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多塔斜拉桥几何非线性分析及其索力优化研究
| 论文题名： | 多塔斜拉桥几何非线性分析及其索力优化研究 |
| 关键词： | 多塔斜拉桥;几何非线性分析;索力优化 |
| 摘要： | 斜拉桥是由主梁、索塔和斜拉索组成的高次超静定柔性结构体系。拉索受拉，塔梁受压弯组合作用，当斜拉桥跨度变大时，结构呈现明显的几何非线性。因此，在斜拉桥的计算分析中应充分考虑非线性影响。另外，由于斜拉桥的索力可以人为的张拉调整，从而决定了成桥内力状态的多样性。因此，为使斜拉桥工作在一个更合理的内力状态下，有必要展开其最优索力的研究。本文围绕斜拉桥几何非线性及索力优化展开了研究，核心内容主要包括3个部分: (1)介绍了几何非线性分析的TL、 UL及CR列式理论，给出了桥梁结构常用单元——桁架单元、梁单元、索单元及板单元切线刚度矩阵表达式，并借助MATLAB数值编程软件，对本文的理论进行了实例考证。梁单元算例表明，CR-TL列式要远优于CR-UL列式，其主要特点为在CR坐标系下精确扣除单元刚体运动以及计算单元抗力时基于整体平衡条件而不是增量平衡条件，相比CR-UL列式能避免误差累积和取消增量步内小转动限制，具有高精度与效率。板单元算例表明，有限元中高斯积分阶次取到4阶即可，过高的阶次对最终计算结果精度的提高是无益的。 (2)建立赤石大桥的4种分析模型——完全线性模型、仅考虑垂度效应（等效弹性模量法）的非线性模型、考虑大位移和塔梁二阶效应的非线性模型、考虑全部非线性因素的非线性模型，分析了各特殊施工阶段塔梁变形及内力的非线性影响。另外，利用MATLAB编程分析了等效弹性模量法模拟斜拉索的计算误差。最后，以非线性理论、线性二阶理论及线性理论对成桥阶段活载的非线性影响进行分析。结果表明，等效弹性模量法计算误差对低应力的长索很大，其计算精度严重依赖于所选取的荷载步个数。垂度效应对主梁变形影响大，但对主梁内力的影响小，在各施工阶段垂度效应对主梁弯矩影响均在5％以内。大位移及塔梁二阶效应对主梁内力非线性影响很大，对弯矩的非线性影响可高达20％以上。成桥阶段活载非线性影响很小，可近似按线性理论计算。 (3)建立赤石大桥施工索力与成桥状态变量间影响矩阵，以主梁弯曲能量为目标函数，考虑到活载影响对目标函数加以修正，运用正装迭代调值计算原理考虑几何非线性及收缩徐变非线性影响，对施工期间斜拉索第三次张拉索力进行优化。优化后主梁成桥恒载负弯矩峰值明显降低，弯矩线较优化前更接近可行域中值线。优化后的主梁弯曲应变能仅为优化前的38.7％。优化后施工期间，主梁最大压应力发生在最大悬臂阶段，上缘为9.44MPa，下缘为15.5MPa，主塔最大压应力为10.2MPa，发生在最大悬臂及成桥阶段边塔下塔柱。 |
| 作者： | 刘智敏 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 何畏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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