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.     

主缆为悬链线的多塔悬索桥的中塔刚度计算

以悬链线方程为基础,将主缆对桥塔的约束等效为弹簧,通过变分方法推导了主缆对多塔悬索桥中塔纵向弹簧约束刚度的表达式,并建立有限元模型对公式进行验证.研究结果表明:基于悬链线的中塔刚度公式比已有文献具有更高的精度,在主缆无应力长度确定的情况下,主缆弹簧刚度主要与荷载集度、主缆在塔顶的水平及竖向分力有关.     

悬索桥主缆线形计算方法

文章是以悬链线法理论为依据来确定方程、相容条件及迭代步骤,求得主缆拉力水平分量及主缆的有应力、无应力长度,最终确立悬索桥成桥状态主缆线形.索力水平分量和竖向分量的初值及修正值的选取在悬链线法迭代过程中非常重要,该文推导了一种合适的确定索力修正值的方法,通过算例计算,表明收敛速度快,计算精度高,简单实用.     

人行悬索桥竖向荷载作用下简化计算方法

为解决人行悬索桥在竖向荷载作用下计算挠度变形过程繁琐、有限元分析复杂等问题,根据人行悬索桥柔性较大的结构特征,忽略其加劲梁的刚度作用,考虑主缆IP点处位移、边缆垂度效应、几何非线性等因素,提出了一种简化计算方法.对不同跨度、不同矢跨比桥梁的主缆无应力长度和跨中挠度变形进行了试算,并根据试算结果对简化计算方法的适用范围和误差进行了分析,验证了计算方法的计算精度和适用范围.以跨度为117 m的人行悬索桥为例,利用本文计算方法对该桥分别在成桥状态和受竖向荷载作用时的悬索桥力学性能进行了分析,并与有限元分析和试验检测结果进行了比较.结果表明:本文所提简化计算方法实用性较好,能在实际工程中为人行悬索桥快速求解和有限元分析校核提供参考.     

南京小龙湾大桥动力特性分析

以南京小龙湾大桥为研究对象,基于自锚式悬索桥合理成桥状态空间有限元模型,研究结构参数变化对其动力特性的影响,并与相同结构参数的地锚式悬索桥模型进行对比.结果表明:自锚式悬索桥由于塔顶位移约束程度较弱以及主梁承受主缆传来的水平分力,减小了结构体系的刚度,因而比相同结构参数的地锚式悬索桥的振动频率小;恒载、加劲梁竖向刚度和主缆刚度的变化对结构的低阶频率影响较大.研究结果可为类似结构动力特性分析提供参考.     

三塔悬索桥结构竖向刚度及主缆抗滑需求

为研究不同跨径三塔悬索桥对于结构竖向刚度及主缆抗滑安全的综合需求特征,构建了主跨500～1 500 m范围内的6座三塔悬索桥计算模型,通过改变中塔纵向刚度,对加劲梁竖向挠度及主缆抗滑安全系数进行了计算分析,并探讨了将主缆抗滑安全系数限值进行折减的合理性.研究表明:跨径越大的三塔悬索桥越易满足结构竖向刚度及主缆抗滑安全的要求,有效缓解了中塔效应问题;中塔纵向刚度对结构刚度、塔顶偏位及主缆抗滑安全系数均有较大影响,但该影响随中塔纵向刚度的提高而趋于恒定;适当增大缆-鞍间摩擦系数后,三塔悬索桥桥跨布置及中塔纵向刚度的合理设计区间大幅拓宽;杆系模型配合规范计算公式得出的主缆抗滑安全系数要比多尺度模型结果小21%～30%,因此建议可偏保守地对规范抗滑安全系数限值进行15%的折减,即由2.0降低至1.7.     

自锚式悬索桥空间主缆线形的计算方法

基于空间分析模型,研究了自锚式悬索桥空间主缆线形的精确计算方法,根据主缆在吊杆之间的各索段在自重作用下呈悬链线,推导并研究了空间主缆在吊杆力作用下坐标的迭代计算方法.根据主缆空间线形及其理论交点,确定合理的鞍座位置,根据主缆无应力长度不变的原则,确定主缆的空缆线形.基于上述理论,以某空间缆索自锚式悬索桥为例,进行了详细的分析,给出了主缆无应力长度、鞍座位置、鞍座预偏量等,确定了该桥的合理成桥状态及空缆状态时的线形.算例分析表明:空间缆索自锚式悬索桥主缆线形计算方法是正确、可行的.     

