斜拉桥近似解析方法研究

发布时间：2018-01-19 21:07

本文关键词： 桥梁工程斜拉桥部分地锚主梁轴力竖弯基频纵向抗推刚度索膜假定拉索竖向支承刚度修正公式参数分析　出处：《长安大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：现代斜拉桥经过短短60余年的发展,取得了举世瞩目的伟大成绩;经过一甲子的轮回,也迎来了崭新的困难和挑战。人们对其跨越能力要求的提高决定了斜拉桥需要有更大的跨径和更多的桥跨,桥梁工程师可以通过增大斜拉桥单跨跨径或增多斜拉桥的桥跨数量来解决这一问题。双塔斜拉桥增大主跨跨径最主要的限制因素是近塔处主梁轴力过大;发展多塔斜拉桥最关键的问题是多塔斜拉桥中塔刚度不足、整体稳定性差。针对以上的问题,在桥梁概念设计阶段不便将所有海选方案进行室内试验或有限元分析,推导相应斜拉桥的力学性能估算公式就显得尤为重要。本文对斜拉桥力学性能的近似解析方法研究所作的工作和取得的成果有:(1)通过对各文献的整理分析,得出了主梁轴向压力是影响斜拉桥跨径增大的最主要因素,为深入探寻斜拉桥极限跨径,快速计算出不同拉索布置型式的大跨斜拉桥主梁轴力,基于密索斜拉桥索膜假定,考虑近塔处与跨中处的主梁无索区长度,求解出拉索在主塔上的位置方程,推导恒活载作用下扇形体系斜拉桥主梁轴力修正公式,并简化出拉索布置型式为辐射型、竖琴型的斜拉桥主梁轴力公式,且与丹麦学者Gimsing、我国学者王伯惠的轴力公式进行对比及算例验证。研究表明:大跨径斜拉桥在进行主梁轴力计算时,需要适当考虑近塔处主梁无索区长度和跨中处主梁无索区长度。(2)以钢主梁极限抗拉、抗压强度相等即跨中地锚段主梁所受拉力和近塔处主梁所受压力相等为前提,基于斜拉桥索膜假定,求解部分地锚斜拉桥极限跨径,并得到其极限锚跨比。推导了部分地锚斜拉桥极限跨径下的主要力学指标并与有限元解进行对比。研究结果表明:基于主梁轴力的部分地锚斜拉桥极限跨径约为普通自锚斜拉桥的1.4倍,其极限锚跨比约为0.293;本文推导的部分地锚斜拉桥主要力学指标的公式解与有限元解基本吻合。(3)为深入分析基于主梁轴力的部分地锚交叉索斜拉桥极限跨径,作出四类斜拉体系主梁轴力简图,验证了部分地锚斜拉桥及部分地锚交叉索斜拉桥的主梁受力优越性。以充分利用钢材的极限强度为前提,对于带有交叉索的部分地锚斜拉桥,令其跨中交叉索区段主梁最大轴压力等于近塔处的主梁轴压力,基于斜拉桥索膜假定,求解其极限跨径、极限锚跨比及主要力学指标,并与有限元结果进行对比。研究结果表明:部分地锚交叉索斜拉桥极限跨径为普通自锚斜拉桥的1.5倍,其极限锚跨比约为0.333;本文推导的公式能满足概念设计阶段的要求,适用于快速分析部分地锚交叉索斜拉桥的受力特征与主要力学指标。(4)基于最简单的多塔斜拉桥——三塔斜拉桥,考虑主塔刚度对振动频率的影响,应用Rayleigh法,给出了主梁竖向自由振动的振型函数和主塔纵向自由振动的振型函数,并推导出考虑主塔刚度影响的三塔斜拉桥竖弯基频公式,且对其精确性进行了多个算例验证。研究表明:主塔刚度对于三塔斜拉桥竖弯基频影响较大,计算时应予以考虑。(5)为探寻多塔斜拉桥刚度特征,选取三塔斜拉桥建立弹簧刚度等效模型,基于变形协调原理,求解多塔斜拉桥边塔、非边塔纵向抗推刚度,对推导的公式进行算例验证,根据推导的桥塔纵向抗推刚度公式分析了塔顶纵向位移及桥塔纵向抗推刚度与桥塔自身刚度、左右跨主梁刚度、拉索与主梁夹角、拉索线刚度和桥塔上拉索锚固间距等因素有关,并结合国内外盛名的几座多塔斜拉桥探讨了工程实际中提升桥塔纵向抗推刚度的措施。(6)基于变形协调原理对单位荷载作用下多塔斜拉桥拉索竖向支承刚度进行了公式推导,计算过程中考虑了桥塔的自身刚度、主梁自身刚度、拉索变形和桥塔的弹性压缩等因素,且对计算中产生的提供拉索伸长的水平力和提供桥塔偏位的水平力等进行了分别求解。研究结果表明:本文推导的拉索竖向支承刚度公式可以较真实的反应多塔斜拉桥的刚度特征,可以为多塔斜拉桥的概念设计提供依据和参考。(7)为深入研究跨中交叉索对多塔斜拉桥的作用机理,基于变形协调原理,推导了在塔、梁自身刚度影响下,交叉索对多塔斜拉桥纵向抗推刚度的估算公式,并进行算例验证。研究表明:跨中交叉索可以使主梁挠度减小,进而提高多塔斜拉桥的整体刚度。多塔斜拉桥整体刚度随交叉索数量的增加而增大,设置10对交叉索后中塔塔顶偏位减小量高达51%,但桥塔刚度增大趋势逐渐减缓。对于交叉索多塔斜拉桥而言,桥塔自身刚度的改变对中塔抗推刚度的影响大于主梁,但二者皆小于跨中交叉索对中塔抗推刚度的影响。
[Abstract]:In this paper , it is very important to calculate the ultimate span of cable - stayed bridge by increasing the span of cable - stayed bridge . ( 3 ) For the deep analysis of the ultimate span of the cable - stayed bridge with cross - cable stayed bridge , the paper analyses the influence of the rigidity of the main tower on the vertical bending fundamental frequency of the cable - stayed bridge . The results show that the ultimate span of the cable - stayed bridge is equal to about 0.333 . ( 7 ) In order to study the effect mechanism of cross - center cross - cable on multi - tower cable - stayed bridge , the formula for estimating the longitudinal anti - thrust stiffness of multi - tower cable - stayed bridge under the influence of rigidity of tower and beam is deduced based on the principle of deformation coordination .

【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U448.27

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