悬索桥钢丝绳空间主缆扭转性能试验

针对空间主缆自锚式悬索桥体系转换过程中主缆易产生扭转、错位、鼓丝等问题,以杭州江东大桥为研究背景,采用钢丝绳主缆替换平行钢丝主缆,进行几何缩尺比为1∶15的模型试验,设计二合一多功能索夹、吊索张拉锚固系统、主缆锚固装置、吊杆力测试装置、缆索位形测量装置等,进行不同形式索夹、不同吊索索夹预偏角、不同吊杆张拉力的模型试验,研究了钢丝绳空间主缆截面的扭转性能。研究结果表明:设计的二合一多功能索夹与张拉锚固系统能方便地实现不同形式索夹、不同吊索索夹预偏角、不同吊杆张拉力的模型试验;给索夹设置准确的初始预偏角可有效减小体系转换过程中主缆的扭转角;当吊杆横桥向倾角相同时,所有索夹固定为0°且均可自由转动情况下,主缆各测点的扭转角相差很小,绕主缆自由转动形式的索夹对主缆扭转角改善并不明显;当索夹均未设置初始横向预偏角时,随吊杆横向桥倾角的增大,主缆扭转角逐渐增大。与平行钢丝主缆相比,钢丝绳主缆在吊杆张拉过程中产生的扭转角更小,在空间悬索桥中扭转性能更好,适用性更强;主缆产生横向变形过程中也会发生扭转,这与弯桥的弯扭耦合类似,吊索力偏心仅引起局部扭矩,由主缆整体横向变形导致的扭转角有待进一步研究。     

考虑拉扭耦合效应的空间主缆扭转计算方法

由于钢丝集束体组成主缆的扭转刚度是受多因素影响的变量,目前空间主缆的扭转还没有可靠的计算方法。分析了影响空间主缆扭转刚度的主要因素,建立了主缆集束体考虑拉扭耦合效应的解析计算模型,推导了拉扭耦合引起的抗扭力矩的计算公式。在此基础上,讨论了主缆半径、主缆张力及扭转角对主缆扭转刚度的影响规律。从施工控制的角度分析了扭转刚度、索夹刚臂、吊索张拉次序及索夹预偏角对主缆扭转角的影响。研究结果表明:由于拉扭耦合效应的影响,在体系转换过程中随着主缆张力和扭转角的增大主缆扭转刚度呈明显的非线性增长;在施工控制中,为减小主缆的扭转变形,可在索夹安装时设置与成桥时索夹扭转方向相同的预偏角,利用吊索力通过索夹刚臂给主缆施加反向扭矩来实现对主缆扭转的主动控制,以抵消或减小主缆的扭转变形。     

悬索桥静风扭转发散的影响因素研究

基于索-梁体系广义模型揭示了主缆系统刚度退化是导致大跨度悬索桥静风扭转发散的主要原因.研究了主缆和桥塔的变形对悬索桥刚度退化的影响.理论分析表明,主缆的竖向运动对系统的扭转刚度影响至关重要,当任何一条主缆向上的竖向位移足够大时,主缆将处于松弛状态,进而导致系统的扭转刚度急剧下降.因此,主缆竖向运动引起的刚度退化是大跨度悬索桥发生静风扭转发散的关键原因.本文的研究还表明主缆的侧向位移和两座桥塔塔顶之间沿桥轴方向的相对变位对主缆的刚度退化起延缓作用,从而提高临界竖向位移.此外,紊流对扭转发散的影响不容忽视,紊流明显降低了桥梁结构的静风扭转稳定性.本文的理论成果可以尝试性地解释西堠门大桥非线性有限元分析的数值结果.     

索夹对自锚悬索桥成桥状态影响分析

基于有限单元法(FEMC)比较分析了索夹对自锚悬索桥成桥状态的影响.索夹能够提高中跨主缆的成桥线形,在维持索长不变的情况下,各吊杆的成桥索力会有所增大,若使各吊杆均达到设计成桥索力值,则需增大各吊杆的无应力长度值.基于计入索夹影响的FEMC模型分别讨论了索夹长度、截面面积和惯性矩等参数对结构成桥状态的影响,并且建立了根据索夹长度比和面积比计算得到的主缆中跨跨中控制点成桥高程提升量和吊杆索力平均增量值的简化计算公式.经工程实例验证,提出的索夹模型计算结果与结构实际变形接近.     

