三索面地锚式斜拉桥静力计算分析

目的研究三索面地锚式斜拉桥在成桥状态、均布车载及偏载、温度作用等情况下,对主梁应力、变形及拉索索力的影响.方法以沈阳市某三索面地锚式斜拉桥为工程背景,以有限元为基础,通过桥梁专用软件MIDAS/CIVIL建立有限元计算模型,对全桥整体进行静力计算分析.结果恒载状态下三索面地锚式斜拉桥的成桥索力变化比较均匀,距离桥塔由近至远呈现由小至大的分布规律;主梁上缘最大拉应力为17.05 MPa,最大压应力为30.04 MPa;下缘最大拉应力为13.29 MPa,最大压应力为20.71 MPa;主梁竖向最大位移为33.36 mm,塔顶水平位移为28.94 mm.结论三索面地锚式斜拉桥在恒载及活载等其他荷载作用下主梁应力变化平缓,且数值较小,最大应力发生在墩塔梁固结处;在非对称活载作用下地锚侧对称位置斜拉索索力差值很小,主塔横向设计时可不考虑此项差值的影响;温度作用时对三索面地锚式斜拉桥主梁应力及位移的影响较大.     

考虑结合处弯矩限值的混合梁斜拉桥索力优化

根据混合梁斜拉桥的结构特点,考虑混凝土主梁和钢主梁结合处弯矩的限值,利用有限元方法建立混合梁斜拉桥成桥索力的优化模型.以塔梁的弯曲和拉压应变能之和为目标函数,以斜拉索的初张力为设计变量,成桥索力和主梁钢混结合处的弯矩为约束条件,结合ANSYS优化模块中的零阶和一阶方法进行求解,确定合理成桥状态下的索力.在优化过程中,改变结合处弯矩的限制范围,分析成桥下的内力和位移随限制范围变化的规律.通过一座单塔斜拉桥算例计算表明:将弯矩限值控制在0.3～0.5倍的主梁最小和最大弯矩范围内,得到的成桥状态最合理.索力从塔至边墩呈均匀增长趋势,主梁弯矩图变化平顺,结合处弯矩较小.     

斜弯独塔混合梁斜拉桥参数敏感性分析

为研究斜弯独塔混合梁斜拉桥在成桥状态下受结构设计参数的影响程度,对结构设计、施工监控和关键控制量制定等提供参考,以张家口纬二桥为工程背景,建立有限元模型。基于结构参数敏感性分析的摄动原理,引入敏感度分析指标,选取塔梁固结处弯矩值、桥顶纵向位移值、背索索力、主梁最大挠度为控制目标,对桥梁钢混结合段位置、桥塔局部温度荷载、斜拉索初拉力和背索竖向倾斜角度等结构参数进行敏感性研究。分析结果表明：桥梁钢-混结合段位置、斜拉索初拉力、背索竖向倾斜角度对斜弯独塔混合梁斜拉桥主梁挠度和桥塔线形影响较大。其中,混凝土梁和钢梁的跨度比变化15.73%,塔顶纵向位移、主梁最大挠度将分别变化30.3%和29.4%;桥塔局部温度荷载主要影响此类桥塔的纵向变形,对桥塔受力敏感度较低;背索竖向倾斜角度对斜弯独塔混合梁斜拉桥影响最为显著,背索竖向倾斜角度变化7%,塔顶纵向位移较初始位置最大变化也达到205.8%。     

基于遗传算法的大跨度混合梁斜拉桥索力优化

针对混合梁斜梁桥的两种材料主梁内力对索力变化敏感程度的不同,提出混合梁斜拉桥合理成桥状态确定的分步算法.首先根据钢主梁及主塔的受力要求,计算拉索最优索力;然后根据确定索力下混凝土主梁的受力布置预应力钢筋,实现全桥的受力优化.按照分步算法的计算流程,以恒载下钢主梁及主塔的弯曲应变能最小为优化目标,结合改进的遗传算法求解,确定合理成桥状态下的索力.以九江二桥为例,利用Ansys建立仿真模型,据此进行索力优化.结果表明:该算法适用于混合梁斜拉桥合理成桥状态索力的确定,相对于传统的索力确定方法,避免了后期的二次调索工作;优化过程中采用的改进遗传算法,对于多约束及多优化变量复杂非线性模型的求解,具有优越性.     

