【博士】大跨度自錨式斜拉懸索橋分析方法與性能研究【2009】

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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：大連理工大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋作為一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，具備了傳統(tǒng)的斜拉一懸吊協(xié)作體系橋的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且由于龐大錨碇的取消，更好的適應(yīng)了深海軟土地基的建設(shè)，在不良地質(zhì)環(huán)境條件下具有強(qiáng)勁的競爭力，目前已被工程界所采納。但從已有的文獻(xiàn)看，對這種橋型靜、動(dòng)力性能的研究頗為少見。為了確保自錨式斜拉.懸索橋施工和成橋運(yùn)營期間的安全，使得自錨式斜拉.懸索橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理，本文以擬建的大連灣跨海大橋以及金州灣跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于幾何非線性有限元理論、圖論優(yōu)化理論，對大跨度自錨式懸索橋整體穩(wěn)定與極限承載力、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、地震響應(yīng)分析、抗震減震、顫振穩(wěn)定、抗震可靠度、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度等幾個(gè)方面開展了大跨度自錨式斜拉-懸索橋分析方法與性能方面的研究。本文的研究工作和取得的主要成果有：　　1.結(jié)合設(shè)計(jì)基本資料及設(shè)計(jì)技術(shù)要求，提出了大連灣跨海大橋橋型方案的設(shè)計(jì)構(gòu)思，并對大橋自錨式斜拉.懸索橋的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)?！　?.本文將圖論應(yīng)用于薄壁桿件結(jié)構(gòu)計(jì)算，建立了薄壁剖面的圖模型，利用關(guān)聯(lián)矩陣和基本回路矩陣簡潔而又準(zhǔn)確地描述了薄壁剖面的拓?fù)潢P(guān)系。利用圖論導(dǎo)出的計(jì)算扇性坐標(biāo)、Bredt剪流、二次剪流和彎曲剪流的矩陣方程式。對任意復(fù)雜的薄壁剖面，只要建立了圖模型，得到關(guān)聯(lián)矩陣和基本回路矩陣，就可利用以上各矩陣方程式方便地用電子計(jì)算機(jī)求解，從而避免了在具體計(jì)算過程中判斷剖面的拓?fù)潢P(guān)系而引起的困難。用圖論作工具，研究了薄壁桿件在自由扭轉(zhuǎn)時(shí)剖面極限扭矩的計(jì)算方法?！　?.分析研究了懸索橋、斜拉橋、自錨式斜拉懸索橋的相關(guān)理論。本文選擇大型通用有限元程序ANSYS作為結(jié)構(gòu)分析軟件，在求解過程中計(jì)入上述各種非線性因素的影響，以大連灣跨海大橋大連港主通航孔為工程背景，建立平面桿系計(jì)算模型。把自己分析的梁柱效應(yīng)理論、虛位移原理應(yīng)用于自錨式斜拉懸索橋力學(xué)分析當(dāng)中，結(jié)合ANSYS有限元軟件，更好分析此橋產(chǎn)生的非線性力學(xué)效應(yīng)?！　?.基于有限元理論，考慮多種非線性因素，建立有限元模型，對大連灣跨海大橋大連港主通航孔推薦方案主跨800m的自錨式斜拉-懸索協(xié)作體系橋的靜力行為進(jìn)行了詳盡分析，包括剛度特性、內(nèi)力、吊索疲勞問題、交接區(qū)的變形?！　?.自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的動(dòng)力特性主要包括體系的自振頻率和主振型，它是該體系橋進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析的前提和基礎(chǔ)。通過建立空間有限元計(jì)算模型，對采用自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系的大連港跨海大橋的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，并與相同跨徑和結(jié)構(gòu)參數(shù)的地錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋進(jìn)行了對比研究，總結(jié)了自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋動(dòng)力特性的新特點(diǎn)并揭示了其原因?！　?.分別用反應(yīng)譜方法和時(shí)程分析方法對大連港海灣大橋擬定的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了抗震分析。