钢管混凝土哑铃型截面构件扭转试验及抗扭刚度分析

分析了钢管混凝土哑铃型截面构件的约束扭转试验及抗扭刚度参数,结果表明,钢管混凝土哑铃型截面构件有较好的扭转弹塑性;增加腹腔宽度可增强哑铃形构件的抗扭性能,增加截面高度对于增强构件抗扭承载力影响不大;哑铃型截面抗扭刚度为钢管、管内混凝土、腹腔混凝土三部分抗扭刚度之和,腹腔混凝土抗扭刚度所占比重较小,可以忽略.     

基于结构参数变化对结合梁自锚式悬索桥动力特性的分析

借助Midas/Civil建立合理动力全桥模型,结合梁自锚式悬索桥自振特性规律,虚设一座相同参数的地锚式进行比较,探讨恒载集度、主梁刚度、桥塔刚度、主缆抗拉刚度、吊索抗拉刚度等主要参数对结合梁自锚式悬索桥固有频率的影响。研究表明:在狭窄的频率范围内,振型较为集中,且前几阶振型以主梁振动为主;恒载倍率增加对一阶振型频率均有减小作用,主梁竖向刚度增加对一阶竖弯振型影响较大,桥塔纵向刚度增加使纵漂频率显著增加,主缆抗拉刚度倍率增大使主梁扭转振型频率增加显著,吊索抗拉刚度倍率增大对一阶振型频率影响很小。     

康济桥的施工控制

描述了金华康济桥施工控制的张拉过程,研究了自锚式悬索桥施工中的力学特性,发现当加劲梁未被张拉脱离支架时,张拉吊杆对非张拉点主缆的位移影响很小,可以忽略不计,因此在前期张拉吊杆时,可以用位移来控制;提出了交替前进张拉法并将其运用在实际施工中,仅通过3轮张拉吊杆就顺利地实现了体系转换,使主缆的线形、加劲梁的线形、索鞍的顶推量和吊杆力都达到了设计的要求.该方法准确、高效,具有广泛的应用前景.     

悬索桥吊杆风致内共振及减振措施初探

基于现场观测,对特大跨度悬索桥吊杆风致振动现象进行了定性分析,排除了尾流驰振、涡激共振以及风雨激振的可能性.通过数值模拟和理论分析,表明这是一种主缆抖振引起的吊杆共振现象.随机风场激起主缆的随机抖振,而主缆的抖振含有丰富的模态成份,当吊杆的自振频率与具有一定抖振能量的主缆模态的频率充分接近时会激发吊杆的共振.因此,从来流紊流风场中获得能量的是主缆而非吊杆自身.由于与主缆的模态质量相比,一根或几根吊杆的模态质量很小,因此吊杆大幅振动吸收的能量并不会对主缆的振动带来实质性的影响,从而可形成一个相对稳定的能量供给机制.此外,在主缆上加设TMD抑制主缆在吊杆自然频率附近的振动,对吊杆风振有明显的抑制效果.     

CFRP材料对两千米级悬索桥缆索系统风致内共振的减振效果

针对大跨度悬索桥吊杆的风致内共振问题，探索了高性能CFRP材料应用于悬索桥缆索系统后的风致响应减振效果.探索性地设计了主跨2 000 m且缆索材料各异的悬索桥模型，根据CFRP主缆、钢主缆、CFRP吊索和钢吊索4种基本构件组合成4种缆索承重方案，分析了4种缆索承重方案的自振特性，并进行脉动风场模拟，在此基础上引入时域抖振力模型后得到结构风致响应的数值模拟结果 .研究结果表明：采用钢主缆钢吊杆的情况下，许多长吊杆存在明显的共振现象；主缆材料不变，将吊索材料替换为CFRP后，共振现象完全消失；采用CFRP主缆与钢吊索组合时，共振现象仍然存在，且吊杆的共振程度与钢主缆钢吊索方案类似；采用CFRP主缆与CFRP吊杆方案时，吊杆共振现象消除，其响应幅值甚至小于主缆的激励源幅值. 4种方案的对比表明，主缆材料对共振响应的影响不明显，用CFRP材料提高吊杆的自振频率则是消除共振的关键.     

