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.     

大跨悬索桥结冰后的非线性静风稳定性

以某冻雨地区的悬索桥为工程背景,在综合考虑静风荷载与结构非线性影响的基础上,采用内外两重迭代相结合的方法,利用ANSYS的编程语言APDL编制了静风非线性分析程序.对悬索桥结冰前后的动力特性进行分析,研究结冰的质量对悬索桥施工及成桥阶段的影响.利用编制的非线性静风分析程序,对悬索桥只有主缆结冰、只有加劲梁结冰和全部结冰时的静风响应进行了对比分析,发现结冰后悬索桥静风响应的改变主要是由结冰后加劲梁的改变引起的.分析了悬索桥施工阶段和成桥阶段结冰后的静风响应,发现了结冰后悬索桥静风响应的改变.     

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.     

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.     

大跨径悬索桥静风稳定性研究

为探讨大跨径悬索桥静风稳定性问题,利用ANASYS软件建立有限元模型,分别采用二维和三维分析方法,研究了不同来流风攻角下1480 m的洞庭湖二桥和2016 m的SUDNA海峡大桥的静风稳定性能.结果表明:不同断面形式的静风稳定性能差别较大,各种非线性效应的影响不可忽略,按照二维分析方法往往高估结构的抗风性能,三维非线性静风稳定性分析更为合理;来流风攻角不同时,静风稳定性能也有所差异,与箱梁桥相比,攻角对桁架桥静风稳定性的影响更为复杂;大跨径悬索桥的失稳形态多为横向屈曲失稳或者静力扭转发散失稳.     

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.     

桥塔刚度对悬索桥的影响分析

为了研究悬索桥中桥塔刚度对悬索桥整体刚度的影响,以西堠门大桥为原型,采用西南交通大学编制的桥梁非线性计算软件BNLAS建立了双塔单跨悬索桥计算模型,该计算模型中跨主缆的跨度为1 650 m,加劲梁为单跨简支结构体系。通过比较不同桥塔刚度（相对原型的0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2及1.3倍）情况下悬索桥受力的变化,分析桥塔刚度对悬索桥受力的影响。同时,随着越来越多的多塔多跨悬索桥的建造,笔者也研究了中间桥塔刚度变化对多塔多跨悬索桥受力的影响。     

大跨度中承式拱桥静风稳定性分析

在大跨度中承式拱桥中,主拱为受压构件,静风荷载不仅会引起结构的动力特性改变,还将导致结构强度破坏和失稳。尤其当桥梁跨度较大、横撑又较少时,其静风稳定规律与斜拉桥、悬索桥等桥梁有较大的区别。文中以重庆菜园坝长江大桥为例,通过节段模型试验,获取了静风荷载在重庆菜园坝长江大桥上作用的全过程位移响应,分析了静风作用下结构的屈服失稳机制。分析表明,静风的初始攻角、材料的强度、静力三分力系数等因素对大跨度中承式拱桥的静风稳定性均有较大的影响。     

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.     

桥塔纵向作用下悬索桥主缆的非线性参数振动

研究特大悬索桥施工过程中主缆非线性参数振动问题.综合考虑主缆垂度、大变形引起的几何非线性等因素,将桥塔塔顶振动考虑为主缆的参数激励项,利用Newton定律建立的主缆参数振动控制方程,运用Galerkin和多尺度方法对主缆参数振动进行了理论分析,以某悬索桥中的主缆为例,运用有限元程序计算了桥塔的前20阶频率,通过桥塔与主缆的第一阶面内频率匹配,0号桥塔的第11,13阶振动及3号桥塔的第4阶振动激发主缆参数振动的可能性最大,数值分析了主缆发生参数振动时的位移时间历程和索力变化规律.研究结果表明,当桥塔的局部振动频率约为主缆振动频率的2倍左右时,主缆容易发生参数振动,发生参数振动时,位移响应显著,缆索张力增量很小.