悬索桥结构分析中鞍座单元的研究及应用

在悬索桥的有限元计算中往往忽略鞍座对主缆的影响而直接采用成桥理论IP点建模,这种简化会对主缆线形计算带来误差。为提高有限元计算悬索桥主缆线形的精度,提出一种能精确模拟主缆和鞍座约束关系的3节点单元——鞍座单元。采用该单元可基于弹性悬链线的解析解迭代出主缆与鞍座的切点坐标,再根据该单元刚度矩阵元素的含义并利用静力平衡条件直接推导出其切线刚度矩阵。以国内某主跨1 650 m的悬索桥为例,将鞍座单元的切线刚度矩阵引入到该桥有限元整体计算中,计算结果表明,鞍座单元能精确模拟主缆与鞍座的实际情况,将其引入悬索桥的结构计算中能大幅度提高计算精度。     

基于索梁组合结构的悬索桥锚跨段索力修正算法

在悬索桥锚跨段索力测试中,传统的振弦法将锚跨段索振动看作为理想弦振动,忽略了锚跨段拉杆的抗弯刚度,带来了较大的索力测量计算结果误差。为了求解更加精确的锚跨段索力值,保证悬索桥主缆索力监控的精确性、成桥阶段主缆线型的准确性和吊索索力的均匀分布,通过分析索梁组合结构模型,建立了锚跨拉杆与锚跨主缆的索梁组合力学模型,运用主缆振动频率的索力计算方法,运用Hamilton变分原理推导提出悬索桥锚跨段,锚跨拉杆与锚跨主缆的索梁组合结构的索力修正算法。分析了锚跨拉杆与索连接处的边界条件问题,保持索梁连接处为铰接状态,不改变边界条件的物理属性。基于Mathematica数学计算软件上,设计求解程序并求解索梁组合结构振动矩阵方程,得出对应索梁组合结构频率的索力值的数值解。通过对比分析数据理论计算、有限元分析软件及恩施水布垭清江特大悬索桥实际工程实例测量结果,来验证考虑悬索桥锚跨段拉杆的抗弯刚度修正算法的合理性。研究结果表明:相对于传统的索力测试简化算法,运用索梁组合结构推导的锚跨段索力计算公式,可以更准确地表达索力、锚跨拉杆抗弯刚度和索力基频之间的关系,进而减小因为拉杆抗弯刚度所带来的索力计算结果的误差,得到更加符合实际主缆张拉状态的索力值。     

独柱塔空间缆索自锚式悬索桥缆索线形计算方法

以南京江心洲大桥为工程背景,基于Ohtsuki博士提出的空间缆索线形计算方法,对空间缆索自锚式悬索桥的主缆线形计算方法进行研究,推导空间主缆线形的迭代算法;针对自锚式悬索桥的受力特点,在缆索初始、精细平衡状态分析的基础上,增加修正平衡状态分析来考虑由于主梁和主塔压缩引起的主缆线形及内力变化;根据几何相容及力的平衡条件,确定索夹的安装位置,并给出空缆状态下主鞍座、吊索横梁的预偏量以及主鞍座的预抬量等控制参数.计算结果表明:自锚式悬索桥体系转换过程中缆索的几何非线性效应显著,体现在空缆到成桥状态主缆有较大位移,主缆与主鞍座空间切点位置也会有较大的变化.     

空间缆索悬索桥主鞍座结构设计与分析

以南京江心洲大桥为工程背景,对空间缆索自锚式悬索桥主鞍座的相关问题进行研究.以大型通用有限元程序为平台,采用二次开发技术,建立精细化有限元模型,在此基础上采用合理的加载模式对其进行空间受力分析,并阐述与空间主鞍座相匹配的主缆切点简化修正方法.结果表明:空间主缆在成桥状态对主鞍座横向力的作用会造成鞍槽外侧壁应力大于内侧壁的应力;主缆横向体积力会对主鞍座压紧装置和鞍体产生梯度分布的竖向挤压力;自锚式悬索桥体系转换过程中缆索的几何非线性效应显著,体现在空缆到成桥状态主缆与主鞍座空间切点位置会有较大的变化.     

