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原文传递大跨度悬索桥主缆弯曲刚度效应及二次应力研究

论文题名：	大跨度悬索桥主缆弯曲刚度效应及二次应力研究
关键词：	大跨度悬索桥;主缆;弯曲刚度;二次应力
摘要：	悬索桥具有跨越能力大、抗震性能好、轻巧美观、结构形式多样及对地形适应能力强等特点，是大跨度桥梁的首选桥型。随着大跨度悬索桥建设的迅猛发展，主缆截面越来越大，比如香港青马大桥和明石海峡大桥的主缆直径已经达到1.1m。由于受到鞍座、索夹和缠丝等因素的影响，大截面主缆的弯曲刚度对其线形和受力的影响更为复杂。主缆除了承受恒载和活载所产生的轴向拉应力外，还受到索鞍转向时产生的弯曲应力以及由制造和施工引起的钢丝不均匀轴向应力等二次应力，而二次应力是确定主缆安全系数的重要依据。作为悬索桥的主要受力构件，对主缆的分析必须严密精确，对保证主缆的安全性、耐久性以及对悬索桥进行工程控制的精确性具有重要意义。通过理论分析并结合模型试验和现场测试对大跨度悬索桥主缆的弯曲刚度效应和二次应力进行了深入而系统的研究，主要研究内容、方法和成果如下：　　(1)将主缆离散为小挠度的细长梁单元，推导包含自重项的细长梁单元的刚度矩阵，其中考虑了轴力对弯曲刚度的影响及弯矩引起的轴向刚度修正系数，建立基于细长梁单元的主缆线形计算方法并编制程序。计算结果表明弯曲刚度对主缆线形的影响主要位于跨中和靠近桥塔的部分区域以及吊索力较大的吊点位置处，且矢跨比越大，线形计算误差越大。以西堠门大桥主缆为原型，设计了9根分别由不同直径和不同数量钢丝组成的悬索模型，对悬索的静力荷载变形及自振特性进行了测试。通过模型试验结果检验了所建立的基于细长梁单元计算方法的可靠性，并得到了弯曲刚度对主缆变形影响程度及弯曲刚度取值的定性结果。　　(2)提出了一种新型的初弯曲梁单元来模拟主缆的弯曲刚度和初始弯曲，通过虚功增量方程推导其切线刚度矩阵，并编制了基于U.L.列式的主缆非线性有限元程序，程序中实现了主缆在索鞍处的线形修正及主缆几何特性随施工进程的变化。利用程序建立南京长江四桥主缆施工过程的有限元模型，计算结果表明:弯曲刚度使主缆在恒载作用下的竖向变形减小，成桥状态时由此引起的主缆线形计算偏差没有超过工程精度的要求;成桥状态时靠近桥塔的吊索吊点和限位吊索吊点处主缆的弯矩及弯曲应力显著。　　(3)根据主缆由离散钢丝组成的截面在弯曲变形过程中产生滑移的特点，提出并建立了主缆分层单元模型，并给出了层间极限摩擦力的计算方法。设计了一套索股拉弯模型试验的支架及加载系统，通过对由61根钢丝组成的索股在拉弯荷载作用下的断面分层应力和变形进行测试，结果表明:分层单元模型能够真实地模拟索股断面应力及变形特性;均布缠丝力及索股轴力均在索股钢丝产生滑移后对断面不均匀应力和变形有显著的影响;索股长度仅在钢丝间全部产生滑移后才会对不均匀应力产生影响;索股断面的不均匀应力与端部转角之间的斜率反映了索股的弯曲刚度，其随着索股层间滑移区域的扩大而减小;在相同的端部转角作用下，均布缠丝力越大或轴力越小，索股的弯曲刚度就越大，不均匀应力和变形也就越大。　　(4)对南京长江四桥加劲梁吊装过程中索鞍附近主缆断面的应力进行了现场实测，结果表明:主缆断面的二次应力主要由钢丝的不均匀轴向应力组成;二次应力随着施工进程在嵌固端处逐渐积累，且变化趋势与主缆在索鞍处的转角变化一致;根据测试数据拟合出了二次应力随索鞍处转角变化的拟合公式，利用拟合公式计算了少量无测试数据工况的断面二次应力，最终得到南京长江四桥施工全过程的主缆断面二次应力变化曲线;在成桥状态时，桥塔索鞍两侧出口处主缆的二次应力最大，分别为171MPa、136MPa，与平均轴向应力之比为0.26、0.21;采用理论公式或梁单元计算的二次应力与实测值相比有显著的差异，值得设计及养护管理者注意。
作者：	严琨
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	沈锐利
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文