索杆梁耦合结构非线性动响应分析模型及其应用研究

摘要

实际工程中有很多都可以理想化为索杆梁耦合体系，例如桥梁工程中的斜拉索桥，高压架空输电线与塔架等。在恶劣的自然环境条件下，耦合体系结构可能会发生某一（或某些）杆件破坏失效，产生瞬态动响应，并在耦合体系中传播至其他杆件，进而导致其他杆件的继续破坏。因此，有必要建立一个能够反应结构实际力学状态的理论分析模型，并且能够分析杆件连续破坏后耦合体系动响应变化规律，指导整体结构的设计及动响应监测。在索杆梁耦合体系结构中，索结构与其他杆件连接时，连接处可能存在摩擦滑移；梁杆单元耦合时，由于连接装置的不同，不能简单得认为是完全固接或完全铰接，为研究索杆梁耦合结构在某一（或某些）杆件破坏后的非线性动响应变化规律，首先需要建立一个能够反应结构实际受力状态的耦合结构分析模型。
　　 基于上述研究目的，结合理论分析和数值模拟等手段，首先分别从索杆梁耦合结构的主要组成部分索结构和梁杆结构出发，建立了考虑摩擦滑移的索单元分析模型和考虑耦合节点构造的梁杆单元分析模型；其次联立索、杆、梁结构分析模型建立了耦合体系分析模型，作为动响应分析的基准模型：最后提出了杆件连续破坏失效的非线性动响应分析方法，以架空输电线路耐张段为例，分别探讨了当导线（索单元）、绝缘子（杆单元）及铁塔构件（梁单元）破坏失效后的结构动响应变化，为结构的设计和现场监测提出了有益的建议和方案。主要研究内容如下：
　　 (1)以索杆梁耦合体系组成部分之一的索结构为研究对象，根据索结构在施工和运营过程中可能出现的索与其他构件连接结构之间的摩擦滑移作用，首先基于更新拉格朗日格式推导了三节点直线型滑索单元几何非线性刚度矩阵，阐述了滑索单元的检索算法：其次根据索微段的平衡方程，在平面滑移索的基础上，考虑平面外刚度系数，建立了空间悬链线型摩擦滑移索分析模型。通过与不考虑摩擦滑移的直线索单元、以及平面滑索模型的计算结果比较，验证了分析模型的有效性，可将其作为索杆梁耦合体系的特殊索段，分别与梁杆单元和一般非线性索单元相连接。
　　 (2)以索杆梁耦合体系组成部分之一的梁杆结构为研究对象，通过两端铰接的简单杆单元的变形和受力之间的关系，在整体坐标系下直接推导出杆单元的切线刚度矩阵。然后基于更新拉格朗日列式推导了开口截面的薄壁梁单元切线刚度矩阵，考虑了剪切中心与形心分离，并建立了偏心修正矩阵，论述了梁单元的内力计算方法。通过分析实际工程结构中的节点构造特点，确定了在大型梁杆耦合体系有限元模型中各单元的耦合处理方法。以某一鼓型输电铁塔为实例，计算了耦合结构的动力特性，将计算结果与经典的空间桁架结构和空间刚架结构做比较，验证了模型的有效性。
　　 (3)采用静力凝聚和相应自由度扩充等手段，将索、杆、梁单元平衡矩阵进行组装，建立了索杆梁耦合结构分析模型。针对实际杆系结构的破坏特点，设置杆件破坏阀值，提出了模拟杆件连续破坏后耦合体系动响应的分析方法，采用直接积分法求解耦合结构的运动方程。
　　 (4)以某一架空输电线路耐张段为工程实例，选取合适的索、杆、梁单元分析模型分别离散导线（或地线）、绝缘子及铁塔等构件，通过滑索单元分析模型的非线性静力分析确定了耦合体系结构的初始平衡状态，验证了滑索单元用于分析大型索杆梁耦合结构的有效性。分别计算了导线断裂、绝缘子断裂，以及铁塔构件断裂后的结构张力变化规律，根据动响应计算结果，提出了以振动特性、动态线形和应力/应变为监测指标的传感器布测方案，为实际工程的现场监测和维护提供了理论依据。