锚索式悬浮隧道断索动力响应及安全设计分析

针对锚索式悬浮隧道的结构特点，提出锚索突然失效作用下结构动力响应分析与安全设计的技术框架。采用ABAQUS有限元软件建立了断索发生前悬浮隧道在管体剩余浮力、锚索预张力作用下的初始状态；在有限元程序中进行了悬浮隧道跨中截面单根锚索骤断时的动力响应分析，得到了结构振动过程中的响应最大值以及断索后剩余结构的内力重分布形式，并分别采用动力放大系数、冲击系数评估了剩余结构承受的断索冲击效应。进而提出基于动力放大系数、冲击系数的结构响应简化分析方法，与动力计算结果进行了对比。结果表明：对部分锚索施加预张力，使得悬浮隧道恒载作用下初始受力状态更为合理；局部断索引起的结构振动非常明显，导致断索截面附近管体的较大变形；结构安全设计时，取动力放大系数为2.0对悬浮隧道管体位移、弯矩进行分析较为适用，取冲击系数为1.8预测断索过程中剩余锚索最大索力，安全储备更高。     

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。     

环箍-穹顶索杆结构局部断索抗倒塌能力分析

提出一种新型的环箍穹顶全张力自平衡索杆结构,该体系以环形张拉整体为周边环梁,中部支承Levy型索穹顶结构。由于该环箍穹顶结构冗余度较低,该文研究了局部索失效情况下的结构抗倒塌性能。考察了环形张拉整体中局部拉索破断后索穹顶环向约束刚度的降低程度,以及整体结构力学性能的影响。基于显式动力积分法,运用变换荷载路径法,通过移除失效拉索单元,分析模拟了环形张拉整体不同部位的拉索断裂后剩余结构的响应,包括节点位移、索杆内力等指标。根据响应值将断索分成四种类型,并对四种类型的索破断后结构是否产生连续倒塌进行了探索。分析结果表明,提出的环箍-穹顶索杆结构具有较好的抗连续倒塌性能,相关结论将为此类结构的工程应用及安全评估提供借鉴。     

葵花型索穹顶结构力学性能及拉索破断试验研究

通过对一直径6m的葵花型索穹顶试验模型,进行竖向对称加载、非对称加载以及拉索瞬间破断试验,研究了该结构的受力特点以及单根拉索瞬间破断时结构的响应特征。应用非线性有限元数值计算方法建立索穹顶计算模型,对葵花型索穹顶结构的力学性能进行了分析,并与试验结果进行比较。结果表明:在各加载阶段,节点竖向位移实测值普遍较计算结果偏大,拉索索力实测值与计算结果总体吻合较好;对称加载过程,结构的荷 载-位移关系具有较好的线性规律;与对称加载比较,非对称加载的荷载-位移关系则表现出非线性,节点位移也较大,非对称荷载对结构竖向刚度的设计起控制作用;单根拉索瞬间破断时,结构会有微幅振动,不同位置拉索的失效对结构的影响程度不尽相同。     

索穹顶结构风振响应时程分析

采用改进的AR法和相应自编程序,模拟出索穹顶屋盖结构各节点的脉动风速时程,将流固耦合作用引入结构的动力平衡方程,进行了结构风振响应时程分析。通过结构典型节点处的位移响应和关键构件的内力响应计算结果的分析,给出结构的位移风振系数和内力风振系数,并与结构风振响应频域分析结果加以对比,得到一些有意义的结果和结论。     

动力松弛法在索穹顶结构形状确定中的应用

索穹顶结构的成形分析是该体系的基础问题,由于包含刚体位移使得跟踪难度相当大。基于改进动力松弛法对结构施工过程进行计算,采用拆除张拉索段,代以两个固定的集中力施加在该索两端节点的方法,克服了因其刚体位移而造成的分析困难。该方法操作简单且力学概念明确,算例和模型试验表明其能够应用于不同的索穹顶结构和索杆张拉结构的施工模拟。     

大跨度钢索和CFRP索斜拉桥车桥耦合振动研究

以跨度600m～1400m的大跨度斜拉桥为对象,应用考虑拉索侧向振动影响的车桥耦合振动分析方法研究了钢索和CFRP索斜拉桥的交通振动响应,比较了车辆计算模型、行车速度对计算结果的影响,并分析了斜拉桥的动力冲击系数。研究结果表明,大跨度斜拉桥主梁的振动响应以静位移和长周期振动成分为主,拉索局部侧向振动不明显,车辆计算模型对结构振动响应的影响十分有限,行车速度的提高增加了结构的动力系数,两种拉索材料对斜拉桥在车辆荷载下的振动响应影响很小,斜拉桥的动力系数离散性大且与构件类型有关。     

