超大跨径组合梁斜拉桥稳定和极限承载力研究

采用钢混主梁的大跨度斜拉桥近年来不断发展。安徽省望东长江大桥主桥采用PK型分离式组合梁斜拉桥,主跨跨径638 m,是目前国内已建成的最大跨度组合梁斜拉桥。研究以望东长江大桥为对象,采用数值分析方法,分别对大跨径组合梁斜拉桥的弹性稳定和弹塑性极限承载能力进行研究,分析了施工和运营两个阶段的典型工况,明确了不同工况下大跨组合梁斜拉桥的承载能力和破坏模式,并通过考虑几何非线性和材料非线性的弹塑性有限元分析,明确了大跨组合梁斜拉桥在极限状态下的安全控制构件、失效路径。研究成果可为同类工程提供参考。     

大跨斜拉桥钢锚梁多工况受力性能分析

文章以主跨560 m大跨径斜拉桥为工程背景,考虑了摩擦接触非线性影响,采用有限元方法,对钢锚梁结构进行施工阶段,运营阶段和极端断索状态下的空间应力分析。计算分析结果表明:施工中考虑摩擦接触非线性计算钢牛腿顶板所得应力值大于不考虑摩擦接触的工况,后续设计中应考虑摩擦接触非线性的影响;钢锚梁压板与牛腿顶板和钢牛腿背板三者交界处换算应力较大,属于较为薄弱区域,构件制造时应确保相应部位焊接质量;极端断索工况下,焊缝承受较大剪力,应对焊缝进行抗剪设计。     

材料非线性对独塔斜拉桥静力分析的影响研究

综合考虑几何及材料非线性的影响,利用有限元分析软件ANSYS,建立了吉林市临江门独塔斜拉桥实体单元有限元模型,对斜拉桥关键部位进行了非线性静力分析,结果表明,考虑材料非线性影响后塔梁固结处及主梁的应力和位移平均增大10％,索应力最大相差20％,因此对于中小跨度斜拉桥应考虑材料非线性的影响。     

大跨度斜拉桥几何非线性静力计算分析

以斜拉桥作为研究对象,对斜拉桥的几何非线性问题进行了详细的介绍,并讨论了斜拉桥非线性分析的几种基本方法,编制相应的计算程序对几座典型的实桥进行了计算分析.计算结果表明,斜拉桥这种柔性结构在恒载作用下是高度非线性的,跨径越大,几何非线性表现得越突出,结构分析与设计中考虑几何非线性的影响就显得十分必要.     

拉索拱结构几何非线性分析的实用方法

拉索拱结构是大变形组合结构。本文应用有限元方法,结合拉索拱结构的特征,提出了空间梁索单元相结合的混合有限元模式。在Timoshenko梁假定的基础上,考虑了拱结构的轴向、剪切、弯曲和扭转效应,导出了拱大位移、大转动问题的UL列式。索单元采用三节点二次曲线元。算例表明,用本文方法编制的NAPA程序,具有分析大跨空间结构几何非线性能力,是进一步研究拉索拱结构的有效工具。     

悬索桥主缆抗弯刚度引起的二次应力分析

为了研究悬索桥主缆考虑抗弯刚度引起的二次应力,以一座主跨为730 m的双塔单跨悬索桥为例,用索单元与空间梁单元组成的组合单元对主缆进行模拟,采用桥梁非线性分析软件BN-LAS建立有限元模型,通过改变组合单元中梁单元的抗弯惯性矩,分析了抗弯刚度对主缆边跨和主跨二次应力的影响;比较了加劲梁从跨中向桥塔方向吊装和从桥塔向跨中方向吊装2种不同吊装方案下的二次应力,研究吊装过程中二次应力的变化情况;分析了恒载作用下悬索桥的二次应力随跨度的变化,并与有限元结果进行比较。结果表明:主缆抗弯惯性矩对二次应力影响很小;吊装顺序对二次应力有较明显的影响;恒载作用下跨度越小,二次应力越大。     

在施工过程中施工误差对大跨径斜拉桥极限承载力影响的研究

在斜拉桥施工过程中由于不可避免地产生几何尺寸和索力的误差时,主梁和主塔也会产生偏离理论纵轴线的误差,当悬臂施工过程中悬臂长度增大时斜拉桥主梁就会发生出平面的变形.当前斜拉桥跨径已经突破千米,如果施工误差引起悬臂施工中主梁的平面外偏移,则必然降低结构的安全性.文中综合考虑影响斜拉桥几何非线性的因素,同时计及材料非线性,基于Monte Carlo思想对斜拉索索力随机误差进行了模拟,利用大型通用有限元程序ANSYS对千米级斜拉桥按照第二类稳定问题的求解方法对其施工过程进行了模拟分析,主要考察了斜拉桥处于最大双悬臂和中跨最大单悬臂状态时的最不利施工工况下结构的极限承载力,给出了不同施工误差下大跨径斜拉桥荷栽安全系数的比较和分析结论.     