悬索桥的锚碇-锚跨单元研究及应用

为在悬索桥结构分析中精确计算锚跨索股的张力,建立了包括锚碇、散索鞍及锚跨索股在内的3节点组合单元,该单元精确考虑了锚跨内各索股的空间走向,满足索股与鞍座相切及节点间索股无应力长度不变两个重要务件,并能考虑锚碇的沉降对锚跨索股索力的影响.假定成桥状态锚跨索股张力的合理分布模式后,根据散索鞍的自立平衡条件及锚跨索股与散索鞍...     

抗弯刚度对主缆线形的影响

随着悬索桥跨径的不断增加,主缆截面也越来越大,主缆的抗弯刚度对主缆的线形将产生一定的影响,通过建立考虑抗弯刚度的主缆线形计算公式,提出主缆与鞍座切点的修正方法。建立不同边界条件和有、无鞍座的主缆有限元计算模型,分析抗弯刚度对主缆线形的影响。结果表明:抗弯刚度对主缆的线形影响较大;抗弯刚度越大,主缆与鞍座的切点越靠近鞍座顶部;当跨中垂度不变时,随着抗弯刚度的增大,抗弯刚度对主缆线形影响的最大位置由鞍座处向跨中移动;当垂度变化时,随着主缆水平张力的增大,抗弯刚度对主缆线形影响的最大位置由跨中向鞍座处移动;考虑鞍座时会减小抗弯刚度对主缆线形的影响。     

大跨度悬索桥锚跨索力及散索鞍偏角施工调整的计算方法

为安全快速地实现大跨度悬索桥锚跨索力及散索鞍偏角的施工调整,针对空缆状态下锚跨索力与散索鞍偏角相互耦合的结构特殊属性,研究了锚跨索力及散索鞍偏角施工调整的计算方法。基于小变形假设,并结合大跨度悬索桥的结构特性,计算出散索鞍IP点沿其支承滑移面的平动刚度,根据散索鞍IP点处的力平衡条件,推导出锚跨索影响矩阵,继而将锚跨索力及散索鞍偏角施工调整的目标函数用锚跨索弹性伸长量和散索鞍偏角的形式表示;借助数值仿真软件,基于迭代求解的方式建立了大跨度悬索桥锚跨索力及散索鞍偏角施工调整的计算方法,并根据数值模拟结果提出了锚跨索施工调整顺序及调整量的优化方法。研究结果表明:由锚跨索影响矩阵计算所得的调整后索力同实测值保持一致;按照优化后的理想锚跨索调整方案计算得到的最终索力理论误差在0.1kN以内且调整过程未出现索力过大或者过小的情况;该计算方法理论上能够安全快速地实现锚跨索力及散索鞍偏角的施工调整,且可满足锚跨索的抗滑移要求,具有一定的工程应用价值。     

非线性随机车流-自锚式悬索桥耦合振动分析系统

自锚式悬索桥独特的锚固形式使其主梁承受主缆传递的巨大轴向压力,为了研究主梁刚度在初内力及活载作用下的弱化问题对自锚式悬索桥结构静动力响应的影响,首先,结合自锚式悬索桥的非线性特点引入初应力刚度矩阵,考虑随机车流过桥时几何非线性的时变性,采用分离迭代法建立非线性随机车流-自锚式悬索桥耦合振动分析系统,并编制相应的非线性分析模块。其次,以某三跨混凝土自锚式悬索桥为例,选取集中力匀速过桥工况,利用ANSYS软件对非线性分析模块的可靠性进行验证。最后,分别设置2种极端工况：第1种是单车工况,近似认为只有恒载作用下产生的几何非线性;第2种是密集交通流工况,认为是恒载和最不利活载共同作用产生的几何非线性,并采用元胞自动机模型对密集车流进行模拟,研究自锚式悬索桥恒载和活载初内力引起的几何非线性对桥梁响应的影响程度。研究结果表明：单车工况下,梁塔恒载初内力对自锚式悬索桥的车辆过桥结构响应影响显著,主梁和主塔初内力贡献程度明显不同,主梁初内力对结构刚度矩阵变化的影响贡献较大而主塔贡献微小;相对于恒载,密集车流作用下初内力效应引起的几何非线性对自锚式悬索桥结构刚度影响微小,对结构响应的非线性影响也不明显。     

双缆多塔悬索桥主缆垂跨比的合理取值

为了明确双缆多塔悬索桥主缆垂跨比的合理取值,为结构设计提供依据,以主缆与中塔鞍座的抗滑安全系数和加劲梁挠度为控制指标,拟定满足主缆抗滑及结构变形要求的三塔两跨悬索桥设计参数,建立双缆及传统多塔悬索桥有限元模型,分析双缆体系主缆垂跨比对结构变形、主缆抗滑稳定性及主缆用钢量的影响.结果表明:双缆体系的结构刚度主要取决于主缆...     

