【博士】大跨度組合體系箱梁的計(jì)算理論及其應(yīng)用研究【2007】

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　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：中南大學(xué)　　學(xué)位年度： 2007年　　大跨度組合體系箱粱具有型式新穎、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、受力合理等特點(diǎn)，傳統(tǒng)簡(jiǎn)化分析方法已不能適應(yīng)該類橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，必須進(jìn)行仿真分析研究。本文以宜萬(wàn)鐵路線宜昌長(zhǎng)江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)大跨度組合體系箱梁仿真分析的計(jì)算理論及其應(yīng)用方法進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。首先，從約束變分原理出發(fā)，采用轉(zhuǎn)動(dòng)與線位移獨(dú)立插值的位移模式，首次提出適用于大跨度組合體系箱梁結(jié)構(gòu)分析的板段元能量變分原理，并建立相應(yīng)的板段元列式。通過(guò)數(shù)值算例和模型試驗(yàn)，驗(yàn)證板段元法的精度與效率。進(jìn)一步，利用板段元方法對(duì)宜昌長(zhǎng)江大橋的靜、動(dòng)力特性進(jìn)行深入細(xì)致的仿真分析。為改善箱形主梁橫向受力特性，提出多種改進(jìn)方案并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)研究，從而揭示“剛梁柔拱”組合體系橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性。最后，分析研究了宜昌長(zhǎng)江大橋的抗震性能。主要研究?jī)?nèi)容如下：　　1．提出基于平板殼元基本假定的箱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算理論?！　钠桨鍤ぴ幕炯俣ǔ霭l(fā)，提出與箱梁結(jié)構(gòu)變形特征相適應(yīng)的應(yīng)變位移關(guān)系，基于能量變分原理建立箱梁頂、底及腹板的剛度方程。為精確模擬橫隔板對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)受力的影響并使橫隔板元與頂、底及腹板單元位移模式協(xié)調(diào)，本文從約束變分原理出發(fā)，對(duì)橫隔板單元部分線位移及角位移沿板寬方向采用獨(dú)立插值的位移模式，提出一類新的橫隔板單元列式方法，從而形成箱梁結(jié)構(gòu)分析的板元解析法。該方法中各類單元位移模式能夠保持較好的協(xié)調(diào)，精度與效率比一般平板殼元更高，且能較好模擬橫隔板對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)受力特性的影響。另外，為使板元解析法與常規(guī)有限單元位移模式協(xié)調(diào)，本文建立了板元解析法與常規(guī)單元連接的約束方程，編制了相應(yīng)計(jì)算程序，使板元解析法可應(yīng)用于一般箱型直梁的靜力分析。　　2．提出一類應(yīng)用于箱梁組合結(jié)構(gòu)體系仿真分析的板段元方法。　　在板元解析計(jì)算理論基礎(chǔ)上，深入分析單元節(jié)點(diǎn)自由度的物理概念以及單元精度和效率提高的實(shí)質(zhì)?；诩s束變分原理，利用常規(guī)板殼單元節(jié)點(diǎn)自由度建立新的板段元位移模式。該位移模式在充分反映箱梁結(jié)構(gòu)受力特征的基礎(chǔ)上，對(duì)部分單元線位移及角位移采用獨(dú)立插值函數(shù)形式，使得板段元在保持板元解析法精度及效率的基礎(chǔ)上，提高了適應(yīng)性。進(jìn)一步，通過(guò)建立替代剪切應(yīng)變場(chǎng)，使得板段元?jiǎng)偠染仃囋谶M(jìn)行精確數(shù)值積分時(shí)，避免了剪切自鎖和零能模式，從而形成適用于大跨度組合體系箱梁結(jié)構(gòu)分析的板段元能量變分原理及相應(yīng)的有限元列式。最后，編制板段元計(jì)算程序并進(jìn)行數(shù)值算例及模型試驗(yàn)驗(yàn)證。