确定大跨径斜拉桥施工索力的非线性修正影响矩阵法
发布时间：2021-02-21 10:46
大跨径斜拉桥的几何非线性效应明显,此效应的存在使得施工阶段的索力确定和合理成桥状态的实现变得复杂。本文在影响矩阵法的基础上进行了优化,研究了基于修正影响矩阵法的施工索力确定问题。基于影响矩阵原理,推导了大跨径斜拉桥在支架法和悬臂法施工状态下的影响矩阵方程,将索力影响因素分成新拼装梁段自重、张拉斜拉索、施工临时荷载、拆除施工临时荷载这四种。临时荷载的移动和边界约束条件的变化转换成荷载作用在结构上,通过这种方式将索力影响矩阵的求解统一起来。同时在线性调值的基础上引入了非线性问题的求解方法,并由此推导出了适用于大跨径斜拉桥施工阶段,计入几何非线性效应的非线性修正影响矩阵法。以一座主跨616m+616m的三塔斜拉桥为工程背景,使用ANSYS建立了其有限元模型,并划分了施工阶段。在求解合理成桥索力的基础上,使用影响矩阵法和非线性修正影响矩阵法分别对模型进行了求解以及对比分析。研究结果表明:（1）边跨采用支架法施工,施工过程中,只有后张拉的斜拉索会影响到先张拉的斜拉索的索力,而中跨采用悬臂法施工,施工过程中,新拼装梁段的自重、张拉斜拉索、施工临时荷载和拆除施工临时荷载均对斜拉索的索力存在一定的影响...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
斜拉桥的结构形式
14图2-1变形体的运动为了进一步的描述，可以做如下定义。在初始时刻即t=0时，变形体构型为0A，变形体体内任意一点0P的坐标为(000123X，X，X)；此后的某个时刻t=nt时，变形体构型变为nA，质点也由0P位置运动至nP位置，其坐标变为(nnn123X，X，X)；t=nt后的又一时刻，时刻变为t=n+1t=nt+Δt，此时变形体的构型变为n+1A，质点由nP运动至n+1P，坐标变为(n1n1n1123XXX+++，，)。通过采用不同的坐标系，可以用不同的方法来描述变形体及其中某一质点的运动状态[33]：（1）质点描述：变形体由离散元构成的，运动过程中任一离散元P的三个方向的坐标0X1，0X2，0X3和运动时间0t无关，两者互为独立变量，在描述时给出任意时刻物体各质点的位置。（2）参照描述：又称为拉格朗日描述。在构形中选择任一质点P，将其当前的坐标nX1，nX2，nX3和对应的时间t作为独立变量。总体拉格朗日描述，即T.L列式选择t=0时的构形作为参照构形来进行后续计算。（3）相关描述：将任意时刻的nt作为独立变量，参照构形与时间有关。修正的拉格朗日描述就是运用了这种描述方式，把nt作为非线性增量求解时增量步的起始时刻，称之为U.L列式。（4）空间描述：又称为欧拉描述。描述时将变形体内任一质点P的当前位置n+1Xi及时间n+1t作为两个独立变量，从而对变形体的运动进行描述。在连续介质力学中，拉格朗日描述法适用于固体力学，此方法关注变形体内某一质点的运动状态并始终将坐标系固定在此点上，在变形体的运动过程中坐标也会随之发生变化。而欧拉描述法适用于流体力学，关注空间中某一指定点的
24图2-3增量法的求解过程2.3.2迭代法迭代法与增量法不同，没有将荷载划分成很多部分，而是将荷载一次性加到结构上。节点位移和杆端力分别由结构变形前后的切线刚度矩阵求得。由于结构的刚度矩阵在变形起点和变形终点是不同的，这样的求解方式会产生节点不平衡荷载。为了满足平衡条件使得节点处于平衡状态，节点不平衡荷载被当做外荷载重新作用于节点上，此时结构又会产生新的节点位移。可以通过多次加载的方式来减小节点不平衡荷载。以第i次迭代为例，计算过程如下：[]{}{}[]{}{}[]{}{}{}{}11""""iiiiiiiiiiiKPKPKPPPδδδ++Δ=Δ=Δ==（2-14）式中：[]iK-第i次迭代时结构变形前的刚度矩阵；["]iK-第i次迭代时结构变形后的刚度矩阵；{}iP-第i次迭代时用结构变形前的刚度矩阵计算出的杆端力；{"}iP-第i次迭代时用结构变形后的刚度矩阵计算出的杆端力；{}iΔδ-第i次迭代时用由节点不平衡荷载引起的节点位移增量。迭代法的求解过程见图2-4。从图中可以看出，随着迭代次数的增多，计算结果越趋近于结构实际的数值精确解。可以用节点不平衡荷载的精度来控制迭代法计算结果的精度。由于荷载是一次性全部加载到结构上的，因此无法导出位移和应力之间的具体变化关系。
【参考文献】：
期刊论文
[1]斜拉索特征参数计算方法比较分析[J]. 申成岳. 黑龙江交通科技. 2018(01)
[2]基于影响矩阵法及粒子群优化的混凝土斜拉桥施工索力确定方法研究[J]. 袁矫,李世贵,朱大权,严丹丹,曹鸿猷. 中国水运(下半月). 2017(11)
[3]超大跨度混合梁斜拉桥非线性受力分析研究[J]. 彭晓彬,詹建辉. 桥梁建设. 2011(04)
[4]考虑结合处弯矩限值的混合梁斜拉桥索力优化[J]. 杨德灿,章芳芳. 华中科技大学学报(自然科学版). 2010(08)
[5]苏通大桥主桥结构体系研究[J]. 裴岷山,张喜刚,袁洪,朱斌,侯斌. 公路. 2009(05)
[6]无应力状态控制法斜拉桥安装计算的应用[J]. 秦顺全. 桥梁建设. 2008(02)
[7]斜拉桥施工阶段初张索力计算方法研究[J]. 杨煊,周水兴. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2008(01)
