超大跨度斜拉桥施工全过程几何非线性精细分析理论及应用研究

摘要

当斜拉桥向超大跨径发展时，研究其施工全过程正装计算理论和方法对于桥梁设计合理和结构安全有着重要意义。本文首先对斜拉桥几何非线性分析理论的研究现状进行了全面评述，然后对其施工全过程的几何非线性精细分析理论及工程控制中的关键技术问题进行了较深研究，最后以苏通长江公路大桥和荆州长江公路大桥为工程实例进行了验证分析。具体研究内容和取得的成果为： (1)推导了TL列式和UL列式的势能增量驻值公式并由此建立了切线刚度矩阵的构成规则；应用Kirchhoff应力张量和Green应变张量导出了正装结构CR法的虚功增量方程，并分析了CR法相对UL法更精确的根本原因。 (2)导出了带任意刚臂的两结点精确悬链线索元的显式切线刚度矩阵，建立了两种计算条件下切线刚度矩阵的迭代算法；提出了改进快速弧长法的计算策略和加速改进算法，解决了斜拉桥施工过程的精确求解和快速迭代问题。 (3)以苏通长江公路大桥施工全过程的计算表明，同时计入拉索垂度效应、梁柱效应和大位移效应对于结构的内力与变形影响较大，综合非线性因素影响通常大于各单项因素影响的代数和，忽略其中任何一项因素都将带来较大的计算误差；综合非线性因素对一般位置的斜拉索索力的影响较小，对辅助墩附近拉索索力影响稍大些；对于索塔，其非线性影响程度在成桥阶段最大，其次是最大单悬臂阶段，最大双悬臂阶段为最小；对于主梁，最大单悬臂阶段非线性影响最大，成桥阶段次之，最大双悬臂阶段影响最小。 (4)对新老桥涵设计规范中混凝土的收缩徐变计算模式进行了比较分析，基于新规范推导了便于有限元法计算的徐变参数指数函数模式，并利用荆州长江公路大桥营运期健康监测数据对其进行了验证；推导了混凝土收缩徐变的UL列式虚功增量方程和相应的等效结点荷载计算公式；以苏通长江公路大桥的计算表明，在大跨度斜拉桥的施工过程中，混凝土收缩徐变对结构的内力和变形都存在影响，但对于钢斜拉桥，当混凝土索塔施工期较长时，该影响比较小。 (5)建立了求解斜拉桥施工控制参数的非线性正装迭代法；建立了计入几何非线性的自适应无应力构形求解方法，同时以实桥为例分析了安装索力误差主要影响因素的敏感性；提出了由5个子系统组成的斜拉桥自适应施工控制系统，成功地应用于实桥施工控制。 (6)对大跨度斜拉桥的关键技术进行了深入研究。首先建立了利用分段多项式温度场函数计算斜拉桥温度影响的方法，提出了一套紧密结合悬臂现浇法施工控制的温度影响实时修正方法，经实桥验证效果良好；其次根据柔索索力振动法测试原理，通过理论分析和实桥测试发现了主频阶次是产生索力测试误差的主要原因且与测试误差成二次关系；最后对振弦式混凝土应变计的测量误差及处理方法进行了较深入的研究，提出了有益建议。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1概述

