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原文传递非对称悬索桥静力性能及动力特性分析

论文题名：	非对称悬索桥静力性能及动力特性分析
关键词：	非对称悬索桥;静力性能;动力特性;有限元法
摘要：	随着高速公路向高原山区迅速发展，悬索桥以巨大的跨越能力和优美的造型，成为大跨径桥梁的首选桥型，然而，为了适应山区跨径大、深沟峡谷的V型地形等特殊的工程环境出现了主缆不等高支承、两侧锚碇非对称、边跨跨径不对称等的非对称悬索桥，因此，为了探索这些非对称悬索桥的相关力学特性，本文以某非对称悬索桥为背景，分析了主缆不等高支承、两侧锚碇非对称和边跨非对称等对悬索桥静力性能和动力特性的影响。本文主要研究内容和结论如下：　　（1）基于理论分析方法，分别推导了主缆线形为抛物线和悬链线的非对称悬索桥的静力计算公式。采用近似计算法和有限元法分别计算了不同结构非对称敏感性参数下锚跨、边跨和中跨的有应力索长和无应力索长，其中中跨无应力索长和有应力索长随结构非对称参数呈指数型增长。此外，基于能量原理，研究了非对称悬索桥主索鞍顶推的近似计算方法，应用Rayleigh-Ritz法推导了主塔最大容许偏位计算公式。提出了从主塔塔顶偏位和塔底应力两个角度优化主索鞍的顶推方法，最后通过有限元法验证近似公式的精度。研究结果表明，由于非对称悬索桥的非对称性导致两岸主索鞍顶推位移不同，推导的公式计算结果与有限元计算结果相差3.4％，主塔考虑和不考虑P-Δ效应偏差是4.6%，主塔的最大容许偏位随着加劲梁的不断吊装而逐渐增大，增幅可以达到19.9%，同时相应的可增加主索鞍顶推量和顶推时间间隔，减小顶推次数，从而解决非对称悬索桥主索鞍顶推问题，能使得主塔受力处于最优状态。　　（2）基于锚碇非对称的悬索桥，对比分析了隧道式锚碇和重力式锚碇在受力机理方面的差别，并采用有限差分软件FLAC3D数值模拟的方法对普立特大悬索桥隧道锚碇区围岩在锚洞开挖、浇筑、回填、施加预应力和主缆拉力等过程中的岩体位移和应力状态进行了分析研究。给出了岩体位移随主缆缆力变化的趋势图，随着缆力的增加锚碇岩体位移逐渐增加，且斜率也逐渐增加，表明随着缆力的增加岩体位移是非线性变化的，当锚塞体施加的缆力达到7.5倍设计缆力时，岩体的位移的净增加量是设计缆力位移的1.96倍。　　（3）我国《公路桥梁抗风设计规范》中给出的悬索桥竖弯和扭转基频估算公式是基于单跨悬索桥推导的，无法体现主缆非对称、边跨跨径非对称等这些非对称设计参数的影响。为了便于快速计算非对称悬索桥的自振频率，基于主缆不等高支承的悬索桥，应用Rayleigh-Ritz法，分别推导了不考虑和考虑边缆和主塔刚度影响的非对称悬索桥一阶对称竖弯自振基频的近似计算公式，提出了计入边缆和主塔刚度的非对称结构参数影响因子，并给出了边缆和主塔刚度对竖向自振基频的影响系数的表达式，并推导了一阶扭转振动基频估算公式，对于一阶正对称的竖弯和扭转基频，提出了修正规范公式的非对称结构参数影响因子，并给出了扭弯基频比公式，讨论了公式应用范围。最后通过有限元法验证估算公式的精度。研究结果表明：在计算基于主缆非对称悬索桥竖向自振基频时不能忽略边缆和主塔刚度的影响，计入边缆和主塔刚度影响的实用公式计算结果与有限元法计算结果非常接近，误差为3.3%；非对称悬索桥一阶反对称的竖弯和扭转基频不受非对称结构参数的影响，而对于一阶正对称竖弯和扭转基频，当结构敏感性参数ξ大于0.1时，基频减小的幅度明显显著。通过有限元法将非对称悬索桥和以高支承端或以低支承端为对称的悬索桥自振频率对比分析发现，两者存在差异。分析了非对称悬索桥动力特性对结构参数变化的敏感性，研究了非对称结构矢跨比、非对称结构敏感性参数、主塔抗弯刚度和加劲梁抗弯刚度等对非对称悬索桥动力特性的影响，得到了不同参数下非对称悬索桥动力特性的敏感性，并拟合了部分参数与非对称悬索桥自振频率的关系曲线。　　（4）采用Rayleigh-Ritz法研究了边跨非对称的三跨悬索桥动力特性，推导了正对称和反对称的竖弯和扭转自振基频估算公式，并讨论了公式的适用性和普遍性，最后通过有限元法验证了推导公式的精度。　　（5）基于动载试验和长期监测试验分析了非对称悬索桥力学性能，通过实桥测定结构自振频率和振型参数，并将理论值和试验值进行了对比分析，讨论了二者的误差；采用长期监测的方法研究背景隧道锚边坡地表沉降和位移、隧道锚碇系统的变形、锚塞体与周围接触应力和锚塞体轴向钢筋应力，分析隧道锚碇岩体及周围围岩的安全性和稳定性，为设计和工程施工提供决策依据。　　综上所述，非对称悬索桥的自振频率估算公式计算结果与有限元计算结果的误差能满足设计阶段的要求，可以方便指导非对称悬索桥的方案选择和初步设计；隧道锚碇的数值模拟和长期监测数据的研究，可以为隧道锚的设计和施工提供决策依据。
作者：	杨国俊
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李子青;郝宪武
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文