空间缆索自锚式悬索桥部分关键技术问题与可靠度评估研究

摘要

自锚式悬索桥以其结构新颖、造型优美、经济性能良好、对地形及地质状况适应性强等优点而越来越受到桥梁工程界的关注。自锚式悬索桥主缆锚固于主梁之上,形成纵向自平衡结构体系,其施工方法和成桥后的受力特性均与地锚式悬索桥有显著差别。本文以南京江心洲大桥为工程背景,围绕空间缆索自锚式悬索桥结构体系的部分关键技术问题以及自锚式悬索桥结构可靠度评估问题展开研究。主要内容有:
　　 (1)空间缆索自锚式悬索桥施工过程缆索线形计算理论与软件开发。基于主缆分段悬链线理论、无应力长度不变原理、空缆状态主缆线形与索鞍偏移量计算原理等,建立了一套适用于自锚式悬索桥成桥状态及施工过程中缆索计算的精细化方法。通过简化处理,将平面主鞍座位置计算方法推广到空间主鞍座的位置计算;根据自锚式悬索桥结构受力特点,对自锚式悬索桥考虑主梁、主塔压缩时其缆索线形精细化计算方法进行了研究,在此基础上开发了适用于各类悬索桥缆索线形计算分析与施工控制的缆索程序。
　　 (2)自锚式悬索桥成桥理想状态研究。提出一种确定自锚式悬索桥结构合理成桥状态的综合优化算法。该算法将缆索解析程序与非线性有限元结构分析程序相结合,通过选择合适的目标函数、设计变量和状态变量来体现结构设计的意图,通过引入温度刚臂来考虑主梁、主塔的压缩量,利用结构优化方法获得自锚式悬索桥基本成桥状态。在此基础上,采用应力平衡法调整与配置主梁预力束,校核基本成桥状态,得到合理的最终成桥状态。
　　 (3)空间缆索自锚式悬索桥缆索架设施工控制及体系转换研究。提出空缆架设的“带散索套”安装线形以及相应的施工控制措施,给出索夹的安装位置及角度,分析了缆索架设线形与温度的关系。针对南京江心洲大桥独特的结构特点,提出其吊索张拉与体系转换的总体原则,系统分析与总结了体系转换过程中的力学特性。根据体系转换中受力特性的规律,将体系转换过程整体上划分为四个阶段,提出每一阶段的控制目标与实施要点,在此基础上制订了相应的吊索张拉与体系转换方案,并在工程现场得到实施。
　　 (4)结构参数敏感性分析及可靠度评估方法研究。提出一种适用于自锚式悬索桥结构参数敏感性分析与可靠度评估的复合算法。该算法兼顾效率与精度,应用拉丁超立方抽样技术来选取样本点,保证所选取的样本点能够较为均匀的分布在整个概率空间,得到性质良好的神经网络函数;根据神经网络传递函数、各层权值和阀值等,显式化神经网络函数,在此基础上采用皮尔森相关系数分析参数敏感性;采用一次二阶矩法和重要抽样蒙特卡洛仿真做可靠度评估。通过相关算例验证所提方法的效率与精度,并编制了相应的标准化模块程序。
　　 (5)南京江心洲大桥静力随机分析及正常使用状态下可靠度评估。考虑结构材料、截面特性、外部荷载等的变异,采用所提的复合算法对江心洲大桥主跨跨中钢箱梁挠度及塔底弯矩做结构参数静力随机分析,研究了各种随机因素对自锚式悬索桥结构响应的相对敏感性,为设计者合理调整结构参数提供理论依据;采用复合算法对江心洲大桥主跨加劲梁跨中挠度在正常使用状态下的可靠度进行了评估。