1.2本文的研究现状

1.2.1大跨度斜拉桥几何非线性计算分析基本理论

1.2.2非线性对大跨度斜拉桥变形与受力性能的影响

1.2.3混凝土桥梁收缩徐变计算的研究

1.2.4斜拉桥施工控制理论与方法的研究

1.3有待解决的问题

1.4本文研究背景

1.5本文研究的主要内容

第二章三维连续体虚功增量方程及正装结构非线性分析理论

2.1引言

2.2利用势能增量原理解析非线性分析切线刚度矩阵的构成规则

2.2.1参考位形与应力应变张量

2.2.2有限变形理论的总势能П

2.2.3势能增量驻值原理

2.2.4 TL列式和UL列式下的势能增量驻值原理

2.2.5切线刚度矩阵的构成规则

2.3正装结构非线性分析理论

2.3.1正装结构非线性分析的新问题

2.3.2用Kirchhoff应力张量和Green应变张量表示的虚功方程

2.3.3正装结构应力应变场的累加规律

2.3.4杆系结构CR法与UL法的解析

2.4小结

第三章桥梁施工阶段几何非线性有限元计算理论

3.1概述

3.2平衡状态的非线性方程及其求解要求

3.3空间梁单元的切线刚度矩阵

3.3.1大旋转小应变空间梁元的广义增量平衡方程

3.3.2梁元的有限元平衡方程

3.4空间杆单元的切线刚度矩阵

3.5分次张拉的空间两结点带刚臂悬链线索元

3.5.1两结点空间悬链线索元切线刚度矩阵

3.5.2两端带刚臂的两结点空间悬链线索元

3.5.3两种已知条件下的悬链线索元的迭代求解技术

3.6求指定荷载水平下的改进快速弧长法

3.6.1常规弧长法

3.6.2改进快速弧长法的计算策略

3.6.3指定荷载水平λs下的弧长增量

3.6.4初次荷载增量系数(δλ11)m的确定

3.6.5数值计算步骤

3.7非线性方程的求解策略

3.7.1单元的坐标转换矩阵

3.7.2 CR法单元结点力和等效结点荷载的求解

3.7.3非线性增量平衡方程求解的收敛准则

3.7.4非线性有限元程序算法流程的设计

3.8几何非线性考题

3.8.1单梁结构：受集中力偶作用的悬臂梁

3.8.2瞬变体系：受竖向集中力作用的水平链杆

3.8.3大挠度分析：45°空间悬臂弯梁

3.8.4单跨索结构：受集中荷载作用的悬索

3.8.5斜拉索结构：受集中荷载作用的斜拉桥

3.9小结

第四章混凝土收缩徐变的比较分析与非线性耦合方程

4.1引言

4.2收缩徐变计算的假设

4.3 2004年规范(TG D62-2004)与1985年规范(JTJ 023-85)徐变系数的比较分析

4.4大跨度预应力混凝土斜拉桥收缩徐变设计参数的初步验证分析

4.5考虑混凝土材料收缩徐变的UL列式虚功增量方程

4.6小结

第五章超大跨度斜拉桥自适应施工控制系统及关键技术研究

5.1概述

5.2计入几何非线性效应的施工控制参数的求解

5.2.1斜拉索各次安装索力

5.2.2节段安装位置

5.3超大跨度斜拉桥基于几何非线性的自适应无应力构形控制法

5.3.1自适应无应力构形控制法的基本思想

5.3.2自适应无应力构形控制法的可行性分析

5.3.3考虑几何非线性时无应力构形的求解

5.4斜拉桥自适应施工控制系统的组成及要求

5.4.1测试系统

5.4.2误差处理系统Ⅰ

5.4.3判断分析系统

5.4.4误差处理系统Ⅱ

5.4.5前进分析系统

5.5施工控制中的关键技术

5.5.1温度影响的消除与控制

5.5.2柔索索力主频阶次误差及支承条件误差

5.5.3混凝土振弦式应变计测试技术研究

5.6小结

第六章超大跨度斜拉桥—苏通长江公路大桥施工全过程及几何非线性影响分析

6.1引言

6.2工程背景与有限元模型

6.3施工控制参数及全过程分析

6.3.1成桥索力及无应力索长

6.3.2主梁节段累计变形与节段无应力线形

6.3.3斜拉桥施工过程典型状态下的结构内力或应力

6.4施工阶段的几何非线性影响

6.4.1施工过程的几何非线性计算

6.4.2几何非线性影响分析

6.5施工过程超长斜拉索的安装索力敏感性分析

6.5.1索力张拉时的约束方程

6.5.2安装索力影响因素分析

6.5.3索力敏感性大小及分析

6.6小结

第七章结论与展望

7.1 主要研究工作及结论

7.2进一步研究工作的展望

参考文献

致谢

附录