强震作用下独塔斜拉桥拉索松弛现象研究

为考虑地震作用下斜拉桥拉索的垂度效应,常规方法是将拉索模拟为弹性单元,根据恒载索力修正单元材料的弹性模量;但该方法忽略了索力变化对拉索轴向刚度的影响,也未考虑强震中可能出现的拉索松弛现象。该文先给出了三种不同的拉索应力-应变方程,然后以一座独塔斜拉桥为背景,通过赋予拉索不同的应力-应变关系建立了三个非线性有限元模型,研究了强震作用下拉索的地震响应和拉索松弛现象。结果表明:在近场地震作用下,拉索索力变化幅度较大,部分拉索有可能出现松弛现象;拉索松弛后,出现松弛的拉索最小索力不再减小,最大索力继续增加;对于整个结构而言,拉索松弛只是局部响应的变化,对梁体位移和塔柱受力等地震响应的影响有限;但地震中不考虑索力变化对拉索轴向刚度的影响可能低估结构的地震响应,最大偏差可达到20%。     

大跨混凝土斜拉桥施工过程中结构的断索动力响应

为研究大跨混凝土斜拉桥施工过程中结构的断索动力响应,以湖南赤石特大桥火灾后九根拉索断裂的事故为背景,采用有限元软件建立了赤石特大桥的非线性动力实体有限元分析模型,通过对比灾后检测得到的索力、主梁和索塔位移及裂缝开展情况与有限元模型中相应的计算结果,证明了模型的有效性。基于已验证的有限元模型,对斜拉桥结构在多根拉索断裂过程中的动力响应进行了分析。结果表明:(1)拉索静态断裂只会对断索区域附近的截面内力和索力造成影响,而拉索骤断引起的冲击作用则会导致全桥结构都产生较大内力变化;(2)单侧索面部分拉索断裂导致主梁顶板及腹板受到扭矩和双向弯矩的共同作用而产生大量裂缝,裂缝在第五根拉索断裂后出现;(3)主梁扭矩、竖向弯矩和横向弯矩最不利截面在断索过程中的动力放大系数分别在1.09~1.55、1.21~2.05及1.21~1.76,最大主压应力动力放大系数在1.02~1.58;(4)预应力筋及拉索最大拉应力的动力放大系数分别在1~1.9及1.05~1.4;(5)索塔塔顶位移动力放大系数在1.23~1.65。     

基于门控循环单元神经网络的大跨径斜拉桥索力预测

拉索索力的改变直接反映斜拉桥结构体系受力状态的变化，因此索力监测对斜拉桥健康评估具有重要意义。然而现有关于索力的研究大多为索力识别，难以做到根据历史索力数据实现对未来索力的预测。为此，提出一种基于门控循环单元（GRU）神经网络的索力预测方法：利用GRU神经网络对时序型数据的处理能力以及索力数据较强的序列化特性，搭建基于GRU神经网络的索力预测框架，该预测框架包含输入层、GRU隐藏层与输出层；利用实桥连续采集的索应力时程数据作为训练及验证样本，对样本进行数据切片和归一化；搭建能够实现对该桥未来索力进行预测的GRU神经网络，结合梯度下降优化算法进行网络计算。结果表明所提方法对不同长度的拉索都具有较好的预测效果。     

斜拉桥塔体锚固区应力分析

现代斜拉桥的桥塔往往采用混凝土结构，这使得斜拉索在塔体的锚固构造处理变得十分关键，本文以实际工程为背景，运用现代有限元方法，对塔体斜拉索锚固区进行了空间应力分析，探讨了在强大斜拉索力作用下锚固区的受力特点，分析数据为塔体锚固的构造设计提供了重要的参考依据，与光弹试验比较表明，计算结果和试验结果吻合。     

索力调整在斜拉桥施工中的影响

分阶段施工实际上是斜拉桥结构体系与作用于结构上的荷载不断变化的过程。施工工序的变化引起荷载的变化,结构上荷载的变化改变着斜拉索的索力,斜拉索的主动调索表面上是改变着斜拉索的索力,而本质上是改变了斜拉索的无应力长度。按照无应力状态控制法最终结构的内力和线形与施工过程无关的基本原理,可以实现斜拉桥施工中斜拉索调索与其他工序同步并行作业。     

基于应变能的预应力平面实体结构拓扑优化设计

研究了预应力平面实体钢结构拓扑优化设计问题。建立了以索力值和结构拓扑为设计变量,以结构储存应变能为约束条件,以结构重量最小为目标函数的数学优化模型。在求解方法上,首先以结构储存应变能最小(刚度最大)确定施加在结构上的索力值,然后采用渐进结构优化法(ESO方法)删除低应变能的单元实现结构的拓扑优化并减轻结构重量。算例结果与相应体系受力性能的结论相吻合,表明本文所提出的优化方法是可行的。     