悬索桥的静风扭转发散有限元精细化分析

基于大跨度悬索桥刚度退化及静风扭转发散的机理,选取了两个评价标准分别用以判断均匀流场和紊流场中悬索桥的刚度退化情况.在均匀流场中,由于主缆的变形形态与演变规律都很简单,因此可以选取主缆中点的竖向位移作为评价刚度退化及扭转发散的标准.当主缆中点向上的竖向位移恰好使其应力松弛时,结构将会出现扭转发散现象,这一竖向位移称为临界竖向位移.然而,在紊流场中,紊流中的脉动成分往往会引起结构显著的多模态耦合叠加的复杂响应.此时,前述的标准不再适用.为此,本文提出了一种基于识别时域范围内主缆长度的方法,即在时域范围内,当任意一条主缆的长度的最小值达到或十分接近无应力长度时,主缆将软化进而引起间歇式扭转发散.静、动力有限元分析表明,上述方法可以较好地解释大跨度悬索桥在不同流场中的扭转发散现象.     

基于蠕变理论的自锚式悬索桥索夹预紧力研究

自锚式悬索桥主缆直径小、垂跨比大,为了研究悬索桥在使用过程中主缆索夹的蠕变松弛造成预紧力的损失对全桥安全的影响.以长沙市三汊矶湘江大桥主缆索夹为研究对象,并基于金属时间硬化蠕变理论,得到主缆蠕变随初始应力及时间变化的经验公式.考虑主缆蠕变导致的径向收缩及高强螺栓的预紧力时效松弛等因素的影响,得出自锚式悬索桥运营阶段索夹...     

预张拱桥

为了提高拱桥的刚度、稳定性、动力性能,提出了一种新的拱桥——预张拱桥,其结构原理是在1/4、1/2和3/4拱肋处设置刚性竖联连接拱肋与主梁,分别用预张索将跨中刚性竖联底部与1/4、3/4截面刚性竖联顶部连接,并施加预张力。从而预张拱桥的整体性、刚度和稳定性得到大幅提高,同时预张索的水平分力减小了部分拱脚推力。有限元分析表明,在不增加材料用量的前提下,通过减少横撑和吊杆材料用量来设置刚性竖联和预张索,预张拱桥的刚度、稳定性、动力性能等多项力学指标均优于传统柔性吊杆拱桥,拱肋最大压应力略有增加。新的结构体系对拱桥实现刚度提升、突破稳定性瓶颈提供了新的有效途径,并具有一定的美学价值和较好的工程应用前景,是一种具有竞争力的新桥型。     

单箱双室钢底板波形钢腹板组合箱梁扭转性能分析

为研究单箱双室新型钢底板波形钢腹板组合箱梁的扭转性能,基于乌曼斯基第二理论推导了箱梁的扭转微分方程和应力公式,结合纯扭转试验和有限元模型,检验理论公式的正确性.分析不同因素对箱梁扭转性能的影响,对比新型梁与传统混凝土底板梁的性能变化.结果 表明,同一测点理论值、有限元值与实测值吻合较好,差值大多在30％以内,整体变化规律一致.横隔板和加劲肋的一般布置方式对新型梁的有效抗扭刚度影响较小;当高宽比达到0.4时,截面正应力会产生明显变化.相对于传统梁,新型梁抗扭刚度减小8.58％,截面约束系数减小58.44％;相同扭矩下,新型梁跨中扭转角增大13.6％,最大扭转双力矩减小69.66％,2种箱梁正应力区别明显,剪应力相差较小.     

钢丝束和HDPE刚柔耦合振动下吊杆索力试验

基于结构动力学和复合材料振动力学,考虑了钢丝束和HDPE复合材料对吊杆频率的影响,推导出考虑抗弯刚度、转动惯量、剪切变形及转动惯量和剪切变形耦合影响下索力计算公式,在此基础上提出了考虑高强钢丝和HDPE复合材料刚柔耦合振动的吊杆力适用公式.通过室内不同张拉力试验,测试出有HDPE复合材料的4m,6m和8m三种长度索对应的频率,采用解联立方程组和数理统计的方法得出适用公式修正系数的取值,试验发现:有HDPE复合材料的吊杆频率比无HDPE复合材料的吊杆频率平均低1.552 7 Hz.通过室内和现场对不同长度及不同张拉力索力进行了试验,结果表明:实际张拉力与本文索力适用公式计算的理论张拉力最大误差为5.3%,表明推导出的公式可满足精度要求,有较强的实用性.     

