海大橋大連港主通航孔推薦方案主跨800m的自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋的靜力行為進行了詳盡分析，包括剛度特性、內(nèi)力、吊索疲勞問題、交接區(qū)的變形。
　　 5.自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的動力特性主要包括體系的自振頻率和主振型，它

9、是該體系橋進行動力響應分析的前提和基礎。通過建立空間有限元計算模型，對采用自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系的大連港跨海大橋的動力特性進行了分析，并與相同跨徑和結(jié)構(gòu)參數(shù)的地錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋進行了對比研究，總結(jié)了自錨式斜拉一懸吊協(xié)作體系橋動力特性的新特點并揭示了其原因。
　　 6.分別用反應譜方法和時程分析方法對大連港海灣大橋擬定的結(jié)構(gòu)體系進行了抗震分析。根據(jù)抗震分析結(jié)果，選定了結(jié)構(gòu)體系，采用了摩擦支座減震技術，并對粘滯阻尼技術進行

10、了探討。本文將精確高效的虛擬激勵法引入到自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的地震響應分析中，對此橋在隨機地震荷載作用下的地震響應進行了系統(tǒng)地研究，重點考察了三種影響地震體系波作用下，考慮了多點激勵和地震動的空間變化效應以及阻尼的變化對該新型體系內(nèi)力和位移峰值的影響。以大連灣跨海大橋為例，基于由規(guī)范反應譜生成的當量功率譜密度函數(shù)，對比分析了多點一致激勵和非一致激勵下其地震響應的特點和規(guī)律，所得結(jié)論為該新型協(xié)作體系橋的抗震設計提供了有價值的參考。鑒

11、于阻尼作為結(jié)構(gòu)動力特性及動力反應中的一個重要參數(shù)，本章研究了阻尼器地選擇，作者主要選擇粘滯阻尼器，介紹了粘滯阻尼器地原理及其應用方法，研究了阻尼比的變化對結(jié)構(gòu)地震反應的影響。為該新型體系橋梁的進一步設計提供了有價值的參考。
　　 7.針對大跨度自錨式斜拉.懸索橋可能存在的風致振動，對大連港海灣大橋進行了顫振穩(wěn)定分析。
　　 本文簡要介紹了橋梁靜力風效應與橋梁風致振動的基本理論，以大連灣跨海大橋為工程背景，通過理論分析對大

12、跨度自錨式懸索橋的抗風性能進行了研究。主要研究①運用多模態(tài)顫振有限元分析方法，分別從懸索的矢跨比、吊跨比、斜拉索索面布置形式、邊跨輔助墩的設置以及橋面主梁構(gòu)成等設計參數(shù)著手，對主跨800m的一座自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋進行了顫振穩(wěn)定性分析，指出了影響自錨斜拉-懸吊協(xié)作體系橋顫振穩(wěn)定性的關鍵設計參數(shù)，并從抗風性能角度探討了自錨斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的合理結(jié)構(gòu)形式。②由變形引起的結(jié)構(gòu)動力特性以及空氣力的非線性變化效應將會對大跨徑自錨式一斜拉

13、懸索橋的顫振產(chǎn)生不容忽視的影響?；诮Y(jié)構(gòu)的變形后狀態(tài)，充分考慮結(jié)構(gòu)變形引起的非線性效應，建立了大跨徑橋梁顫振分析的三維非線性方法及其計算程序。結(jié)合大連灣跨海大橋設計的自錨式斜拉-懸索橋進行了顫振分析和研究，并揭示了結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的非線性效應對大跨徑自錨式斜拉懸吊橋顫振影響的程度和機理。
　　 8.本文以大連灣跨海大橋作為研究對象，引入虛擬激勵法，對自錨式斜拉懸索橋的抗震動力可靠度進行了計算分析。分別計算了考慮均勻地面激勵、空間效應