体外束加固稀索钢筋混凝土斜拉桥静力试验

为研究稀索钢筋混凝土斜拉桥应用体外预应力束加固后的静力性能提升,以穆棱河斜拉桥加固工程为依托,基于斜拉桥的损伤情况和既有加固经验,通过改变索力参数和体外预应力束参数提出了5种不同加固方案。采用MIDAS有限元模型模拟结构损伤状态和各种加固方案,在设计荷载作用下分别以主梁位移、主塔偏位、斜拉索索力、主梁上下缘应力为评价指标,分析最优加固方案。设置静力试验,详细讨论主梁竖向位移、主梁和主塔截面应变、主塔偏位、典型索力增量等在体外束加固后的变化情况,对比实际加固效果。研究结果表明:有限元分析中,体外束加固主梁方案能够显著减小主梁竖向位移和主塔水平位移,同时在一定程度上改善了主梁上、下缘应力,但索力优化效果差异不大;静力试验分析中,斜拉桥加固后的实测应变和位移均小于计算值和加固前实测值,单测点挠度降低幅度最大达37.94%,单测点应变降低幅度最大达43.47%,裂缝宽度满足设计要求;实测索力与计算索力变化趋势大体相符;主梁刚度储备提升最高达33%,主梁强度储备提升最高达31%。加固后斜拉桥整体承载能力提升明显,体外预应力加固技术运用于稀索钢筋混凝土斜拉桥切实可行。研究结果对早期建成的稀索钢筋混凝土斜拉桥加固具有一定的借鉴性。     

多塔钢-混组合梁斜拉桥成桥阶段垂度效应分析

以武汉二七长江大桥为工程背景,运用大型有限元结构分析软件ANSYS11.0,对该桥主梁、主塔和斜拉索分别采用不同的单元进行有限元模拟,建立了三塔结合梁斜拉桥空间非线性单主梁模型,考虑斜拉索的垂度效应,进行该桥成桥阶段主梁和边塔内力的非线性垂度效应影响的定量分析。结果表明：三塔结合梁斜拉桥索的垂度效应不容忽视,垂度效应对三塔斜拉桥主梁和边塔的位移影响最大,对于主梁和边塔的应力影响次之,其对应力非线性影响不超过5%。     

无应力状态法在斜拉桥索力调整中的应用

斜拉桥的索力对斜拉桥的线形和内力有较大的影响,为使斜拉桥很好地满足其合理成桥状态,基于无应力状态法理论,首先阐述无应力索长的计算方法;再以此为基础,提出拉索索力调整的新方法。同时,结合有限元分析和实际工程实例对此方法的可靠性进行了验证。实践表明:基于无应力状态法理论的方法进行索力调整,其精度远高于其他方法,诸如前进分析法、倒退分析法、影响矩阵法等;此方法具有计算工作量小、简单实用、不受索力调整顺序影响等优点,索力调整完成后,主梁、桥塔应力更加趋于斜拉桥合理成桥状态对应的结果,具有较强的可靠性和适用性,所得结论可为斜拉桥的索力调整提供参考。     

基于均匀设计的组合梁斜拉桥施工控制多参数敏感性分析

为确定影响钢混组合梁斜拉桥结构响应的主要因素及其影响程度,依托某在建钢-混组合梁斜拉桥进行参数敏感性分析。采用MIDAS/Civil建立有限元仿真模型,从试验设计和统计学角度出发引入均匀设计试验、多元线形回归分析并结合统计检验方法,以成桥状态下主梁线形、主塔位移、拉索索力为结构目标响应,选取主塔和主梁混凝土梁弹性模量、斜拉索弹性模量、拉索初张力、桥面板容重、桥面板钢束张拉控制应力等参数进行敏感性分析。结果表明：拉索初张力、桥面板容重和斜拉索弹模为成桥线形、成桥塔偏的敏感参数且拉索初张力的敏感程度远大于其他两个参数,成桥索力的敏感参数为拉索初张力、桥面板容重;引入的方法可准确的获取该桥成桥状态下结构响应的敏感性参数。     