不同结构体系下大跨三塔斜拉桥地震响应研究

为研究大跨度三塔斜拉桥采用不同结构体系时的地震响应,以某主跨616m的三塔斜拉桥为工程背景开展地震响应分析。通过有限元软件ANSYS,分别建立漂浮体系、支承体系和刚构体系3种结构体系的全桥空间有限元模型,采用桥位处纵、横及竖向人工加速度时程曲线为地震激励,通过非线性动力时程分析得到不同结构体系下桥梁位移及内力响应。综合主塔塔顶位移、主梁跨中位移及塔底内力对该桥不同结构体系方案进行对比研究。计算结果表明:不同结构体系对3塔斜拉桥构件的地震响应的影响不同,支承体系比较有利于大桥的结构抗震。     

斜拉立体桁架的几何非线性分析

斜拉立体桁架是一种有发展前途的杂交结构体系，不需增加结构高度和构件断面，就能比较经济地跨越很大的跨度。本文基于UL列式，结合斜拉立体桁架的特点，采用了空间梁单元、空间杆单元、拉索单元相结合的混合有限元模型，分别对1塔柱2跨和2塔柱3跨两种不同形式的斜拉立体桁架进行了几何非线性静力分析，研究了由于拉索的垂度、大位移以及二者都考虑引起的非线性效应，并和线性分析作了对比，最后得出了一些结论供设计人员在设计中参考。     

单层球面网壳结构动力稳定分析

本文阐述结构动力稳定性的基本概念,动力稳定研究方法.通过非线性有限元分析空间梁单元节点大位移、大转角产生的几何非线性,采用Mises屈服准则和Prandtl-Reuss流动法则模拟材料弹塑性本构关系.讨论网壳结构动力失稳机理.通过大型工程实例分析,验证本文的理论和所编制程序的正确性.     

塔梁连接形式对大跨斜拉桥动力特性的影响

建立了大跨斜拉桥的三维有限元分析模型，可方便考虑斜拉索初张力等几何非线性影响，进行了自由振动分析讨论了不同塔梁连接形式对结构动力特性的影响，可为进一步开展结构抗震、抗风等研究打下基础。     

一种新型高效的几何非线性梁-柱单元

进行杆系结构有限元分析时,为得到足够精确的数值解往往需要将构件划分为大量的单元。单元数量的增加不仅会极大的增加计算代价,还易产生数值计算不收敛的问题。在梁-柱单元位移函数中引入了轴力的影响,将传统三次位移函数改进为四次位移函数,并推导得到了新型几何非线性梁-柱单元。新单元几何非线性刚度矩阵中考虑了单元位形变化对平衡方程的影响及单元位形变化对几何方程的影响,进而可以考虑二阶效应、弓形效应。采用新单元编制了有限元程序,算例分析表明:该新梁-柱单元精度得到了显著改善,可以极大减少非线性有限元模型的单元数量,在分析柱的稳定、梁悬链线效应等极限问题时具有显著优势。     

大尺寸矩形孔蜂窝梁力学性能有限元模拟

蜂窝梁具有承载力高、外形美观、节省材料、便于布设管线、刚度大等诸多优点,被广泛地应用于建筑结构当中。本文对实际工程中的大尺寸矩形孔单跨和双跨蜂窝梁的构造和尺寸进行介绍。采用ABAQUS有限元软件分析了大尺寸矩形孔蜂窝梁力学性能。有限元模拟中同时考虑初始缺陷、材料非线性和几何非线性的影响。结果指出:单跨梁和双跨梁的屈曲模态均表现出局部屈曲特征;在设计荷载作用下,蜂窝梁满足强度和稳定的要求;在极限荷载作用下,蜂窝梁的状态由强度控制;单跨梁和双跨梁的梁端塑性铰长度不超过2.2 m。     

