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考虑多物理机制的索结构弦弹簧单元非线性有限元法及其应用
| 论文题名： | 考虑多物理机制的索结构弦弹簧单元非线性有限元法及其应用 |
| 关键词： | 索结构;悬索桥;高强钢丝;弹簧单元;非线性有限元法 |
| 摘要： | 带索夹多束股高强钢丝索结构在实际工程中有着广泛的应用，以悬索桥中的张拉式缆索结构最为典型。在实际施工中，高强钢丝索结构不仅具有柔性，还具有与其张力相关的弯曲刚度。这种具有耦合特征的刚-柔相互作用以及索夹的长度效应，使该类索结构具有了高度几何非线性，即刚-柔耦合多机制特性（Flexible-RigidCouplingMulti-mechanism，FRCM），忽略此特性会给设计分析带来一定偏差。 为此，本文在对多束股高强钢丝索结构的FRCM特性进行解析后，提出了一种改进的非线性有限元法—弦杆替代法，并介绍了此方法在实际结构中的应用。首先，在符合索结构特点的合理假定下，通过分别推导缆段柔性和刚性弦几何刚度，建立了参数耦合的组合弦-弹簧单元。再将缆段和索夹处的弯曲抵抗作用拆分考虑，使FRCM能够体现在索结构弦线方向上的力学平衡中，并最终表达为一组杆单元非线性有限元方程。通过在弦-弹簧单元和索夹处的弯曲抵抗修正力中嵌入刚-柔耦合参数，可实现FRCM平衡的增量法求解。 随后，本文对典型算例进行了方法比较和参数分析。首先，通过引用实体模型试验以及将特定参数设定下的弦杆替代法与传统方法进行对比两种方式，验证了弦杆替代法的准确性。其次，通过对悬索桥主缆施工期的力学分析，探讨了FRCM特性对主缆线形和内力的影响及其随典型设计参数变化的规律。结果表明：FRCM效应引起的坐标差较大且随施工阶段变化剧烈；引起的轴力差随施工阶段不断增大，但增长速度逐渐降低；跨径、索夹长度、矢跨比、弯曲刚度系数四种设计参数均与FRCM效应呈线性相关，且最大正、负效应近似出现在1/4跨和1/2跨位置；FRCM效应随索夹长度的增加而单调减小，随弯曲刚度系数的增加而单调增大。 本文分析表明：FRCM特性对带索夹多束股高强钢丝索结构的力学行为影响较大。弦杆替代法则有望更全面地考虑此类索结构的多物理机制特性，从而具有更高的精度，适用于施工设计与控制。 |
| 作者： | 刘凯 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 孙远 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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