两种体系索穹顶结构的破坏形式及其受力性能研究

索穹顶结构是美国工程师Geiger根据Fuller的张拉整体结构思想开发的一种新型预张力结构。目前,国内外对索穹顶结构的初始预应力分布、结构静动力性能等进行了比较全面的研究,但是一般以索单元的松弛和破断作为结构失效的标准,有关该类结构的破坏形式以及部分索松弛或破断后的受力性能研究却很少涉及。以Geiger及Levy体系索穹顶结构为例,探讨了索穹顶结构可能存在的破坏形式,分析了部分索退出工作后的结构受力性能,并对两种体系的受力情况作了比较。得出的结论对该类结构的进一步研究和工程应用具有指导意义。     

深圳宝安体育场屋盖索膜结构的找形和索的破断分析

以深圳宝安体育场索膜结构屋盖为研究对象,该文对其进行了找形和索的破断分析。采用非线性有限元方法进行了找形分析,分析发现该方法可以得到合适的索杆预张力分布和稳定的结构形态。采用单元生死技术对结构体系进行了索的破断分析,结果表明:单根径向索的破断会使局部产生较大变形,但不致引发径向索连续破断;而环向索的破断则会使整个体系产生较大的变形和松弛,从而导致整个结构体系的失效。基于索的破断分析的结果,提出了相应的设计对策,通过采用全封闭索材和特别的环索节点,增加了结构体系安全防线。     

基于改进应力变化率法的空间杆系结构鲁棒性分析

为研究空间杆系结构鲁棒性及结构失效模式预测方法,将杆件关键系数引入应力变化率法用于结构失效模式预测和结构可靠度分析以考虑悬链线作用对杆件失效模式的影响。利用ANSYS数值模拟分析了静力阶跃荷载和竖向地震荷载作用下单层星型穹顶结构杆件失效模式,对比了考虑杆件关键系数前后应力变化率曲线。作为对比分析,应用有限元软件ALGOR分析了一种新型张弦桁架结构在7种局部构件损坏工况下剩余构件内力变化的敏感性系数,分析了结构可靠度的鲁棒性并同传统张弦桁架结构进行了对比。结果表明,考虑杆件关键系数后显著提高了临界破坏发生前若干荷载步的应力变化率,从而可利用该方法在结构失效前进行预警。通过改变下弦拉索的数量和布置方式可有效降低其对构件内力变化敏感性的影响,从而有效提高结构可靠度。在断索工况下,该高冗余度张弦桁架结构可提高结构抗连续性倒塌能力,延长结构从局部破坏到全部倒塌的过程,增加了结构安全储备,增强了结构抵抗灾变荷载的能力。     

拉索局部振动对斜拉桥地震响应的影响研究

拉索作为大跨度斜拉桥的主要承重构件,横向刚度较小,在地震荷载作用下容易发生索-梁和索-塔耦合振动,对斜拉桥的能量分布和阻尼特性产生较大影响,在斜拉桥地震响应计算中有必要考虑拉索的局部振动影响。根据子结构原理和自由度凝聚的方法,在斜拉桥动力特性和地震响应分析中可以考虑拉索的局部振动,并编制了三维有限元程序,对拉索局部振动的影响进行了研究。结果表明,考虑拉索局部振动时,斜拉桥纵向振型的参与系数有不同程度的减小,主梁和桥塔的加速度、位移、弯矩和轴力增大非常显著,短索的纵向位移减小,而长索的纵向位移增大,拉索脉动张力显著增大,拉索位移和张力时程出现拉索局部振动干扰的现象。     

基于有限元-向量式有限元的斜拉桥非线性振动计算方法

向量式有限元(VFFE)法本质上是考虑几何非线性的有限元(FE)显式动力时程积分方法。阐述了向量式有限元的基本原理,对比了向量式有限元与基于单元随动坐标系的非线性有限元动力计算方法的相同点与差别,开发了使用杆、梁单元的有限元-向量式有限元统一算法框架的计算程序。使用该程序建立了大跨度斜拉桥计算模型,首先,使用非线性有限元法计算了斜拉桥的静力状态与动力特性,计算了列车-桥梁耦合动力作用下桥梁的振动;然后,使用向量式有限元法计算了斜拉桥在拉索突然断裂状态下的非线性振动;最后,计算了在列车-桥梁耦合动力作用下,拉索发生断裂时,桥梁与列车的振动状态。结果表明:使用向量式有限元可以简单可靠地直接模拟斜拉桥在破坏状态下的非线性振动状态;列车运行至跨中附近时,若斜拉桥跨中最长拉索突然发生断裂,对其他拉索的安全性影响不大,离断裂拉索越远的拉索受到的影响越小,但拉索突然断裂会对桥上行驶中列车的安全性造成威胁。该研究为大跨度斜拉桥在破坏状态下的非线性振动分析提供了新的解决方案。     