竖向荷载作用下悬索桥纵向变位特征与机理

为揭示竖向荷载作用下悬索桥纵向变位特征与机理,以主缆变形理论为基础研究了其竖向荷载下的变位特征,并得出了其竖向及纵向位移解析解;在此基础上,分析了竖向荷载作用下传统悬索桥和设有中央扣悬索桥的纵向变位特征及加劲梁纵向位移,揭示了中央扣纵向约束机制,并分别推导了加劲梁在竖向荷载下的纵向位移计算公式;最后,通过算例分析验证所提位移计算公式计算精度. 结果表明：由于主缆的几何非线性特征,竖向位移与纵向位移相互耦合,在非对称竖向荷载作用下,主缆发生非同步纵向位移,而加劲梁主要以类似“摆锤体”发生刚体的纵向位移;跨中处主缆、加劲梁及中央扣因中央扣的存在形成一个“刚域”区,从而导致加劲梁纵向位移减小;所提计算方法与有限元数值解法在不同竖向荷载工况下吻合良好.     

大跨度四塔悬索桥动力特性参数敏感性分析

为了深入研究大跨度多塔悬索桥的动力特性,基于ANSYS软件建立了某大跨度四塔悬索桥的三维有限元模型,采用Block Lanczos法进行模态分析,以获得该桥的自振频率和振型,并分析了主缆矢跨比、恒载集度、主梁刚度以及中塔刚度等结构关键参数对其动力特性的影响.结果表明:该桥基频为0.071 71 Hz,对应振型为主梁一阶正对称侧弯;增大矢跨比有利于提高大桥颤振性能;随着恒载集度的增加,结构各阶自振频率均有不同程度的下降;增大主梁横向和扭转刚度可分别提高主梁侧弯和扭转频率,而增大主梁竖弯刚度对主梁竖弯频率影响较小;主梁一阶竖弯频率随着中塔纵向刚度的增大而显著提高.研究结果可为大跨度多塔悬索桥的结构设计与动力分析提供参考.     

悬索桥成桥主缆线形计算的混合线形理论法

基于悬索桥在恒载作用下的力学特点,对悬索桥的主缆线形及无应力长度的解析计算方法进行研究,在抛物线理论和悬链线理论的基础上推导出混合线形理论近似显式方法,以此确定恒载状态下成桥线形、主缆无应力长度.与精确计算方法相比,该方法计算过程简单且精度高于抛物线法,精度满足成桥几何线形的初步设计要求,适用于主缆线形和内力的初步计算.     

大跨径悬索桥非线性静风稳定性全过程分析

在综合考虑静风荷载与结构非线性影响的基础上，采用增量与内外两重迭代相结合的方法对大跨径悬索桥静风稳定性进行了全过程分析．以江阴长江大桥为例，验证了该方法的可行性．最后，探讨了结构布置方式、初始攻角以及主缆的垂度效应等因素对大跨径悬索桥静风稳定性的影响．     

大跨度CFRP缆索悬索桥的抗风稳定性能

以主跨为2 000～5 000m的悬索桥为研究对象,利用悬索桥静风稳定和颤振稳定的非线性有限元计算方法,分析了CFRP(碳纤维增强塑脂)缆索悬索桥的抗风性能.对比研究指出,采用了CFRP缆索后,静风失稳风速将降低,而颤振失稳风速则略微提高,这是由缆索质量降低和扭转基频提高的综合作用引起的.为了进一步提高CFRP缆索悬索桥的抗风性能,讨论了一系列相应的改善措施,并对其有效性进行了验证.结果表明:增大矢跨比对提高抗风性能有一定的作用;当主跨为3 000m级或以下时,可以采用辅助拉索;当主跨达到4 000m级时,可以采用带有稳定板的中央开槽箱梁;当主跨超过5 000m时,则应采用分离式中央窄断面或宽开槽断面.     

