三塔结合梁斜拉桥几何非线性精细化仿真分析.pdf

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1、第27卷第3期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．27No．32010年9月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Sep．2010三塔结合梁斜拉桥几何非线性精细化仿真分析刘沐宇，聂俊青，汪峰(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，湖北武汉430070)摘要：随着斜拉桥跨径的不断增大，结构几何非线性的影响越来越明显。本文介绍了大跨径斜拉桥几何非线性的三个主要因素及其分析方法，通过有限元软件ANSYS，采用空间板壳和实体单元与梁单元相结合，完全按照实际的结构形式建立武汉二七长江大桥精细化空间有

2、限元模型，分析其在恒载作用下的几何非线性效应。结果表明，非线性对主梁竖向位移影响最大，主跨跨中处达到25．6％，故进一步研究该桥在运营阶段主跨跨中位移在活载最不利工况下的非线性影响。本文的建模方法和分析结果对该类大跨径结合梁斜拉桥的设计和施工具有实际参考价值。关键词：大跨径；斜拉桥；几何非线性；精细化仿真中图分类号：U448．27文献标识码：A文章编号：1672-7037(2010)03-0001-05近10年来，斜拉桥发展迅速，结合梁斜拉桥性效应，并根据分析结果研究该桥在运营阶段最因其自重轻、跨越能力大及施工便捷等优点而

3、受不利工况下的活载非线性。到桥梁工程界的青睐¨J。我国建成的结合梁斜拉桥如南浦大桥、杨浦大桥、汀九桥等主跨均在1斜拉桥几何非线性分析方法400rn以上，2000年建成的青州闽江大桥主跨605in，可以预见，今后结合梁斜拉桥的发展会以1．1斜拉桥几何非线性主要影响因素增大主跨跨径为主。斜拉桥几何非线性主要包括三个方面：斜拉桥的结构特点是从索塔上用若干斜拉索(1)斜拉索垂度效应。斜拉索作为一种柔性将梁吊起，表现为复杂的超静定结构和柔性的空构件，在自重和轴力作用下呈悬链线线形，斜拉索间受力特性，而随着桥梁跨径的增大，结构刚度随的

4、轴向刚度随垂度变化，而垂度又取决于斜拉索之减小，结构非线性的影响不可忽视。桥梁结构拉力，因此斜拉索张力与变形之间存在着明显的非线性主要有材料非线性和几何非线性J，而实非线性。际上，正常使用状态下，斜拉桥各构件基本上处于(2)弯矩与轴向力的组合效应。斜拉桥的斜线弹性受力状态，不一定存在材料非线性问题，但拉索拉力使其它构件处于弯矩和轴向力组合作用几何非线性对结构刚度的影响是很明显的。因下，构件在轴向力作用下的横向挠度会引起附加此，斜拉桥几何非线性分析对了解结构在给定荷弯矩，而弯矩又影响轴向刚度的大小，此时叠加原载下的安全可靠性

5、是十分重要而且必不可少的，理不再适用。为斜拉桥的安全施工和运营管理提供了依据和保(3)大位移效应。在荷载作用下，斜拉桥上障。部结构的几何位置变化显著，从有限元法的角度作为一种高次超静定结构，其计算分析的精来说，节点坐标随荷载的增量变化较大，结构的刚确程度将直接关系到设计的优劣与施工过程中的度矩阵成为几何变形的函数，平衡方程不再是线安全性。。本文通过ANSYS有限元软件，采用性关系。空间板壳和实体单元与梁单元相结合，完全按照1．2斜拉桥几何非线性分析理论实际的结构形式建立武汉二七长江大桥精细化空考虑斜拉索垂度的简单且常用的方

6、法是将斜问有限元模型，分析其在恒载作用下的几何非线拉索视为等长的直弦杆，以等效弹性模量代替实收稿日期：2010-04-25作者简介：刘沐宇(1963．)，男，江苏滨海人，教授，博士，研究方向为桥梁工程(Email：liumuyu@public．wh．hb．cn)基金项目：武汉市建设科技项目(200923)．2·华中科技大学学报(城市科学版)2010年际斜拉索的弹性模量，以此计人其垂度效应。等+1601TI+616m+616m+160m+90m。主梁汉效弹性模量采用Ernst公式计算：口及武昌岸90in边跨采用混凝土梁，以增

7、加梁体Ee(1)自重，避免边墩和辅助墩出现负反力，其余部分梁段为工字钢结合粱。结合粱两钢主梁横桥向中心n距为30．5m，每片主梁断面均为腹板外侧布置有考虑弯矩与轴向力组合效应和大位移效应的两条纵向加劲肋的“工”字型截面，钢横梁也采用非线性方程为：“工”字型，间距4．5m；混凝土梁采用等高度预应(。[]。+。[]+。[])d{}=。[K]d{6}力混凝土双肋梁肋板式断面，横梁间距4m，横梁=d{f}(2)厚0．4m。式中，。[]。与单元节点位移无关，是单元弹性刚桥塔为钢筋混凝土结构，分为下、中、上塔柱度矩阵；。[]称为单元初

8、位移刚度矩阵或单元及下横梁四部分组成。两个边塔尺寸完全相同，大位移刚度矩阵，是由大位移引起的结构刚度变中塔较边塔加大了尺寸以增加刚度。化，是d{占}的函数；。[]称为初应力刚度矩阵，斜拉索采用平行钢绞线拉索，上端分别锚固它表示初应力对结构刚度的影响；。[]是三个于上塔柱，下端锚固于主梁锚拉板上。全桥共计