索的动刚度与模态参数识别

索的动刚度描述动态过程索的荷载与变形的关系,是索本身固有特性的描述。从考虑垂度影响的索的动刚度解析解出发,提出了适用索模态参数是不相应的简化解。试验得到了索的频响函数,采用最小二乘拟合的方法,应用推导的索动刚度简化解,识别出了索的各阶频率和阻尼比。     

曲率半径对曲线箱梁桥车辆荷载作用下冲击效应的影响

针对复杂的车桥耦合振动问题,桥梁结构采用三梁式模型进行离散,首先基于ANSYS提出了简便的分离迭代解法,给出了该问题的详细推导过程和计算步骤,同时通过现场试验对所提出的方法进行了验证。通过快速傅里叶逆变换采用三角级数方法模拟了桥面不平度及其速度项,考虑车辆在曲线梁桥上的行驶偏心,分析了曲率半径和车速对曲线梁桥冲击效应的影响。结果表明:曲线梁桥的位移和内力动力放大系数大于直线梁桥的,且不同位置不同项目的内力和位移之间的动力放大系数的数值差别很大。内力和位移的动力放大系数对曲率半径的变化的敏感性各不相同,当曲率半径小于某个特征值后,动力放大系数变化很大。     

索穹顶结构施工成形理论分析

认为模拟各施工过程就是寻找施工各阶段平衡态的过程,首先采用抛物线单元建立已知原长的构件变形后节点坐标与构件内力之间的关系,接着采用动力松弛法、控制构件原长进行平衡态的找形分析,并尝试对由外及里逐圈张拉下斜索、只张拉外圈下斜索、由外及里逐圈调节压杆长度等3种施工方案进行模拟分析。结果表明:基于动力松弛法、控制构件原长的找形分析方法是有效和正确的,同时该文提出的各施工方案是可行的,可应用于实际工程的施工张拉。     

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%。     

移动荷载作用下三塔悬索桥的强迫振动研究

针对泰州大桥开展结构动力特性计算,分析了不同移动速度以及不同移动荷载大小对于三塔两跨悬索桥结构动力响应的影响。结果表明,三塔两跨悬索桥的一阶竖弯振动基频约为0.08 Hz,远低于载重汽车的固有频率,不会形成共振条件。简单的移动荷载作用下三塔两跨连续支承悬索桥的内力、位移响应与同等静力荷载作用效果比较接近。移动荷载的质量越大、速度越大,结构的内力、位移响应就越大,并与车重呈近似正比例关系。结构内力、位移的荷载放大系数不随移动荷载质量的大小而改变。     

拉索_网壳结构的动力特性和非线性动力反应

将空间网壳结构与拉索有机结合便形成拉索-网壳结构体系。该体系不但具有美学特征，更可进一步增大跨度。基于泰勒数学展开公式和变分原理，推导了具有二阶精度的空间杆单元几何非线性刚度矩阵；研究了拉索单元非线性问题，得出了其切线刚度矩阵；给出了结构非线性力学响应计算策略等。通过数值计算，分析了结构动力特性和非线性地震动力响应问题。计算结果显示，拉索-网壳结构的自振频率皆明显高于对应的网壳结构，且频谱较为密集，甚至不同序号的自振频率几乎相同，拉索-网壳结构的地震动力响应不但与拉索长度、截面尺寸、预拉力和布置方式有关，还与塔柱高度、截面尺寸等有关。     

考虑局部拉索振动的斜拉桥抖振响应分析

桥梁结构的抖振响应受抖振力和结构动态特性的影响。在有限元分析中,建立结构动态特性矩阵时将斜拉索处理成直杆单元而忽略拉索局部振动的影响。在考虑拉索锚固点随结构运动的情况下,推导出斜拉索局部振动引起的拉索动张力公式。分析认为,虽然斜拉索的局部振动对结构整体抖振响应的影响不甚显著,但结构整体运动对斜拉索的局部振动有显著影响。