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原文传递三塔四跨悬索桥计算理论及优化设计方法研究

论文题名：	三塔四跨悬索桥计算理论及优化设计方法研究
关键词：	三塔悬索桥;计算理论;优化设计;受力性能
摘要：	随着世界经济的高速发展及全球一体化浪潮进程的加快，交通建设呈现出泛海化、洲际化发展趋势，这对桥梁跨越宽广水域时的跨径及连续跨越能力提出了更高要求。作为一种新的桥梁结构形式，多塔悬索桥在跨径和连续跨越能力方面有着独特的竞争优势，但由于其受力性能与两塔悬索桥完全不同，相关的计算理论和施工方法尚不完善，大跨度多塔悬索桥的发展较为缓慢，近几年中国连续修建了三座三塔悬索桥标志着多塔悬索桥的发展有了质的飞跃。本文依托鹦鹉洲长江大桥背景工程对三塔四跨悬索桥的计算理论和优化方法进行研究，取得了一些创新性成果和结论：　　（1）根据桥塔的力学行为，基于挠度理论推导得到三塔悬索桥的解析模型，从理论分析的角度讨论了悬索桥加劲梁抗弯刚度对结构竖向刚度的贡献，以此为基础对挠度模型进行了简化，进一步推导得到基于单索理论的三塔悬索桥解析模型，通过非线性有限元模型验证了这两种解析模型的可靠性。　　（2）基于单索理论推导得到了主缆水平刚度的显式表达式。以鹦鹉洲长江大桥的设计参数为例，揭示了三塔悬索桥“中塔效应”产生的根源，该公式可用于指导多塔悬索桥中塔刚度的设计。此外，主缆水平刚度还被用作确定多塔悬索桥解析模型迭代求解时的合理迭代初值和三塔悬索桥竖弯基频简化计算公式的修正中。　　（3）提出了考虑中塔特殊性的三塔四跨悬索桥的材料估算模型，并对三塔四跨悬索桥的经济矢跨比进行了讨论。分别从保证中塔鞍座抗滑性和结构最大结构挠度比要求的角度，得到了三塔四跨悬索桥的恒、活载比的上、下限值。最后还分别从经济性和刚度两方面讨论了中塔的最优构造形式。　　（4）基于精确悬链线理论和柔性迭代方法的缆形分析方法在处理悬索桥缆索线形、内力上具有巨大的优势，但作为传统的解析方法，其算法上的缺陷致其应用受限。本文提出了一种与该解析方法思路一致的悬索桥非线性分析单元，包括索单元、鞍座单元和非线性梁单元，该类单元的特点在于采用无应力长度作为单元刚度矩阵的内变量，以便于与缆索线形分析方法相融合，有力的拓展了其应用范畴。所提出的缆索线形分析方法还考虑了鞍座的作用，并针对柔性迭代算法提出了基于一种改进的粒子群算法的全新计算方法来保证其迭代的绝对收敛性。　　(5)利用缆形分析方法解决了悬索桥优化方法所面临的拓扑(形状)和截面参数优化并存的难题，并提出了基于有限元或解析模型的悬索桥优化设计方法。选取两座悬索桥分别进行了单目标和多目标优化，优化结果表明该优化方法十分有效。在悬索桥计算中引入优化设计方法有助于获取最为合理的设计参数，能取得巨大的经济效益，为大型大跨桥梁的精细设计提供了新思路。
作者：	曹鸿猷
专业：	结构工程
导师：	朱宏平;陈志军
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文