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大跨度悬索桥主鞍座承载力极限状态及结构优化研究

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声明

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 国内外研究的现状

1.2.1 主鞍座强度和稳定性有限元计算及试验现状

1.2.2 复杂应力下钢结构极限承载力研究现状

1.3 课题的研究意义

1.4 本文主要研究内容和技术路线

第2章 主索鞍理想弹塑性承载力分析

2.1 引言

2.2 参数化几何模型的建立

2.2.1 Autodesk Inventor建模的优点

2.2.2 主索鞍参数分析

2.2.3 实体模型的实现

2.3 主索鞍数值模拟

2.3.1 弹塑性有限元分析基本理论

2.3.2 有限元建模

2.3.3 设计荷载和边界条件

2.3.4 网格精度的影响

2.3.5 数值模拟结果

2.4 本章小结

第3章 理想弹塑性状态下索鞍结构优化分析

3.1 引言

3.2 承载力影响因素分析

3.2.1 钢材材料的影响

3.2.2 横肋板厚的影响

3.2.3 鞍槽壁厚的影响

3.2.4 加劲纵肋的影响

3.2.5 纵肋的影响

3.2.6 鞍座横向宽度的影响

3.2.7 横肋数量的影响

3.3 基于参数影响分析下的结构尺寸优化

3.3.1 尺寸优化分析

3.3.2 材料用量分析

3.3.3 优化后龙潭大桥主索鞍承载力分析

3.4 基于目标优化方法的结构尺寸优化

3.4.1 结构尺寸的初步调整

3.4.2 优化方法

3.4.3 以安全系数2.5为目标的结构优化分析

3.4.4 以安全系数2.0为目标的结构优化分析

3.4.5 以安全系数1.85为目标的结构优化分析

3.4.6 以安全系数1.5为目标的结构优化分析

3.4.7 以安全系数1.25为目标的结构优化分析

3.4.8 材料用量分析

3.5 本章小结

第4章 考虑钢材屈后强度影响的索鞍承载力分析

4.1 引言

4.2 材料本构模型

4.3 鞍座失效标准

4.3.1 侧向变形标准

4.3.2 竖向变形标准

4.3.3 以主缆承载能力为依据

4.4 主索鞍数值模拟结果

4.4.1 K=2.5的数值模拟结果

4.4.2 K=2.0的数值模拟结果

4.4.3 K=1.85的数值模拟结果

4.4.4 K=1.5的数值模拟结果

4.4.5 K=1.25的数值模拟结果

4.5 承载力控制指标

4.6 本章小结

第5章 考虑材料不均匀性的索鞍承载力分析

5.1 材料不均匀性

5.2 模型建立

5.3 数值模拟结果

5.3.1 网格精度对承载力随机性的影响

5.3.2 基于理想弹塑性下考虑铸钢材料不均匀性对主索鞍承载力的影响

5.3.3 基于多线性弹塑性下考虑铸钢材料不均匀性对主索鞍承载力的影响

5.4 本章小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及参加的科研实践项目

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摘要

国内悬索桥的跨度越来越大,主索鞍的尺寸和重量也大幅度地增加。鉴于主索鞍在使用期间内无法替换的局限性和对安全性的高要求,既往主索鞍设计得异常保守,这就与结构设计的经济性产生矛盾。因而探明主索鞍的极限承载能力,研究结构的传力路径,优化结构设计尺寸,具有重要的经济效益和工程设计参考价值。论文主要围绕上述问题,以龙潭大桥主索鞍为工程背景,采用数值模拟分析的方法进行了系统的分析研究,主要内容、方法和成果如下:  (1)通过对既有大跨度悬索桥主索鞍的结构设计尺寸进行统计分析,归纳出具有一定规律性的主索鞍结构尺寸参数,并基于AutodeskInventor软件建立参数化几何模型,可为索鞍结构设计人员在索鞍设计参数制定时提供参考;  (2)针对龙潭大桥主索鞍,基于ABAQUS平台进行有限元数值模拟,系统研究了主索鞍的力学性能,揭示了其传力路径、破坏模式和极限承载力,验证了龙潭大桥主索鞍的安全性和可靠性;  (3)基于AutodeskInventor软件建立参数化几何模型,将几何模型导入ABAQUS平台建立有限元模型,系统地分析了主索鞍设计参数对承载力的影响,探明了材料类型和几何参数对结构承载力的影响规律。基于设计参数对承载力的影响规律,对龙潭大桥主索鞍初步设计尺寸进行了结构尺寸优化;  (4)基于理想弹塑性分析中索鞍传力模式和各部件塑性发展的破坏本质,提出了以安全系数为目标进行结构优化的方法,并对龙潭大桥主索鞍初步设计尺寸进行了结构尺寸优化;  (5)采用多线性弹塑性材料本构模型,进一步探究结构优化后的龙潭大桥主索鞍的承载力,并初步讨论了考虑索鞍钢材屈后强度时,结构的承载力评判标准——侧向变形标准、竖向变形标准和以主缆承载能力为依据的评判标准,可为设计人员在进行计算分析时提供参考;  (6)基于概率理论和有限元数值模拟技术,在ABAQUS平台上编制PYTHON材料随机模拟程序,建立了考虑铸钢材料不均匀性的随机有限元模型,分析了铸钢材料不均匀性对索鞍极限承载力的影响规律。结果表明:在静力荷载作用下,铸钢材料不均匀性对索鞍极限承载力的影响可以忽略不计。

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