大跨径结合梁斜拉桥精细化有限元模型及几何非线性分析

论文摘要

近年来,斜拉桥因其跨越能力大、施工便捷和外形美观等优点成为现代桥梁中发展最快、最有竞争力的桥型。斜拉桥是由桥塔、斜拉索和主梁构成的高次超静定结构,复杂的超静定结构形式增加了结构分析的难度,模型分析结果与实际结构测量结果之间总是存在一定的误差,而计算分析的精确程度将直接关系到设计的优劣与施工过程中的安全性。且随着桥梁跨径的增大,结构刚度随之减小,结构在荷载作用下往往会产生较大的变形,从而使得整个结构由于这种有限变形而表现出明显的几何非线性。斜拉桥几何非线性分析对了解结构在给定荷载下的安全可靠性是十分重要而且必不可少的。在建的武汉市二七长江大桥,是目前世界上跨径最大的三塔结合梁斜拉桥。本文以此桥为工程背景,主要完成了以下工作：1、基于ANSYS平台建立了武汉二七长江大桥的两种空间有限元模型：单主梁模型和空间板壳和实体单元与梁单元相结合的精细化模型,并将两种模型在恒载状态下的静力计算结果进行了对比分析,结果表明：单主梁模型的混凝土梁段因不能建立预应力导致竖向位移向下达到12.4cm,较精细化模型大8.2cm,且该处索力偏大,边塔塔底弯矩偏小,说明采用简化的单主梁模型进行计算分析会导致很大的误差,应采用本文提出的精细化模型,才能准确的反映结构的空间内力分布及变形特征。2、分析了该桥的恒载几何非线性效应,采用Ernst公式修正斜拉索弹性模量考虑斜拉索的垂度效应,并运用ANSYS程序白带的大位移效应和弯矩与轴向力组合效应的运算模块。结果表明：该分析方法是可行的；各种几何非线性因素都会影响结构的变形和受力状态；桥塔弯矩和主梁竖向位移受几何非线性影响最大,部分已达到25%,而斜拉索内力及主梁应力影响非常小；对于主梁的竖向位移斜拉索垂度效应较其余非线性影响要大。3、研究了该桥在运营阶段主梁主跨跨中位移和边塔塔底弯矩在活载最不利工况下的非线性影响,结果表明：主梁竖向位移在恒载和活载状态下几何非线性影响均是增大的,而活载影响相对要小；桥塔弯矩在恒载状态下大部分区域受非线性影响是减小的,而活载影响基本是增大的,且增大比例较恒载大,为6.9%。本文的研究成果不仅为武汉二七长江大桥的设计、施工及运营管理提供了重要依据,其建模思想和分析方法也可用于其他大型复杂结构分析研究中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 斜拉桥的发展
• 1.1.2 结合梁斜拉桥
• 1.1.3 现代斜拉桥的发展趋势
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 大跨径斜拉桥的有限元建模方法
• 1.2.2 大跨径斜拉桥的几何非线性分析
• 1.2.3 目前存在的问题
• 1.3 研究的现实意义与工程背景
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 空间有限元模型对比分析
• 2.1 武汉二七长江大桥三塔结合梁斜拉桥结构简介
• 2.1.1 主梁
• 2.1.2 桥塔
• 2.1.3 斜拉索
• 2.1.4 全桥布置图及主梁和桥塔构造图
• 2.2 两种有限元模型的建立
• 2.2.1 模型1——单主梁模型
• 2.2.2 模型2——精细化模型
• 2.3 两种模型的对比分析
• 2.3.1 主梁竖向位移计算结果比较
• 2.3.2 桥塔内力计算结果比较
• 2.3.3 斜拉索应力计算结果比较
• 2.3.4 全桥支反力计算结果比较
• 2.3.5 精细化模型主梁横向应力分布
• 2.4 本章小结
• 第3章 斜拉桥几何非线性分析理论
• 3.1 斜拉桥几何非线性分析的主要影响因素及分析理论
• 3.1.1 斜拉索垂度效应
• 3.1.2 弯矩与轴向力的组合效应
• 3.1.3 大位移效应
• 3.2 非线性方程组的一般数值解法
• 3.2.1 直接迭代法（也称割线法）
• 3.2.2 牛顿-拉斐逊法（Newton-Raphson法,也称切线刚度法）
• 3.2.3 修正的牛顿-拉斐逊法（也称初始刚度法）
• 3.2.4 拟牛顿法
• 3.2.5 增量法
• 3.3 斜拉桥几何非线性数值求解的近似方法
• 3.3.1 荷载增量法
• 3.3.2 迭代法
• 3.3.3 混合法
• 3.4 本章小结
• 第4章 大跨径斜拉桥几何非线性分析
• 4.1 程序实现
• 4.2 恒载几何非线性分析
• 4.2.1 桥塔内力计算结果比较
• 4.2.2 斜拉索内力计算结果比较
• 4.2.3 主梁竖向位移计算结果比较
• 4.2.4 主梁应力计算结果比较
• 4.3 活载几何非线性分析
• 4.3.1 主梁主跨跨中位移活载几何非线性
• 4.3.2 边塔塔底弯矩活载非线性
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文