大跨度悬索桥静风稳定性非线性分析

论文摘要

随着桥梁跨度的不断增大,桥梁结构在风荷载作用下的动、静力问题日益突出。根据国内外风洞模型试验成果,大跨度桥梁发生静风稳定性问题的临界风速可能低于动力失稳的临界风速。另外,在强静风荷载作用下,大跨度桥梁的几何非线性、静风荷载非线性的影响均不容忽视。因此,对大跨径桥梁(尤其是悬索桥)的静风稳定性问题的研究是桥梁抗风性能研究的一个重要方向。本文以南京长江第四大桥为工程背景,利用大型非线性有限元软件MARC对该大桥的静风稳定性进行了分析研究。首先在综合考虑静风荷载非线性和结构几何非线性影响的基础上,采用风荷载增量与两重迭代相结合的方法编制了相应的计算分析程序,并运用此程序对该悬索桥静风失稳进行了全过程分析,得到了全面考虑三分力时的静风失稳临界风速,揭示了静风失稳的规律；然后通过计算比较研究了主缆和吊杆风荷载对桥梁结构静风稳定性的影响,接着考察了在不同初始攻角下结构失稳路径及受力状况；最后对桥梁结构静风稳定的线性方法和非线性有限元方法进行了详细的比较。经比较得出：用线性方法计算结构的静风性会过高估计结构的抗静风能力,偏于不安全；非线性有限元法计算结构的静风稳定性与线性方法相比更精确,且非线性有限元法具有能跟踪结构失稳全过程的优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 现代悬索桥的发展概述
• 1.2 空气静力稳定理论发展回顾和现状
• 1.3 大跨度悬索桥空气静力稳定问题研究的意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 大跨度悬索桥的几何非线性分析理论
• 2.1 概述
• 2.2 悬索桥的结构形式及受力特点
• 2.3 几何非线性分析的有限元法
• 2.3.1 对变形体的运动描述
• 2.3.2 总体拉格朗日列式（Total Lagrangiau Formulation）
• 2.3.3 更新的拉格朗日列式（Updated Lagrangian Formulation）
• 2.3.4 T.L列式与U.L列式的异同和适用范围
• 2.4 几何非线性问题的求解方法
• 2.4.1 简单增量法
• 2.4.2 迭代法（Newton-Raphson迭代法）
• 2.4.3 混合法（带动坐标的增量迭代法）
• 2.4.4 收敛准则
• 第3章 大跨度悬索桥的静风稳定性分析方法
• 3.1 概述
• 3.2 静风荷载描述
• 3.3 桥梁结构静风失稳的线性分析方法
• 3.3.1 侧倾失稳
• 3.3.2 扭转发散
• 3.4 大跨度悬索桥静风稳定性分析的非线性方法
• 3.4.1 静风荷载非线性
• 3.4.2 非线性静风稳定性的分析方法
• 3.4.3 MARC程序及PYTHON语言简介
• 3.4.4 基于MARC的大跨悬索桥静风稳定性非线性分析
• 第4章 南京长江第四大桥静风稳定性非线性分析
• 4.1 南京长江第四大桥简介
• 4.2 桥梁结构的有限元离散模型及计算参数
• 4.3 静风失稳全过程分析
• 4.3.1 静风荷载随风速变化的全过程
• 4.3.2 变形随风速变化的全过程
• 4.3.3 吊杆和大缆应力随风速变化的全过程
• 4.3.4 静风失稳全过程行为分析与描述
• 4.4 初始风攻角对静风稳定性的影响
• 4.4.1 基于线性方法的分析
• 4.4.2 基于非线性方法的分析
• 4.5 风载分量作用
• 4.5.1 单纯阻力作用
• 4.5.2 单纯升力矩作用
• 4.6 主缆和吊杆风荷载对静风稳定性的影响
• 4.7 失稳机理探讨
• 4.8 非线性的影响的探讨
• 4.9 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献