基于实桥测试的大跨度混合梁斜拉桥钢混结合段受力性能分析

为了研究大跨斜拉桥主梁无格室后承压板式钢混结合段的受力性能,并检验其纵向应力传递的可靠性,以大跨度混合梁斜拉桥(江顺大桥)为工程背景,通过实桥应变测试以及数值分析,研究其主梁的钢混结合段及相邻梁段在施工及运营过程中的应力分布情况。首先,对测试节段的钢板和混凝土的应变进行长期监测,获取钢混结合段、相邻钢箱梁加强段和预应力混凝土(PC)箱梁段的应力及分布规律,然后,采用ANSYS软件建立测试节段的局部三维精细有限元模型进行了数值分析,最后,将得到的有限元分析结果与实测数据进行对比。研究结果表明:钢混结合段及其相邻梁段在全测试过程中压应力水平都较低,其中最大钢板应力为-159.4 MPa,最大混凝土应力为-15.8 MPa,测试节段结构受力性能良好,不仅可以有效控制施工应力,而且在运营阶段仍能保持在原有的设计要求范围内。钢箱梁加强段上部各构件中上T肋的压应力水平最大,下部各构件中下U肋的压应力水平大于底板和下T肋,钢箱梁加强段的T肋和U肋可以有效地传递纵向应力,使桥梁刚度过渡平稳,协同受力情况良好。钢板应力与混凝土应力的有限元计算结果与实测结果基本吻合,且应力分布规律基本一致,表明钢混结合段局部有限元建模及边界条件合理,可以较为准确地模拟实桥钢混结合段的受力状态。     

超宽混凝土主梁斜拉桥空间受力分析

为了研究超宽混凝土主梁斜拉桥空间受力影响规律,利用桥梁结构分析软件建立全桥有限元模型,调整索力以确定合理成桥状态,对结构空间受力特点进行分析.结果表明:成桥状态下主梁存在一定的下挠变形,主跨跨中最大变形是边跨的3. 65倍;主梁结构受力合理,截面均处于受压状态,塔梁固结处存在负弯矩,对主梁跨中正弯矩具有卸载效果;成桥状态下主梁应力和变形横向分布不均,超宽混凝土主梁斜拉桥空间效应明显.     

超千米级斜拉桥的恒载索力优化

把超千米级斜拉桥的索力优化问题归结为非线性隐式优化的数学模型,以系统最小弯压应变能为目标,根据合理成桥状态指定各种非线性约束条件,利用投影梯度法进行优化问题的求解,求解过程中充分考虑了各种几何非线性的影响。利用ANSYS工具建立了1400m的斜拉桥有限元模型,然后据此建立斜拉索索力优化的数学模型,进行优化计算。结果表明,优化前后索力的相对改变量并不大,但是结构内力状态却得到极大改善,塔梁恒载弯矩和主梁恒载挠度减小明显,主塔塔顶向岸侧有一定偏移量,对混凝土塔的长期受力更加有利。该文优化方法为以后类似超千米级斜拉桥的索力优化提供参考。     

大跨度斜拉桥施工过程索力和线形双控研究

为了使斜拉桥在成桥后达到合理状态,必须拟定合理的施工状态,即在施工过程中使斜拉索力和结构位形同时达到理想状态.采用一阶最优化计算方法,以成桥后结构的弯曲应变能和主梁的线形为目标函数,以斜拉索的初始张拉力和主梁节段的预抛高值为设计变量,建立了斜拉桥施工控制的空间非线性有限元分析模型,并以某大跨度预应力混凝土斜拉桥为例,模拟了混凝土主梁的悬臂浇筑过程.结果表明,该方法可使成桥后主梁的线形和结构的内力得到合理控制,从而可有效地确定斜拉桥的合理施工状态.     

超高墩对山区三塔斜拉桥力学响应的影响

多塔斜拉桥是跨越宽阔水面和山谷的一种可行方案。然而,山区多塔斜拉桥的超高桥墩会改变全桥结构的整体刚度,使其力学响应有别于普通的多塔斜拉桥。为研究超高墩对三塔斜拉桥力学行为的影响程度,以某在建的超高墩三塔斜拉桥为例,首先确立了力学响应指标和计算方法,然后分析了桥墩高度、桥墩高差、主梁刚度和主塔刚度对塔顶位移、墩底弯矩、跨中挠度等结构响应的影响规律。结果表明:当桥墩高度增加时,车道荷载和温度荷载所引起的墩底附加弯矩会随之减小,而塔顶的纵向位移和主梁的跨中挠度随之增大;桥墩高差对桥墩的内力影响很大,高差较大时,矮墩会承受更多的弯矩;提高主塔刚度能够更有效的控制结构位移。     

某双塔斜拉桥塑性极限有限元模拟分析

结合双塔单索面预应力混凝土斜拉桥的结构特点和荷载情况,利用有限元软件ANSYS建立全桥有限元模型,给出了有限元仿真模型命令流;采用非线性静态增量有限元分析,得到了荷载-位移曲线,进而求得了该桥的极限承载力。模拟结果能为实际双塔单索面PC斜拉桥的塑性极限分析提供参考价值。     

