自锚式悬索桥的力学特性与施工控制研究

论文摘要

自锚式悬索桥以其美观的外形、良好的适应性和适中的经济指标等优点,在城市桥梁的建设中,已经成为一种颇具竞争力的桥型方案而被大量地采用。本文以多座桥梁的设计、模型试验和施工控制为背景,从定性和定量两个层面上研究此类桥梁设计参数与力学特性的一般规律;提出了有关主缆计算的解析法和精确高效的数值算法;探讨了自锚式悬索桥施工控制中的力学特性并进行了索力优化和优化张拉调索的过程;提出了基于无应力状态理论的设计参数识别误差修正法。具体内容如下:(1)在挠度理论的基础上,推导出自锚式悬索桥的无量纲方程,研究了重力刚度、特性参数与自锚式悬索桥的力学特性的一般规律,得出了采用线性程序计算精度满足要求的适用条件。推导出加劲梁的拱度对自锚式悬索桥加劲梁弯矩和主缆内力影响的解析表达式,以及主缆垂度对主缆内力影响的解析解表达式。(2)推导出自锚式悬索桥主缆从空缆状态到成桥状态变化的解析法方程组,采用此解析法可以在不建立有限元模型的情况下,直接求出主缆的无应力索长和索鞍偏移量。(3)提出了主缆施工控制计算的解析元法,将空间缆索结构简化为具有拉伸刚度的质点系,给出了缆索结构空间解析元法的基本方程和求解方法,单元间的作用力与坐标变化的关系可以用解析法得到,对所得到的反映结构特性的质点系方程组进行力的平衡迭代,求解方程组。采用自动的动态可变步长的迭代方法,能够提高求解的效率,保证收敛。这种方法既考虑了几何非线性,又适用于材料非线性的计算,比有限元法优越之处还在于,它不用求解线性方程组,所以适用范围广,允许求解多自由度的几何可变体系,而有限元法在求解此类问题时经常不收敛。(4)探讨了自锚式悬索桥施工控制过程中的力学特性,即主缆位移的弱相干性原理和吊杆内力的相邻影响原理。以多个桥梁的施工控制为背景,研究了这些原理的普遍性和特殊性。(5)证明了无应力状态控制法适用于自锚式悬索桥的施工控制,并将该方法应用于实际桥梁的施工监控;将群论应用到自锚式悬索桥的施工控制理论分析中,把自锚式悬索桥张拉调索的过程定义为变换群,通过对张拉变换群的研究,得出分别采用4台、8台千斤顶张拉的可行性和张拉效率;提出了交替前进张拉法,大幅度提高了张拉的效率,并保持吊杆力均匀增长,采用8台千斤顶对称作业,多数桥梁经3轮张拉就能达到施工控制的目标,自重小的桥梁最少可经2轮张拉就实现了体系转换。(6)研究了自锚式悬索桥施工控制过程中的参数识别和误差修正。在自锚式悬索桥施工控制的无应力状态控制法的基础上,提出了基于无应力状态理论的设计参数识别误差修正法。考虑主缆和吊杆的无应力索长的误差、加劲梁重量的误差、温度误差等因素对成桥状态影响程度的大小,给出了设计参数误差的影响系数。研究了主缆和吊杆无应力长度的容许误差,并研究运用调节吊杆力和索鞍的位置来修正设计参数的误差的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 自锚式悬索桥的发展历史
• 1.1.1 国外自锚式悬索桥
• 1.1.2 国内自锚式悬索桥
• 1.2 自锚式悬索桥的结构形式和受力特点
• 1.2.1 自锚式悬索桥的主要结构形式
• 1.2.2 自锚式悬索桥的主要结构及功能
• 1.2.3 自锚式悬索桥的受力特点
• 1.3 自锚式悬索桥的施工控制理论
• 1.3.1 悬索桥的分析理论
• 1.3.2 弹性理论
• 1.3.3 挠度理论
• 1.3.4 有限位移理论
• 1.3.5 自锚式悬索桥施工控制理论
• 1.3.6 本文的工作
• 2 自锚式悬索桥的计算理论及力学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 挠度理论
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 主缆的变形协调方程