空间缆索自锚式悬索桥成桥状态的确定方法

结合悬链线理论和几何非线性有限元方法,对空间缆索自锚式悬索桥成桥状态的确定方法进行了研究。提出了空间主缆和吊索的线形及内力的迭代计算方法,在此基础上建立成桥状态的几何非线性有限元模型,进行非线性迭代计算并不断修改单元无应力原长及刚度矩阵,直至节点位移满足精度要求,即确定了全桥结构的成桥状态。利用该方法能得到满足设计要求的自锚式悬索桥成桥状态,并得到了主缆、吊索、加劲梁的线形、杆件内力等重要信息。算例验证表明了该计算方法是可行的,能够满足工程计算精度要求,可用于空间缆索自锚式悬索桥成桥状态的确定。     

悬索桥主缆与鞍座抗滑移安全系数的确定方法

为准确评估主缆与鞍座间的抗滑移安全性,确保多塔悬索桥结构受力安全,对主缆与鞍座间的摩擦抗力特性进行了研究。通过分析索股间微元体的应力-应变关系,建立侧向压力和索股拉力间的微分方程,推导了主缆索股和鞍座侧壁接触面间的侧向压力表达式,并据此建立了主缆与鞍座间的摩擦抗力方程,提出了悬索桥主缆与鞍座之间的抗滑移安全系数确定方法。通过模型试验结果对摩擦抗力方程进行了验证,并对主缆与鞍座抗滑移安全系数的确定方法以及鞍座设计参数对于抗滑移安全系数的影响进行了探讨。结果表明:所提出的摩擦抗力方程能够准确确定鞍槽内设置和不设置竖向摩擦板2种典型情况下主缆与鞍座间的实际摩擦抗力;现有的抗滑移安全系数定义方法物理含义模糊,计算值偏于保守,无法计入鞍座参数优化对提高抗滑移安全性的影响,可能对多塔悬索桥的结构设计造成困扰;所提出的抗滑移安全系数表达式,物理意义明确,便于工程应用,可以作为确定抗滑移安全系数的依据;主缆与鞍槽接触面间的摩擦因数和鞍座结构设计参数是主缆与鞍座间摩擦抗力的重要影响因素,改善鞍座设计参数和设置竖向摩擦板是提高主缆与鞍座抗滑移安全性的有效途径。     

多塔悬索桥中塔鞍座水平摩擦板抗滑方案试验研究

为解决多塔悬索桥主缆与中塔鞍座间的抗滑问题,提出在鞍座内增设水平摩擦板的抗滑设计方案,通过模型试验研究鞍座设置水平摩擦板后主缆索股的滑移特性,并提出主缆名义摩擦系数的计算方法,以温州瓯江北口大桥[(230+2×800+348)m三塔悬索桥]为对象进行抗滑方案研究。结果表明:加载初期,顶推所产生的不平衡力在索股间基本平均分配;随着加载继续,各索股以水平摩擦板为界呈现明显的分层滑移现象;索股与鞍座相对位移随索力差变化过程可分为线性变化、局部蠕动和滑移3个阶段;提出的主缆名义摩擦系数计算方法可用于中塔鞍座内设有水平摩擦板时主缆的抗滑能力计算;对于温州瓯江北口大桥,采用2块水平摩擦板分别设置于距顶部约1/4及1/2处是合理可行的抗滑方案。     

基于解析法的悬索桥锚跨索股分析

为在悬索桥结构分析中能精确方便地计算锚跨索股下料长度以及空缆状态下各索股张力,从竖弯切点出发,考虑悬链线与多段圆之间的几何协调关系,选择合理的索力分配模式,求解成桥状态下各索股空间走形和下料长度;以不动点到锚点间的无应力长度保持不变为条件,根据假定的竖弯角和计算可得的平弯角以及竖弯切点处的几何协调条件,采用解析法求解空缆状态下各索股张力。结果表明,本方法能快速、准确地计算锚跨各索股下料长度和空缆状态下各索股张力,提高施工锚跨索股施工监控的精度。     