动态规划方法在斜拉桥模型索力优化中的应用

本文提出动态规划的方法来进行斜拉桥索力优化。介绍了实际试验模型的调整及模型的制作过程,详细介绍了模型试验方法,通过实验模拟斜拉桥整个施工流程,研究桥梁的工作状态,得到斜拉桥施工过程中节点位移变化,将试验结果与动态规划理论结果进行对比。建立斜拉桥有限元模型,与实验模型进行对比。研究表明：将用动态规划方法计算出来的斜拉桥主梁的竖向位移与各阶段理想竖向位移进行比较,发现二者相差很小,优化后内力分布更均匀,弯矩减小。说明了动态规划方法可以应用于斜拉桥索力优化。     

混凝土斜拉桥施工控制的最佳成桥状态法

根据现代斜拉桥结构设计理论的悬臂施工方法的特点，提出了以最佳成桥状态作为施工控制的最终目标，以实施最佳施工阶段为技术路线，以索力调整为核心内容的斜拉桥施工控制理论，简称为最佳成桥状态法；以斜拉桥主梁标高误差最小为目标函数，以主梁内力（弯矩）为约束条件，以索力为优化变量，建立了最佳施工阶段的索力调整计算模型；推导了考虑徐变收缩效应的索力调整计算公式；用最佳成桥状态法对一实桥工程进行了施工控制全过程计     

自锚式斜拉-悬索协作体系桥非线性分析

阐述自锚式斜拉-悬索协作体系桥几何非线性特征,分析混凝土收缩徐变、主缆矢跨比和主梁拱度对协作体系的影响.应用线性理论、线性二阶理论和非线性理论对一座主跨800m的自锚式斜拉-悬索协作体系桥进行分析,得到主梁、主塔在活载作用下不同矢跨比和主梁拱度下的弯矩和位移.分析表明:主跨800m的自锚式斜拉-悬索协作体系桥可以采用较简单的线性二阶理论进行近似活载计算,其误差不超过6%;混凝土收缩徐变对结构受力影响较大;整体刚度优于悬索桥;主缆、主梁轴力和刚度随着矢跨比的增大而减小;主梁设置拱度可以提高体系整体刚度.     

风浪流耦合作用下跨海斜拉桥减振措施

为减小施工期间风浪流耦合作用下跨海大跨度桥梁的不利振动，提出了多种结构性减振措施，针对主跨720m三塔斜拉桥最不利施工状态，开展了波浪作用和风浪流耦合作用下桥梁动力响应分析，对比了不同减振措施的减振效果，分析了减振措施相关参数对其减振性能的影响规律。结果表明：针对可引发共振的规则波浪作用，采用“合龙前梁端连接临时钢索”的减振措施可以有效减小主梁端部竖向位移和塔梁交接处的塔柱横向弯矩，减振率分别为61.1%和30.2%；针对风浪流耦合作用，采用“钢箱梁横桥向倾斜设置临时钢索”的减振措施可以有效抑制主梁端部的竖向位移、横向位移和塔梁交接处箱梁横向弯矩，减振率分别为38.9%、15.1%和49.4%，且钢索设置较小的倾斜角度，减振效果更好。研究成果为风浪流耦合作用下跨海大跨度斜拉桥的减振措施设计提供了有益参考。     

基于高性能材料的大跨径斜拉桥抗风性能分析

为了研究活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)和碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在大跨径斜拉桥中应用的可行性,以主跨1 100m的钢斜拉索、钢主梁、普通混凝土索塔斜拉桥设计方案为基础,构造了一座同等布置形式的CFRP拉索、RPC主梁、RPC索塔斜拉桥方案.采用有限元法对2种方案斜拉桥的动力特性、抗风性能等进行了分析和比较.结果表明:2种方案结构的自振基频相差不大,CFRP索RPC主梁斜拉桥的主梁颤振稳定性有所提高,其抖振响应位移较钢索钢主梁斜拉桥明显降低.CFRP拉索的自振频率达钢斜拉索的2倍;与钢斜拉索相比,CFRP拉索涡振幅值有所增大,但整体而言2种方案斜拉索的涡振幅值均很小,不影响其安全;CFRP拉索的风雨激振振幅不到钢斜拉索的1/2,且前者与风雨激振相关的临界风速较后者有所提高.应用高性能材料RPC与CFRP的大跨径斜拉桥整体抗风性能优于传统的钢斜拉索钢主梁斜拉桥,从抗风性能角度而言,将高性能材料RPC与CFRP应用于大跨径斜拉桥中是可行的.