大跨度索拱組合體系非線性靜動力性能研究.pdf

1、隨著輕質、高強、低阻尼索結構的出現，索拱組合體系在土木工程中具有廣泛的應用，最早應用于體育館等建筑結構中，在橋梁工程中的應用主要是作為大跨度拱橋施工過程中的臨時受力結構體系，作為永久性受力結構體系在橋梁工程中應用仍處于探索階段。本文以橋梁工程中廣泛存在的索拱組合體系為工程背景，主要進行兩個方面的研究：一是以國內第一座將索拱作為永久性受力結構體系的橋梁一湘江四大橋為研究對象，從非線性有限元法的基本原理出發(fā)，考慮幾何和材料雙重非線性，對索拱

2、組合橋這一新型的橋梁結構形式的力學性能進行了深入的研究；二是以在采用纜索吊裝施工方法的拱橋中廣泛存在的臨時索拱組合體系為研究對象，利用非線性動力學的基本理論，對索的參數共振和亞諧波共振以及索拱相互激勵的內共振、分叉、混沌等非線性動力學行為進行了系統(tǒng)和深入的研究，工作主要研究內容如下： 第一章主要對索拱組合結構體系在土木工程中的應用進行了總結，特別對在橋梁工程中的應用進行了詳細的闡述，從永久性的索拱組合體系和臨時性的索拱組合體系兩

3、個方面，對該結構體系的研究方法、研究現狀及進展進行了綜述，介紹了本文的研究目的及研究內容。 第二章介紹了當前工程界最常用的和最廣泛的有限位移計算理論，并從虛功原理出發(fā)推導了全量形式下和增量形式下幾何非線性有限元的一般公式，在總結眾多考慮非線性影響因素的拉索計算方法的基礎上，推導了適合在長大跨度橋梁中使用的拉索單元，并在大型有限元程序中ANSYS中進行了二次開發(fā)，利用建立的非線性索單元，結合大位移理論，形成了適用于索拱組合體系等長

4、大跨度橋梁的非線性分析理論。 第三章以湘江四大橋為背景，詳細介紹了索拱組合橋結構體系的受力特點，在第二章的基礎上開發(fā)了可用于對索拱組合橋進行幾何非線性分析的有限元程序NSGCB程序，并用經典算例驗證了其可靠性，使用NSGCB程序對湘江四大橋受力性能進行了詳細的分析，著重研究了斜拉索傾角、斜拉索初張力對主拱受力性能的影響，對比分析了在設計荷載作用下索拱組合橋與普通系桿拱橋受力性能的差異，同時分析了極限承載能力狀態(tài)下兩種拱橋體系受力

5、性能的優(yōu)劣，對幾何非線性因素對索拱組合橋受力性能的影響進行了定量分析。 第四章闡述了橋梁結構極限承載能力概念，總結了目前研究橋梁結構極限承載能力問題的主要方法，從理論研究和試驗研究兩個方面概述了目前我國拱橋特別是鋼管混凝土拱橋的極限承載能力的研究現狀，給出了對索拱組合橋梁進行材料非線性分析的計算方法和計算公式。結合第三章給出的幾何非線性分析的計算方法和計算公式，針對大跨度索拱組合橋梁在失穩(wěn)、破壞期間表現的幾何和材料非線性特征，采

6、用高精度不分層等截面梁單元和鋼管混凝土組合材料統(tǒng)一本構關系，通過荷載增量法，采用分級逐步加載的方式，對目前國內第一座索拱組合橋一湘江四大橋進行了在多種靜力荷載作用下的極限承載能力分析，追蹤整個結構在加載過程中的變形過程，直至失去承載能力。第五章建立了纜索吊裝過程中索拱組合連續(xù)體系的非線性參數振動力學分析模型，考慮了由于索的初始垂度、大位移而引起的幾何非線性因素的影響，推導了索拱組合結構參數振動的非線性動力學方程，運用多尺度攝動方法，對拉

7、索可能發(fā)生的參數共振和亞諧波共振進行了理論研究和數值分析，確定了索．拱組合結構中拉索參數共振和亞諧波共振的影響因素及發(fā)生條件。 第六章在利用索拱連接條件的基礎上，建立了索拱組合體系的無窮維非線性動力學分析模型。利用多尺度攝動方法對非線性方程進行了求解，討論了在無外激勵作用情形下索拱組合體系的非內共振情況和內共振情況，同時對索拱組合體系在外激勵作用下的非線性動力學行為進行了詳細的分析，定性研究了索拱在分別發(fā)生主共振條件下索拱非內共

8、振情形和索拱之間內共振情形，第七章以湘江四大橋第一施工階段結構為研究對象，在索拱分別發(fā)生主共振條件下，分非內共振和內共振兩種情況對索拱發(fā)生內共振的模式、分叉類型及其混沌性質進行了深入的討論和研究，得到了產生動力不穩(wěn)定、分叉及混沌的頻域區(qū)間及相應激勵幅值區(qū)間，詳細討論了索拱結構參數對索拱非線性動力性能的影響，確定了索拱各結構參數的敏感性，提出了設計吊裝系統(tǒng)時應重點考慮的結構動力學參數。 第八章對本文的工作進行了總結，并指出了今后在