• 2.3 自锚式悬索桥挠度理论方程的无量纲形式
• 2.3.1 挠度理论方程的无量纲形式
• 2.3.2 自锚式悬索桥的力学特性
• 2.3.3 拱度的影响
• 2.3.4 自锚式悬索桥的非线性
• 2.3.5 自锚式悬索桥的矢跨比和边中跨比
• 2.4 非线性有限元法
• 2.4.1 几何非线性分析方法
• 2.4.2 主缆垂度效应
• 2.4.3 结构大位移非线性效应
• 2.4.4 初始内力引起的非线性
• 2.5 小结
• 3 自锚式悬索桥主缆线形的计算方法
• 3.1 主缆线形的解析法
• 3.1.1 主缆的方程
• 3.1.2 主缆的长度
• 3.1.3 主缆的变形协调方程
• 3.1.4 主缆线形解析法的求解
• 3.1.5 算例
• 3.1.6 本节结论
• 3.2 主缆的无应力长度不变性原理和初应变加载法
• 3.2.1 主缆的无应力长度不变性
• 3.2.2 初应变加载法
• 3.3 空间缆索结构静力分析的解析元法
• 3.3.1 缆索结构静力分析的解析法
• 3.3.2 非线性效应
• 3.3.3 温度效应
• 3.3.4 算例
• 3.3.5 结论
• 3.4 自锚式悬索桥索力的优化方法
• 3.4.1 索力优化的方法
• 3.4.2 自锚式悬索桥索力优化的计算模型
• 3.4.3 自锚式悬索桥成桥索力分析原理与方法
• 3.4.4 自锚式悬索桥索力优化实例
• 3.5 自锚式悬索桥主缆线形的循环搜索法
• 3.5.1 数学模型
• 3.5.2 循环搜索法
• 3.5.3 实例
• 3.5.4 结论
• 3.6 自锚式悬索桥的无应力状态控制法
• 3.6.1 引言
• 3.6.2 无应力状态控制法
• 3.6.3 实例分析
• 3.6.4 结论
• 3.7 结论
• 4 自锚式悬索桥施工控制中的力学特性
• 4.1 引言
• 4.2 自锚式悬索桥施工控制中的力学特性
• 4.2.1 主缆位移的弱相干性
• 4.2.2 吊杆力的相邻影响原理
• 4.3 应用举例
• 4.3.1 工程背景
• 4.3.2 影响矩阵法
• 4.3.3 吊杆力的相邻影响原理的局限性
• 4.3.4 模型实验与施工控制
• 4.4 结论
• 5 自锚式悬索桥张拉过程中的索力优化
• 5.1 索力优化的原则
• 5.2 采用群论进行索力优化
• 5.2.1 群的定义
• 5.2.2 张拉吊杆过程与群的关系
• 5.3 索力优化
• 5.3.1 采用4台千斤顶一步到位张拉过程的受力特性
• 5.3.2 采用4台千斤顶多步张拉的索力优化
• 5.3.3 采用8台千斤顶的交替前进张拉法
• 5.4 自锚式悬索桥张拉调索的实例
• 5.4.1 工程概况
• 5.4.2 施工控制的基本原则
• 5.4.3 康济桥施工控制的实施过程
• 5.4.4 结论
• 6 自锚式悬索桥施工控制中的误差调整
• 6.1 引言
• 6.1.1 桥梁施工控制中的主要影响参数
• 6.1.2 常用的参数识别方法
• 6.1.3 自锚式悬索桥施工中误差控制的特点
• 6.1.4 自锚式悬索桥的主要参数及合理成桥状态的概念
• 6.2 参数误差对施工控制结果的影响
• 6.2.1 主缆长度的误差所引起的垂度误差
• 6.2.2 加劲梁自重的误差对主缆垂度的影响
• 6.2.3 温度引起主缆垂度的误差
• 6.2.4 索鞍移动对垂度的影响
• 6.2.5 自锚式悬索桥控制参数容许误差的计算
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 1. 本文研究的结论
• 2. 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