根據(jù)抗震分析結(jié)果，選定了結(jié)構(gòu)體系，采用了摩擦支座減震技術(shù)，并對粘滯阻尼技術(shù)進(jìn)行了探討。本文將精確高效的虛擬激勵(lì)法引入到自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的地震響應(yīng)分析中，對此橋在隨機(jī)地震荷載作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，重點(diǎn)考察了三種影響地震體系波作用下，考慮了多點(diǎn)激勵(lì)和地震動(dòng)的空間變化效應(yīng)以及阻尼的變化對該新型體系內(nèi)力和位移峰值的影響。以大連灣跨海大橋?yàn)槔?，基于由?guī)范反應(yīng)譜生成的當(dāng)量功率譜密度函數(shù)，對比分析了多點(diǎn)一致激勵(lì)和非一致激勵(lì)下其地震響應(yīng)的特點(diǎn)和規(guī)律，所得結(jié)論為該新型協(xié)作體系橋的抗震設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。鑒于阻尼作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及動(dòng)力反應(yīng)中的一個(gè)重要參數(shù)，本章研究了阻尼器地選擇，作者主要選擇粘滯阻尼器，介紹了粘滯阻尼器地原理及其應(yīng)用方法，研究了阻尼比的變化對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。為該新型體系橋梁的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。　　7.針對大跨度自錨式斜拉.懸索橋可能存在的風(fēng)致振動(dòng)，對大連港海灣大橋進(jìn)行了顫振穩(wěn)定分析?！　”疚暮喴榻B了橋梁靜力風(fēng)效應(yīng)與橋梁風(fēng)致振動(dòng)的基本理論，以大連灣跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過理論分析對大跨度自錨式懸索橋的抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究。主要研究①運(yùn)用多模態(tài)顫振有限元分析方法，分別從懸索的矢跨比、吊跨比、斜拉索索面布置形式、邊跨輔助墩的設(shè)置以及橋面主梁構(gòu)成等設(shè)計(jì)參數(shù)著手，對主跨800m的一座自錨式斜拉-懸吊協(xié)作體系橋進(jìn)行了顫振穩(wěn)定性分析，指出了影響自錨斜拉-懸吊協(xié)作體系橋顫振穩(wěn)定性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，并從抗風(fēng)性能角度探討了自錨斜拉-懸吊協(xié)作體系橋的合理結(jié)構(gòu)形式。②由變形引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性以及空氣力的非線性變化效應(yīng)將會(huì)對大跨徑自錨式一斜拉懸索橋的顫振產(chǎn)生不容忽視的影響?；诮Y(jié)構(gòu)的變形后狀態(tài)，充分考慮結(jié)構(gòu)變形引起的非線性效應(yīng)，建立了大跨徑橋梁顫振分析的三維非線性方法及其計(jì)算程序。結(jié)合大連灣跨海大橋設(shè)計(jì)的自錨式斜拉-懸索橋進(jìn)行了顫振分析和研究，并揭示了結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的非線性效應(yīng)對大跨徑自錨式斜拉懸吊橋顫振影響的程度和機(jī)理。　　8.本文以大連灣跨海大橋作為研究對象，引入虛擬激勵(lì)法，對自錨式斜拉懸索橋的抗震動(dòng)力可靠度進(jìn)行了計(jì)算分析。分別計(jì)算了考慮均勻地面激勵(lì)、空間效應(yīng)及任意相干效應(yīng)的情況，在多點(diǎn)非一致激勵(lì)下的橋梁下部結(jié)構(gòu)的墩、塔各控制截面的抗震動(dòng)力可靠度，得到了一些有價(jià)值的結(jié)論?！　?.本文總結(jié)了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析的方法及失效模式。對大連灣自錨式斜拉懸索協(xié)作橋在承載能力極限狀態(tài)下的系統(tǒng)可靠度進(jìn)行了評估。采用全局β約界法識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要失效模式，并應(yīng)用微分等價(jià)遞歸算法得到系統(tǒng)各失效模式的等價(jià)安全裕量方程。最后，通過Ditlevsen界限理論，確定了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效概率的上、下限?！　?

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