大跨度斜拉桥施工过程中几何非线性行为分析

摘要

斜拉桥是一种由主梁、拉索和索塔组成的高次静定的柔性结构，在静力作用下，结构变现出明显的几何非线性，随着跨度增大，结构的非线性更加明显。因此在对斜拉桥进行有限元模拟时，必须要考虑斜拉桥的几何非线性影响。
　　 本文的主要工作在九江长江公路大桥的背景下，通过对施工过程进行几何非线性分析，研究施工过程中非线性的影响规律。首先回顾了斜拉桥的发展历程以及几何非线性的计算理论现状。其次阐述了小变形理论的局限性，进而引入大变形运动的描述理论，并详细介绍了几何非线性的有限元理论中对大变形中的应力张量和应变张量的描述、各种建立变形后平衡方程的方法以及求解方法。针对斜拉桥，介绍了影响斜拉桥非线性效应的三种因素以及相应的有限元计算理论，并基于Midas/Civil有限元软件，介绍如何在该软件中实现三种因素的分析。然后以九江公路长江大桥为例，对模型进行线性分析、仅考虑垂度影响的非线性分析、考虑塔梁二阶效应和大位移效应组合的非线性分析、考虑全部非线性因素的非线性分析，通过对计算结果的对比，可以得到以下结论:
　　 (1)非线性效应并不一定是对结构不利的。
　　 (2)非线性效应对结构的变形和内力影响较大，在大跨度斜拉桥的施工中，须充分考虑非线性的影响。
　　 (3)斜拉桥的非线性效应是随悬臂长度增加而逐渐增加的。
　　 (4)在非线性三种因素中，斜拉索垂度引起的非线性效应最大。
　　 (5)随悬臂长度增加，仅考虑垂度效应进行非线性分析会引起较大误差。
　　 (6)在实际现场监控中，仅考虑垂度效应计算的安装线形与考虑完全非线性计算的安装线形差异较大。在关键施工的阶段位移计算中，两种方法差别随跨度的增加而逐渐增加，悬臂长度超过300m时，仅考虑垂度效应的计算值与实测值相差很大，因此为保证施工质量，所以在施工阶段误差评价和调整中应使用完全非线性模型。
　　 基于上述理论，应用于九江长江公路大桥的施工监控中，取得了良好的控制效果。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 斜拉桥概述

1．1．1 斜拉桥结构体系

1．1．2 斜拉桥国内外发展

1．2 斜拉桥几何非线性研究现状

1．3 本文研究的现实意义

1．4 本文的主要内容

第二章 几何非线性分析理论和方法

2．1 引言

2．2 几何非线性有限元方法

2．2．1 小变形应变理论局限性

2．2．2 大变形的运动描述

2．2．3 大变形的应变张量描述

2．2．4 大变形的应力张量描述

2．3 几何非线性表达格式

2．3．1 几何非线性基本表达式

2．3．2 总体拉格朗日列式法(TL列式)

2．3．3 修正的拉格朗日列式法(UL列式)

2．3．4 随转坐标系(CR)列式法

2．3．5 TL、UL与CR列式的比较

2．4 几何非线性问题的求解方法

2．4．1 直接求解法

2．4．2 增量法

2．4．3 Newton-Raphson法

2．4．4 混合法

2．5 收敛准则

2．6 本章小结

第三章 斜拉桥几何非线性有限元分析

3．1 引言

3．2 斜拉桥几何非线性影响因素及有限元解决方法

3．2．1 大位移效应模拟

3．2．2 斜拉索垂度效应模拟

3．2．3 塔柱和主梁的二阶效应

3．3 斜拉桥施工阶段分析

3．4 江西九江长江大桥工程概况与基本参数

3．4．1 工程概况

3．4．2 设计依据

3．4．3 主要技术标注

3．4．4 主要材料

3．5 空间有限元模型建立

3．5．1 模型的几何与刚度模拟

3．5．2 斜拉索、主梁、桥塔连接模拟

3．5．3 计算模型的边界条件

3．5．4 施工阶段划分

3．5．5 施工阶段荷载模拟

3．6 部分工况计算结果

3．7 本章小结

第四章 非线性影响分析

4．1 引言

4．2 施工过程中变形非线性影响分析

4．2．1 斜拉索垂度效应

4．2．2 塔梁二阶效应和大位移效应

4．2．3 完全非线性效应

4．3 施工过程中内力非线性影响分析

4．3．1 斜拉索垂度效应

4．3．2 塔梁二阶效应和大位移效应影响

4．3．3 完全非线性效应

4．4 本章小结

第五章 施工监控中的非线性问题

5．1 引言

5．2 仅考虑垂度效应时对安装线形的影响

5．3 仅考虑垂度效应时对施工阶段变形评价的影响

5．4 九江长江大桥施工监控成果

5．4．1 钢箱梁线形控制效果

5．4．2 塔偏控制效果

5．4．3 索力控制效果

5．4．4 结论

5．5 本章小结

结论及展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间参加过的科研项目