悬索桥静力计算的一种数值求解法

对于悬索桥缆索系统，一般根据确定的跨径和矢跨比，可计算出主缆无应力长度，吊索长度，施工时鞍座预偏量，索夹的安装位置等。以上数据准确与否与主缆线形的计算方法有很大关系。在桂林丽泽桥线形计算中，采用一种数值求解法，利用高次方程可以得到既满足精度又省时省力的解。     

大连星海湾跨海大桥施工猫道设计与施工

大连部滨海大道工程为主跨460m的三跨钢桁架悬索桥,主缆由五跨组成,由东向西依次为:东锚跨、东边跨、中跨、西边跨、西锚跨。猫道是主缆架设施工中的最主要的施工设施,担负着诸如索股牵引、索股调整、主缆紧固、索夹及吊索安装、主缆缠丝、防护涂装等重要任务。本文通过研究本工程猫道的设计与施工,阐述了海上悬索桥猫道的设计及架设方法,为公司从事以后类似工程提供依据。     

温度对悬索桥锚跨索股张力影响研究

分析了温度对悬索桥锚跨索股张力的影响,通过数值解析法和有限单元法计算锚跨在空缆状态时对应的不同温度下的理论索力,并结合鱼嘴长江特大桥架设过程中的索力测试结果,提出一种锚跨索股张力的分析方法,并且介绍了索力检测设备及检测过程.     

江东大桥双塔单跨空间主缆自锚式悬索桥的施工控制

针对空间主缆自锚式悬索桥钢箱梁顶推和体系转换施工期的受力和变形特点,以杭州市江东大桥双塔单跨空间主缆自锚式悬索桥为工程背景,应用有限元软件建立其钢箱梁顶推和体系转换的施工控制仿真计算模型,系统地总结和提出空间主缆自锚式悬索桥钢箱梁顶推和体系转换的施工控制流程和施工监测项目,介绍了钢箱梁顶推施工和体系转换的最终方案,给出了空间主缆自锚式悬索桥体系转换的施工控制原则。提出了空间主缆自锚式悬索桥销铰式吊索索夹预偏角度的确定思路,给出了销铰式吊索索夹角度的测试方法。钢箱梁顶推和体系转换完成后,线形、应力、索力和索夹角度的测试结果验证了提出的施工控制方法和施工控制流程是合理的。     

有限元程序对索单元的模拟计算方法探讨

讨论了目前有限元软件对索单元模拟计算的考虑垂度的Ernst公式刚度折减和考虑初应力效应的几何刚度方法,并给出了精确描述索单元力学行为的解析方法。根据目前桥梁工程中主缆和斜拉索常用的力学和尺寸参数进行计算,分析两种模拟计算方法与解析解之间的误差,最后总结了悬索桥和斜拉桥计算时对主缆和斜拉索应采用的合理的模拟计算方法。     

多跨悬索桥中塔纵向刚度研究

为了研究多跨悬索桥中塔纵桥向刚度,将主缆对桥塔的约束等效为弹簧,选定主缆及加劲梁的位移模式,通过虚功原理推导了主缆对中塔纵向弹簧约束刚度的表达式,建立有限元模型对公式进行验证,并与已有公式进行了对比。研究结果表明：弹簧刚度仅与主缆垂跨比及单位长度桥重有关,且与单位长度桥重呈线性关系,而受垂跨比影响较大;垂跨比减小时,主缆弹簧刚度迅速增大;推导得出的公式精度高,可以为初步设计阶段各参数的合理取值提供理论依据。     

大跨度悬索桥成桥主缆线形及内力识别研究

由预制平行高强钢丝索股组成的主缆,不仅可以通过其自身弹性变形,而且可以通过其几何形状的改变来影响体系平衡,表现出大位移非线性力学特征。为了获得大跨度悬索桥成桥主缆的真实线形及其内力分布,基于有限单元法,从主缆的几何形状出发,推导了与主缆形状一致的位移场,然后通过对节点水平方向和竖直方向平衡方程解藕,推导出主缆线形与结构系统参数的关系,在此基础上,进一步推导了主缆内力与结构系统参数的关系。将计算理论编译成MATLAB程序,并应用于某大跨度悬索桥成桥主缆线形及其内力识别,主缆计算线形与实测结果吻合良好。采用本文方法计算的主缆内力分布与通用有限元相应的计算值比较相近,从而验证了本文方法能够较准确地识别出成桥主缆的线形及其内力分布,另外具有易编程实现的优点。