纵向弹性索对斜拉桥稳定性的影响

为了探讨纵向弹性索对斜拉桥稳定性的影响,用ANSYS非线性有限元程序,结合重庆一座超大跨径预应力混凝土斜拉桥——奉节长江大桥,对其有无纵向弹性索约束时结构的失稳模态、线性与非线性稳定安全系数进行了数值模拟分析,研究表明：结构无纵向弹性约束时斜拉桥一阶线性失稳模态为沿纵桥向飘逸,有弹性索作用时为主梁下挠失稳,在两种情况下,非线性失稳模态均为主梁跨中下挠失稳,纵向弹性索对斜拉桥的稳定性有比较大的影响。     

Midas/Civil在大跨斜拉桥几何非线性分析中的应用

结合某大跨径混合梁斜拉桥工程,运用Midas/Civil软件建立了其完整有限元模型,阐述了斜拉桥各部件具体简化方法以及斜拉桥合理成桥状态计算方法,对各种典型工况实现方法进行了说明,通过比较线性计算结果与非线性计算结果,论述了该软件在大跨度桥梁几何非线性分析时的应用方法。     

东海大桥主航道桥斜拉桥总体设计

东海大桥主航道桥为主跨420m五跨连续的双塔中央索面斜拉桥。主梁为在大跨径斜拉桥上首次采用的钢-混凝土箱形结合梁。重点介绍该桥的总体设计。     

大跨径斜拉桥静风稳定性的参数研究

随着斜拉桥跨径的不断增大,空气静力失稳现象已引起了人们的广泛重视.本文用作者导出的大跨径斜拉桥非线性静风稳定性的方法,编制了计算软件BNAP.对一座主跨1000m的斜拉桥的静风稳定性进行了参数分析与比较,给出影响大跨径斜拉桥静风稳定性的主要参数.     

多点激励下桩-土-斜拉桥全模型振动台试验研究

大跨斜拉桥的自振频率和阻尼低以及空间尺度大,其地震响应受桩基础、场地土特性和地震动空间效应的影响较大。然而,由于试验条件和技术所限,目前尚缺乏相关的全模型振动台试验研究。以一座试设计主跨1400m超大跨斜拉桥为原型,设计和制作了一座几何相似比为1/70且包括上部结构、桩基础和场地土等在内的试验模型,通过振动台试验研究了多点激励对桩-土-斜拉桥全模型地震响应的影响及其规律。试验结果表明：纵向多点激励使一侧主塔的纵向位移、一侧主塔和桥墩的纵向桩-土-结构相互作用效果以及主跨一侧竖向位移增大,而另一侧减小;横向多点激励使一侧主塔的横向位移和一侧桥墩的横向桩-土-结构相互作用效果增大,另一侧减小,但使两侧主塔的横向桩-土-结构相互作用效果和主跨两侧横向位移响应均增大;桩-土-结构相互作用对斜拉桥的加速度响应产生不利影响。基于上述结果,大跨斜拉桥的抗震设计或性能评估应考虑多点激励和桩-土-结构相互作用的影响。     

大跨径三塔双主跨斜拉桥非线性风致静力失稳分析

大跨径桥梁的风致静力失稳问题不容忽视.我国一座建成后将是世界上跨度最大的三塔双主跨斜拉桥的空气静力稳定性值得关注.依据大跨径桥梁非线性风致静力失稳分析理论,考虑荷载非线性与几何非线性,采用优化的增量与内外两重迭代相结合的方法对该桥的空气静力稳定性进行了分析.描述了该桥特殊的失稳形态,讨论了拉索、桥塔和辅助墩对其空气静力稳定性的影响及机理,并从风荷载与结构刚度的关系解释了该桥的风致静力失稳机理.     

媒体重头文章概览

基于精细梁模型的向量式有限元分析
　　《土木建筑与环境工程》02/2015
　　精细梁不同于Euler梁和Timos lenko梁,该模型在考虑剪切变形的同时还考虑了横向弯曲时截面转动产生的附加轴向位移及横向剪切变形影响截面抗弯刚度后产生的附加横向位移。推导了适用于向量式有限元分析的精细梁单元应变和内力表达式,采用FORTRAN自编了向量式有限元程序。对悬臂梁、两端固支梁和门式框架进行了算例分析,对比了采用不同梁单元模型下结构的竖向位移。结果表明：当高跨比较小时,3种梁单元的竖向位移相差不大;当高跨比较大时,精细梁单元的竖向位移较Euler梁和Timos lenko梁明显增大,表明剪切变形及刚度折减引起的附加轴向位移、附加横向位移不能忽略。精细梁单元模型对高跨比较大的梁进行分析可望得到更精确的结果。