上海长江大桥索塔钢锚箱模型试验研究

上海长江大桥斜拉索与索塔锚固采用结构形式新颖的钢锚箱式锚固结构,最大斜拉索索力达到1127t,钢锚箱板件数量多、构造复杂,在强大索力作用下结构的受力性能值得关注。介绍了该索塔中钢锚箱节段模型试验,得到了钢锚箱板件的应力分布,总结了钢锚箱板件间的传力机理。通过有限元数值计算结果与试验结果的对比分析,验证了数值计算方法的准确性。试验结果和数值计算结果表明:钢锚箱在强大索力作用下,板件应力分布复杂,不均匀程度严重,在1倍设计索力作用下钢锚箱处于弹性状态,但有部分位置的应力超过了规范规定的设计强度值,即使在1.7倍设计索力作用下,钢锚箱仍能继续承载,没有出现明显的变形。建议对于钢锚箱这样的结构在不过多降低结构安全储备情况下可以适当利用部分钢材的塑性。     

千米级斜拉桥空间非线性合理恒载索力分析

建立了斜拉桥索力调整的空间非线性有限元分析模型，以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数、结构应力及索力为约束条件，采用一阶最优化计算方法进行求解，用以确定成桥合理状态的索力。应用该法分析了某千米级斜拉桥的合理成桥状态，计算结果表明，该方法简单、有效。     

采用拉索模数伸缩缝的斜交桥减隔震参数优化

为解决减隔震参数优化过程中参数个数增加后计算量剧增和单一构件响应量作为优化目标优化效果不理想的问题,借助响应面方法提高最优解搜索效率,提出了以桥梁结构在E2水平设防地震下的震后维修费用为优化目标的减隔震参数优化方法。首先对基于构件的桥梁结构震后直接经济损失计算方法和结合中心复合设计的响应面方法进行了介绍;然后以一座设置拉索模数伸缩缝和板式橡胶支座的斜交连续梁桥为例,构建基于OpenSees数值平台的非线性有限元模型,选取与规范反应谱相匹配的原场地震动时程作为输入,对板式橡胶支座的刚度、拉索模数伸缩缝的自由程和拉索刚度进行了优化设计,验证所提方法的正确性和可靠性;最后建立了不同斜交角下分别采用拉索模数伸缩缝和普通模数伸缩缝的斜交桥模型,对比分析了拉索模数伸缩缝的减震效果。结果表明：所提的斜交桥减隔震参数优化方法具有较好的计算效率和准确性;斜交桥震后维修花费受支座刚度的影响最大,拉索自由程次之,受拉索刚度的影响最小;拉索模数伸缩缝的设置可以平衡支座损伤和桥台损伤,使桥梁的震后维修费用显著减少;设置普通模数伸缩缝的斜交桥,其震后维修费用随斜交角的增大而增加,而设置拉索模数伸缩缝的斜交桥,其震...     

索力振动测量的传递矩阵法

振动法测量拉索张力需要准确描述索力与自振频率的关系,在建立拉索振动的离散模型基础上应用传递矩阵法计算拉索固有频率,通过求解特征方程建立了索力与振动频率的关系;然后将计算得到的模态频率与测试得到的模态频率比较,通过修正拉索张力计算值使计算频率与实测频率误差最小,最后修正的拉索张力则为拉索实际张力。通过对实际工程的测试结果分析表明,该方法具有准确、实用和易编程的特点,完全能满足工程应用要求。     

合龙段底板分层破坏抗裂设计方法研究

针对悬浇预应力混凝土箱梁桥合龙段底板在合龙索张拉过程中经常发生分层破坏的现象,介绍了混凝土多种破坏准则,并从理论上指出最大拉应力准则不适用于箱梁桥合龙段的底板抗裂设计,而应该采用双向应力状态下的混凝土强度破坏准则。选取多座典型破坏桥梁与未发生破坏桥梁为研究对象,建立了桥梁结构的三维实体有限元模型,得出合龙段底板预应力管道之间的竖向应力与纵向应力,进而利用不同混凝土破坏准则分别对典型桥梁的应力状态及安全性做了预测,并与桥梁实测结果进行了对比,证明了理论分析的正确性。研究结论可为同类桥梁的抗裂设计提供参考。     

