大跨度索拱組合體系非線性靜動(dòng)力性能研究.pdf

1、隨著輕質(zhì)、高強(qiáng)、低阻尼索結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，索拱組合體系在土木工程中具有廣泛的應(yīng)用，最早應(yīng)用于體育館等建筑結(jié)構(gòu)中，在橋梁工程中的應(yīng)用主要是作為大跨度拱橋施工過程中的臨時(shí)受力結(jié)構(gòu)體系，作為永久性受力結(jié)構(gòu)體系在橋梁工程中應(yīng)用仍處于探索階段。本文以橋梁工程中廣泛存在的索拱組合體系為工程背景，主要進(jìn)行兩個(gè)方面的研究：一是以國內(nèi)第一座將索拱作為永久性受力結(jié)構(gòu)體系的橋梁一湘江四大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，從非線性有限元法的基本原理出發(fā)，考慮幾何和材料雙重非線性，對(duì)索拱

2、組合橋這一新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能進(jìn)行了深入的研究；二是以在采用纜索吊裝施工方法的拱橋中廣泛存在的臨時(shí)索拱組合體系為研究對(duì)象，利用非線性動(dòng)力學(xué)的基本理論，對(duì)索的參數(shù)共振和亞諧波共振以及索拱相互激勵(lì)的內(nèi)共振、分叉、混沌等非線性動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究，工作主要研究內(nèi)容如下： 第一章主要對(duì)索拱組合結(jié)構(gòu)體系在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，特別對(duì)在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，從永久性的索拱組合體系和臨時(shí)性的索拱組合體系兩

3、個(gè)方面，對(duì)該結(jié)構(gòu)體系的研究方法、研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行了綜述，介紹了本文的研究目的及研究內(nèi)容。 第二章介紹了當(dāng)前工程界最常用的和最廣泛的有限位移計(jì)算理論，并從虛功原理出發(fā)推導(dǎo)了全量形式下和增量形式下幾何非線性有限元的一般公式，在總結(jié)眾多考慮非線性影響因素的拉索計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了適合在長大跨度橋梁中使用的拉索單元，并在大型有限元程序中ANSYS中進(jìn)行了二次開發(fā)，利用建立的非線性索單元，結(jié)合大位移理論，形成了適用于索拱組合體系等長

4、大跨度橋梁的非線性分析理論。 第三章以湘江四大橋?yàn)楸尘?，詳?xì)介紹了索拱組合橋結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)，在第二章的基礎(chǔ)上開發(fā)了可用于對(duì)索拱組合橋進(jìn)行幾何非線性分析的有限元程序NSGCB程序，并用經(jīng)典算例驗(yàn)證了其可靠性，使用NSGCB程序?qū)ο娼拇髽蚴芰π阅苓M(jìn)行了詳細(xì)的分析，著重研究了斜拉索傾角、斜拉索初張力對(duì)主拱受力性能的影響，對(duì)比分析了在設(shè)計(jì)荷載作用下索拱組合橋與普通系桿拱橋受力性能的差異，同時(shí)分析了極限承載能力狀態(tài)下兩種拱橋體系受力

5、性能的優(yōu)劣，對(duì)幾何非線性因素對(duì)索拱組合橋受力性能的影響進(jìn)行了定量分析。 第四章闡述了橋梁結(jié)構(gòu)極限承載能力概念，總結(jié)了目前研究橋梁結(jié)構(gòu)極限承載能力問題的主要方法，從理論研究和試驗(yàn)研究兩個(gè)方面概述了目前我國拱橋特別是鋼管混凝土拱橋的極限承載能力的研究現(xiàn)狀，給出了對(duì)索拱組合橋梁進(jìn)行材料非線性分析的計(jì)算方法和計(jì)算公式。結(jié)合第三章給出的幾何非線性分析的計(jì)算方法和計(jì)算公式，針對(duì)大跨度索拱組合橋梁在失穩(wěn)、破壞期間表現(xiàn)的幾何和材料非線性特征，采

6、用高精度不分層等截面梁單元和鋼管混凝土組合材料統(tǒng)一本構(gòu)關(guān)系，通過荷載增量法，采用分級(jí)逐步加載的方式，對(duì)目前國內(nèi)第一座索拱組合橋一湘江四大橋進(jìn)行了在多種靜力荷載作用下的極限承載能力分析，追蹤整個(gè)結(jié)構(gòu)在加載過程中的變形過程，直至失去承載能力。第五章建立了纜索吊裝過程中索拱組合連續(xù)體系的非線性參數(shù)振動(dòng)力學(xué)分析模型，考慮了由于索的初始垂度、大位移而引起的幾何非線性因素的影響，推導(dǎo)了索拱組合結(jié)構(gòu)參數(shù)振動(dòng)的非線性動(dòng)力學(xué)方程，運(yùn)用多尺度攝動(dòng)方法，對(duì)拉

7、索可能發(fā)生的參數(shù)共振和亞諧波共振進(jìn)行了理論研究和數(shù)值分析，確定了索．拱組合結(jié)構(gòu)中拉索參數(shù)共振和亞諧波共振的影響因素及發(fā)生條件。 第六章在利用索拱連接條件的基礎(chǔ)上，建立了索拱組合體系的無窮維非線性動(dòng)力學(xué)分析模型。利用多尺度攝動(dòng)方法對(duì)非線性方程進(jìn)行了求解，討論了在無外激勵(lì)作用情形下索拱組合體系的非內(nèi)共振情況和內(nèi)共振情況，同時(shí)對(duì)索拱組合體系在外激勵(lì)作用下的非線性動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了詳細(xì)的分析，定性研究了索拱在分別發(fā)生主共振條件下索拱非內(nèi)共

8、振情形和索拱之間內(nèi)共振情形，第七章以湘江四大橋第一施工階段結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，在索拱分別發(fā)生主共振條件下，分非內(nèi)共振和內(nèi)共振兩種情況對(duì)索拱發(fā)生內(nèi)共振的模式、分叉類型及其混沌性質(zhì)進(jìn)行了深入的討論和研究，得到了產(chǎn)生動(dòng)力不穩(wěn)定、分叉及混沌的頻域區(qū)間及相應(yīng)激勵(lì)幅值區(qū)間，詳細(xì)討論了索拱結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)索拱非線性動(dòng)力性能的影響，確定了索拱各結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性，提出了設(shè)計(jì)吊裝系統(tǒng)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。 第八章對(duì)本文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并指出了今后在