大跨度流线型箱梁悬索桥颤振稳定性气动优化

以主跨为1 660 m流线型箱梁悬索桥为工程依托,采用风洞试验和CFD数值模拟相结合的方法对影响大跨度悬索桥颤振稳定性的主要因素(主缆空间形式、主梁气动外形和中央稳定板高度)进行了研究,并对气动控制措施机理进行了探讨.结果表明:主缆布置形式对桥梁结构颤振临界风速的影响主要表现为主缆布置形式导致桥梁结构扭转频率的改变,从而影响桥梁结构颤振临界风速;适当增加主梁断面宽高比可有效提高桥梁结构颤振临界风速;设置合适高度的中央稳定板可有效提高带水平分离板的流线型箱梁断面颤振临界风速.中央稳定板附近产生的涡会引起主梁断面竖向气动力增加,导致主梁断面竖向运动参与程度提高,抑制了主梁断面扭转运动,从而提高了流线型箱梁断面颤振稳定性.     

大跨径三塔缆索承重桥梁力学参数敏感度分析

建立了主跨为1 400m的三塔悬索桥、三塔斜拉桥和三塔斜拉-悬吊协作体系3种桥型的有限元分析模型.考虑几何非线性效应,利用ANSYS参数化设计语言(APDL)编制了计算程序,分析了主梁的最大挠度、索塔塔顶最大位移及主缆抗滑移系数对主梁刚度、索塔刚度、塔梁约束刚度、矢跨比、中央扣等参数的敏感程度,并进一步确定了主梁刚度和索塔刚度合理取值范围.结果表明:主梁刚度对悬索桥影响较小;主塔刚度是3种桥型的核心参数;塔梁约束可改善3种桥型的力学性能;减小矢跨比或设置中央扣可提高结构刚度,但会降低主缆抗滑性能.     

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。     

Aerostatic Stability of Long-Span Cable-Stayed Bridges: Parametric Study

The increasing span of cable-stayed bridges has focused more attention on the aerostatic stability of the design and construction of such bridges. This paper presents a new method to analyze the nonlinear aerostatic stability of cable-stayed bridges including all three components of the wind load and the geometric nonlinearity. The analysis was used to investigate the effects of the wind angle of incidence, the wind load of individual bridge elements, the sagging of cable elements, the changes of tower height and the changes of side span length on the aerostatic stability of cable-stayed bridges. The results show that the wind angle of incidence and the wind loads on the cables have an important effect on the aerostatic stability of cable-stayed bridges.     

基于刚度及经济的CFRP与钢组合拉索设计理论

基于钢斜拉索、碳纤维增强塑料(CFRP)斜拉索适用跨径研究结果,针对1 400~2 800 m主跨斜拉桥整体刚度不足提出一种新型结构方案,即基于刚度及经济性能的CFRP与钢组合拉索方案.该方案将CFRP斜拉索与传统钢斜拉索同时应用于斜拉桥中,将２种材料高强轻质及弹性模量高的优点进行组合,以充分提高斜拉索的等效刚度,进而提高斜拉桥的整体刚度.详细介绍该组合方案设计思路与方法,通过比较等效刚度以及经济性能给出２种材料斜拉索推荐组合比例.最后,通过一座1 400 m主跨CFRP与钢组合拉索斜拉桥试设计说明该方案相对传统方案整体刚度上的优势,证明其工程应用的可行性,是主跨为1 400~2 800 m斜拉桥的优选方案之一.     

考虑拉索抗力退化的斜拉桥体系可靠度评估

疲劳损伤和大气腐蚀作用致使斜拉索性能退化,影响斜拉桥运营期的安全水平.为了分析拉索抗力退化对斜拉桥体系可靠度的影响,建立了斜拉索抗力退化的串并联概率模型,提出基于机器学习的斜拉桥时变体系可靠度分析方法.以经典斜拉桥和某大跨度双塔混凝土斜拉桥为工程背景,研究了考虑拉索抗力退化的结构时变体系可靠度.研究结果表明:对于稀索体系的小跨度斜拉桥,随着斜拉索抗力的逐步退化,桥梁结构体系的主要的失效路径为由梁和塔的弯曲失效逐渐转变为由拉索腐蚀引起的拉索强度失效;当拉索抗力退化后的可靠度低于主梁关键截面可靠度时,结构体系可靠度将显著降低;对于密索体系的大跨度斜拉桥,在拉索疲劳和腐蚀共同作用下,该斜拉桥体系可靠指标将在29年降低到5.2.