单索面矮塔斜拉桥的动力特征参数研究

结合小西湖双塔三跨单索面矮塔斜拉桥地震荷载作用下的结构动力反应,引入“斜拉索动力荷警效应暨响度”的概念定量分析了矮塔斜拉桥斜拉索在地震荷载下的实质作用,并据此提炼出能综合反映矮塔斜拉桥结尊翌考譬征的参数——“矮塔斜拉桥动力特征参数”;用“斜拉索动力荷载效应影响度”与“矮塔斜拉桥动力特征参数”的相关性定量描述矮塔斜拉桥的动力特点,对进一步认识矮塔斜拉桥的动力性能有一定的参考意义。     

Evaluation of FRP and hybrid FRP cables for super long-span cable-stayed bridges

This paper evaluates the safety factors, the applicable lengths, and relative cost of FRP (fiber reinforced polymer) and hybrid FRP cables that are potentially suitable for cable-stayed bridges with a super long-span of between 1000 m and 10,000 m. Following previous studies on 1000-m scale cable-stayed bridges with FRP cables, two kinds of hybrid FRP cables – the previously discussed hybrid basalt and carbon FRP (B/CFRP) cable and the newly-developed basalt and steel-wire FRP (B/SFRP) cable – as well as conventional steel cable, CFRP cable, and BFRP cable are further investigated focusing on their promise in meeting potential requirements for super long-span bridges. Some major results are as follows: (1) a three-stage model for determining safety factors of cables with different kinds and lengths is proposed; (2) a threshold of λ² is suggested to achieve both high material and stiffness utilization efficiency, based on which the applicable lengths for different kinds of cables were evaluated; and (3) hybrid B/SFRP cables and BFRP cables are comparable in cost to steel cables within a 3000 m span, while hybrid B/CFRP cables and CFRP cables demonstrate a superior performance/cost ratio over a longer span.     

CFRP拉索设计对大跨度斜拉桥力学特性的影响

以跨度600m～1400m的桥梁为对象,对碳纤维拉索在不同跨径斜拉桥中的适用性和经济性进行了研究。通过活载作用下的最不利内力和变形、抗风性以及弹塑性稳定性、振动特性等方面的对比,分析了碳纤维拉索在各种大跨度斜拉桥中的适用可能性。研究结果表明:碳纤维拉索的刚度虽然低于钢索,但使用这种材料不影响大跨度斜拉桥的结构设计内力,相反由于拉索使用效率的提高和较高的侧向刚度有利于主梁结构的设计。碳纤维拉索的设计安全系数在2.5～3.5之间可以满足桥梁结构设计的强度和刚度要求。但经济性是影响碳纤维拉索适用于跨度小于1000m斜拉桥的重要因素之一。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响分析

采用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一。现有拉索阻尼器设计理论均假定索的两端为固结;然而,随着斜拉桥跨度的增大,桥梁结构整体刚度下降,主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响成为大跨度斜拉桥拉索减振设计需要考虑的问题。该文建立了索、梁和阻尼器组合系统的简化理论模型,并对其进行了复模态分析。以跨径分别为400m、650m和1km的3座斜拉桥主跨最长索为算例,分析了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响,指出了现有阻尼器设计理论的不足。分析结果表明:主梁振动降低了拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,必须考虑主梁参与振动的影响。     

预应力混凝土斜拉桥施工过程中的力学行为研究

斜拉桥施工过程中的力学行为研究是一项涉及斜拉桥质量和安全的关键技术问题。采用空间非线性 有限元模拟了某大跨度预应力混凝土斜拉桥主梁的悬臂浇筑过程,引入一阶最优化计算方法来确定斜拉桥的合 理施工状态,求出各施工阶段的斜拉索张拉索力和主梁的预抛高值,并讨论了物理非线性和几何非线性等因素 对桥梁施工的影响,提出了减小非线性影响的措施。。     

循环荷载作用对CFRP筋力学性能的影响

应用于桥梁工程的碳纤维增强复合材料（CFRP）筋通常受循环荷载作用,导致其力学性能的退化,这将影响桥梁结构的受力。为了考察循环荷载作用对CFRP筋力学性能的影响,首先利用静载试验对CFRP筋的初始力学性能进行了检测,然后结合静载试验结果并利用疲劳试验考察了各阶段循环荷载作用对CFRP筋弹性模量、松弛及抗拉强度的影响。研究结果表明,极限拉力作用下CFRP筋的弹性模量较初始状态高约5%,对于CFRP筋构件的变形对结构内力有较大影响的结构,在设计阶段建议适当地考虑CFRP材料的非线性问题;桥梁工程中,经200万次正常使用设计循环荷载作用的CFRP筋,其弹性模量和松弛性能较初始状态未发生明显退化,经应力幅为4.3%的极限抗拉强度的循环荷载作用后,CFRP筋的抗拉强度提高了1.2%,但应力幅提高至7%的极限抗拉强度时,其抗拉强度与初始状态相比无明显变化。