[8]斜拉桥的发展与展望[J]. 陈明宪. 中外公路. 2006(04)
[9]斜拉桥拉索单元模型及其计算模拟[J]. 施溪溪,李鸿晶. 钢结构. 2005(05)
[10]千米级斜拉桥施工过程中的索力优化与线形控制研究[J]. 张建民,肖汝诚. 土木工程学报. 2005(07)
硕士论文
[1]基于影响矩阵法的斜拉桥成桥索力优化与合理施工状态研究[D]. 毛健.吉林大学 2017
本文编号：3044241
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
斜拉桥的结构形式
14图2-1变形体的运动为了进一步的描述，可以做如下定义。在初始时刻即t=0时，变形体构型为0A，变形体体内任意一点0P的坐标为(000123X，X，X)；此后的某个时刻t=nt时，变形体构型变为nA，质点也由0P位置运动至nP位置，其坐标变为(nnn123X，X，X)；t=nt后的又一时刻，时刻变为t=n+1t=nt+Δt，此时变形体的构型变为n+1A，质点由nP运动至n+1P，坐标变为(n1n1n1123XXX+++，，)。通过采用不同的坐标系，可以用不同的方法来描述变形体及其中某一质点的运动状态[33]：（1）质点描述：变形体由离散元构成的，运动过程中任一离散元P的三个方向的坐标0X1，0X2，0X3和运动时间0t无关，两者互为独立变量，在描述时给出任意时刻物体各质点的位置。（2）参照描述：又称为拉格朗日描述。在构形中选择任一质点P，将其当前的坐标nX1，nX2，nX3和对应的时间t作为独立变量。总体拉格朗日描述，即T.L列式选择t=0时的构形作为参照构形来进行后续计算。（3）相关描述：将任意时刻的nt作为独立变量，参照构形与时间有关。修正的拉格朗日描述就是运用了这种描述方式，把nt作为非线性增量求解时增量步的起始时刻，称之为U.L列式。（4）空间描述：又称为欧拉描述。描述时将变形体内任一质点P的当前位置n+1Xi及时间n+1t作为两个独立变量，从而对变形体的运动进行描述。在连续介质力学中，拉格朗日描述法适用于固体力学，此方法关注变形体内某一质点的运动状态并始终将坐标系固定在此点上，在变形体的运动过程中坐标也会随之发生变化。而欧拉描述法适用于流体力学，关注空间中某一指定点的
24图2-3增量法的求解过程2.3.2迭代法迭代法与增量法不同，没有将荷载划分成很多部分，而是将荷载一次性加到结构上。节点位移和杆端力分别由结构变形前后的切线刚度矩阵求得。由于结构的刚度矩阵在变形起点和变形终点是不同的，这样的求解方式会产生节点不平衡荷载。为了满足平衡条件使得节点处于平衡状态，节点不平衡荷载被当做外荷载重新作用于节点上，此时结构又会产生新的节点位移。可以通过多次加载的方式来减小节点不平衡荷载。以第i次迭代为例，计算过程如下：[]{}{}[]{}{}[]{}{}{}{}11""""iiiiiiiiiiiKPKPKPPPδδδ++Δ=Δ=Δ==（2-14）式中：[]iK-第i次迭代时结构变形前的刚度矩阵；["]iK-第i次迭代时结构变形后的刚度矩阵；{}iP-第i次迭代时用结构变形前的刚度矩阵计算出的杆端力；{"}iP-第i次迭代时用结构变形后的刚度矩阵计算出的杆端力；{}iΔδ-第i次迭代时用由节点不平衡荷载引起的节点位移增量。迭代法的求解过程见图2-4。从图中可以看出，随着迭代次数的增多，计算结果越趋近于结构实际的数值精确解。可以用节点不平衡荷载的精度来控制迭代法计算结果的精度。由于荷载是一次性全部加载到结构上的，因此无法导出位移和应力之间的具体变化关系。
【参考文献】：
期刊论文
[1]斜拉索特征参数计算方法比较分析[J]. 申成岳. 黑龙江交通科技. 2018(01)
[2]基于影响矩阵法及粒子群优化的混凝土斜拉桥施工索力确定方法研究[J]. 袁矫,李世贵,朱大权,严丹丹,曹鸿猷. 中国水运(下半月). 2017(11)
[3]超大跨度混合梁斜拉桥非线性受力分析研究[J]. 彭晓彬,詹建辉. 桥梁建设. 2011(04)
[4]考虑结合处弯矩限值的混合梁斜拉桥索力优化[J]. 杨德灿,章芳芳. 华中科技大学学报(自然科学版). 2010(08)
[5]苏通大桥主桥结构体系研究[J]. 裴岷山,张喜刚,袁洪,朱斌,侯斌. 公路. 2009(05)
[6]无应力状态控制法斜拉桥安装计算的应用[J]. 秦顺全. 桥梁建设. 2008(02)
[7]斜拉桥施工阶段初张索力计算方法研究[J]. 杨煊,周水兴. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2008(01)
[8]斜拉桥的发展与展望[J]. 陈明宪. 中外公路. 2006(04)
[9]斜拉桥拉索单元模型及其计算模拟[J]. 施溪溪,李鸿晶. 钢结构. 2005(05)
[10]千米级斜拉桥施工过程中的索力优化与线形控制研究[J]. 张建民,肖汝诚. 土木工程学报. 2005(07)
硕士论文
[1]基于影响矩阵法的斜拉桥成桥索力优化与合理施工状态研究[D]. 毛健.吉林大学 2017
本文编号：3044241
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