板段元法具有精度及效率較高且與常規(guī)單元位移模式協(xié)調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可方便地應(yīng)用于大跨度組合橋梁結(jié)構(gòu)體系的仿真分析?！　?．宜昌長(zhǎng)江大橋靜力特性仿真分析?！　∫瞬L(zhǎng)江大橋具有結(jié)構(gòu)型式新穎、受力性能良好等特點(diǎn)。本文采用獨(dú)立開(kāi)發(fā)的板段元計(jì)算程序?qū)υ摌虺蓸螂A段的受力狀態(tài)進(jìn)行了全橋仿真分析。首先，通過(guò)平面施工過(guò)程分析得到橋跨結(jié)構(gòu)在成橋狀態(tài)的總體受力特性。然后，以此為初始狀態(tài)，對(duì)大橋在二期恒載及活載作用下的結(jié)構(gòu)受力行為進(jìn)行空間仿真分析。仿真分析工作主要包括箱梁腹板傳力途徑研究、頂?shù)装寮袅笮?yīng)研究、橫框彎曲應(yīng)力研究等。最后，針對(duì)箱梁橫框應(yīng)力狀態(tài)較為不利的特點(diǎn)，提出多種可行的改進(jìn)方案，對(duì)各種方案的優(yōu)點(diǎn)與不足進(jìn)行了深入細(xì)致的參數(shù)研究。揭示橫隔板(橫梁)的受力機(jī)理，分析橫隔板對(duì)箱形主梁的影響方式和作用效果，同時(shí)對(duì)比研究橫隔板(橫梁)對(duì)箱梁橫框彎曲正應(yīng)力的影響規(guī)律?！　?．宜昌長(zhǎng)江大橋的動(dòng)力特性仿真分析?！　∈紫龋茖?dǎo)了板段元的協(xié)調(diào)質(zhì)量矩陣，引入里茲向量疊加法求解大型動(dòng)力特性方程組的部分特征解問(wèn)題，提高了求解速度，從而成功地將板段元法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性計(jì)算。然后，對(duì)宜昌長(zhǎng)江大橋的動(dòng)力特性進(jìn)行深入細(xì)致的仿真分析。仿真分析工作包括脊梁模型與板段元模型的對(duì)比驗(yàn)證分析，二期恒載對(duì)大橋動(dòng)力特性的影響分析，樁土共同作用的不同模擬方式對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算頻率及振型順序的影響分析等?！　?．宜昌長(zhǎng)江大橋的抗震性能分析?！　∈紫龋瑥恼w上分析宜昌長(zhǎng)江大橋的抗震受力特征。其次，根據(jù)橋址處場(chǎng)地土特性合成人工地震波，分析確定大橋的抗震分析參數(shù)。然后，采用反應(yīng)譜和時(shí)程分析兩類方法對(duì)大橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析。揭示了大質(zhì)量法的基本原理及實(shí)質(zhì)，并將其應(yīng)用于宜昌長(zhǎng)江大橋非一致激勵(lì)時(shí)程響應(yīng)分析。在時(shí)程分析時(shí)根據(jù)場(chǎng)地土對(duì)應(yīng)的地震視波速計(jì)入行波效應(yīng)的影響。最后，通過(guò)不同計(jì)算方法、不同地震作用方向下大橋地震響應(yīng)的比較分析，深入研究宜昌長(zhǎng)江大橋主梁、主拱以及橋墩的抗震性能?！　?．剛梁柔拱組合體系橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建議?！　⊥ㄟ^(guò)對(duì)宜昌長(zhǎng)江大橋深入細(xì)致的靜、動(dòng)力仿真分析，掌握該類剛梁柔拱組合體系橋梁的結(jié)構(gòu)受力特征，進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出合理建議。其主要內(nèi)容包括箱梁橫向彎曲應(yīng)力改進(jìn)方案的選擇、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)抗震性能的薄弱環(huán)節(jié)等。本文工作為確保宜昌長(zhǎng)江大橋在施工及運(yùn)營(yíng)階段的安全提供了幫助，所提出的板段元方法可應(yīng)用于大跨度組合體系箱梁的仿真分析，具有較好的實(shí)用價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景?！　?

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