含裂纹柱体扭转的积分方程解法

本文利用单裂纹基本解,将裂纹产生的不连续解分离,然后配以常规边界积分方程解答,使含裂纹柱的扭转问题归结为解一组混合型积分方程,并为此建立了数值方法.文中对工程中有兴趣的几种含单裂纹柱体的扭转作了数值计算,得到了它们的抗扭刚度和应力强度因子.     

不对称V型斜跨钢箱拱桥索力优化及控制

以某座不对称V型斜跨钢箱拱桥为工程背景,建立有限元模型,结合现有拱桥与斜拉桥合理成桥状况调索方法,采用刚性支承连续梁法、零位移法、刚性吊杆法和最小弯曲能量法这4种常规调索方法对此异型拱桥成桥吊杆索力进行初调,并采用影响矩阵法对索力进行优化,发现常规调索方法得到的成桥索力分布较不均匀,优化后能得到较为均匀的索力,并一定程度改善结构在成桥恒载状况下的变形及受力.考虑异型拱桥施工过程中吊杆张拉工序对结构受力的影响,采用4种不同的张拉工序,对比分析张拉过程中吊杆索力极值、主拱圈扭矩极值、平面内弯矩极值、平面外弯矩极值及平面外位移极值,发现采用方案一(即中间至两端错位张拉吊杆)为最合理的张拉工序,研究成果对异型拱桥的设计及施工均有一定的应用价值.     

基于RBF的系杆拱桥吊杆张拉控制研究

系杆拱桥施工过程中,吊杆张拉控制既是关键问题,也是难点之一.采用径向基神经网络(RBF)对一系杆拱桥吊杆张拉力控制计算进行分析.结合大桥吊杆张拉施工过程,采用有限元软件MIDAS建立空间梁单元有限元模型,模拟吊杆索力张拉过程.依据一定的吊杆张拉顺序,将成桥设计索力作为输入向量,以对应的吊杆初张力作为输出向量,利用MATLAB神经网络工具箱中的径向基神经网络的泛化特性,来逼近两者之间的非线性映射关系,直接计算出吊杆初张拉力,并与设计成桥索力进行比较.计算表明结果与设计值差值均控制在5%精度内,满足工程精度要求.     

钢管混凝土系杆拱桥施工分析与施工控制

为了保障钢管混凝土系杆拱桥施工安全和质量,以南水北调中线工程某钢管混凝土系杆拱桥为例,采用有限元软件MIDAS/Civil建立该桥有限元计算模型,按照施工过程详细分析各施工阶段的变形、吊杆力和应力,对吊杆成桥张拉力进行探讨,并选用自适应控制方法进行现场施工控制.由数值分析和现场监控结果可以得出,大桥在施工过程中结构的变形较小,受力满足设计规范要求;考虑到钢管混凝土系杆拱桥拱肋、系梁的刚度相对较柔,可采用恒载索力作为成桥张拉索力控制值,并以成桥后系梁和拱肋线形作为吊杆索力调整的施工依据;施工控制表明成桥线形和受力满足设计要求,成桥索力与恒载索力基本吻合.     

钢拉索拉-弯耦合效应受力性能研究

针对索撑节点处产生局部弯曲的连续索,采用ABAQUS建立了钢拉索拉-弯耦合效应下的精细化有限元模型,同时进行了高钒索拉-弯耦合效应下受力性能的试验研究,得到高钒索拉-弯耦合效应下的破坏模式、破断力、极限应变,并与拉索单纯受拉伸状态下受力性能数值模拟结果进行对比,验证了钢拉索拉-弯耦合效应精细化有限元模型的正确性.分析表明:拉索在索夹端部的弯曲导致局部钢丝挤压接触面积增大,影响整股钢丝传力,造成局部受力增大而率先发生破断;拉-弯耦合效应对拉索的受力不利,极限应变降低,将显著降低拉索的塑性变形能力,使结构发生脆性破坏,应优化索撑节点设计并注意施工过程安全.     

模拟求解任意截面杆扭转的化复为单有限元方法

根据柱体扭转问题的应力函数理论,采用空心材料刚度弱化思想,提出“化复为单”的有限元近似离散与计算新方法,建立了求解具有任意横截面形状的扭杆扭转问题的二维通用有限元方法.并根据稳态热传导问题和扭转问题的控制方程形式上的相似性,利用现有的有限元分析软件通过分析热场,模拟求解了扭转问题.数值计算结果表明,该方法概念简单、通用性强、适用于任意截面扭杆,是一种分析任意直杆扭转问题的应力和抗扭刚度的有效方法.