大跨度懸索橋主纜彎曲剛度效應及二次應力研究.pdf

1、懸索橋具有跨越能力大、抗震性能好、輕巧美觀、結(jié)構(gòu)形式多樣及對地形適應能力強等特點，是大跨度橋梁的首選橋型。隨著大跨度懸索橋建設的迅猛發(fā)展，主纜截面越來越大，比如香港青馬大橋和明石海峽大橋的主纜直徑已經(jīng)達到1.1m。由于受到鞍座、索夾和纏絲等因素的影響，大截面主纜的彎曲剛度對其線形和受力的影響更為復雜。主纜除了承受恒載和活載所產(chǎn)生的軸向拉應力外，還受到索鞍轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的彎曲應力以及由制造和施工引起的鋼絲不均勻軸向應力等二次應力，而二次應力是

2、確定主纜安全系數(shù)的重要依據(jù)。作為懸索橋的主要受力構(gòu)件，對主纜的分析必須嚴密精確，對保證主纜的安全性、耐久性以及對懸索橋進行工程控制的精確性具有重要意義。通過理論分析并結(jié)合模型試驗和現(xiàn)場測試對大跨度懸索橋主纜的彎曲剛度效應和二次應力進行了深入而系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容、方法和成果如下：
　　(1)將主纜離散為小撓度的細長梁單元，推導包含自重項的細長梁單元的剛度矩陣，其中考慮了軸力對彎曲剛度的影響及彎矩引起的軸向剛度修正系數(shù)，建立基于

3、細長梁單元的主纜線形計算方法并編制程序。計算結(jié)果表明彎曲剛度對主纜線形的影響主要位于跨中和靠近橋塔的部分區(qū)域以及吊索力較大的吊點位置處，且矢跨比越大，線形計算誤差越大。以西堠門大橋主纜為原型，設計了9根分別由不同直徑和不同數(shù)量鋼絲組成的懸索模型，對懸索的靜力荷載變形及自振特性進行了測試。通過模型試驗結(jié)果檢驗了所建立的基于細長梁單元計算方法的可靠性，并得到了彎曲剛度對主纜變形影響程度及彎曲剛度取值的定性結(jié)果。
　　(2)提出了一種新

4、型的初彎曲梁單元來模擬主纜的彎曲剛度和初始彎曲，通過虛功增量方程推導其切線剛度矩陣，并編制了基于U.L.列式的主纜非線性有限元程序，程序中實現(xiàn)了主纜在索鞍處的線形修正及主纜幾何特性隨施工進程的變化。利用程序建立南京長江四橋主纜施工過程的有限元模型，計算結(jié)果表明:彎曲剛度使主纜在恒載作用下的豎向變形減小，成橋狀態(tài)時由此引起的主纜線形計算偏差沒有超過工程精度的要求;成橋狀態(tài)時靠近橋塔的吊索吊點和限位吊索吊點處主纜的彎矩及彎曲應力顯著。

5、>　　(3)根據(jù)主纜由離散鋼絲組成的截面在彎曲變形過程中產(chǎn)生滑移的特點，提出并建立了主纜分層單元模型，并給出了層間極限摩擦力的計算方法。設計了一套索股拉彎模型試驗的支架及加載系統(tǒng)，通過對由61根鋼絲組成的索股在拉彎荷載作用下的斷面分層應力和變形進行測試，結(jié)果表明:分層單元模型能夠真實地模擬索股斷面應力及變形特性;均布纏絲力及索股軸力均在索股鋼絲產(chǎn)生滑移后對斷面不均勻應力和變形有顯著的影響;索股長度僅在鋼絲間全部產(chǎn)生滑移后才會對不均勻應力

6、產(chǎn)生影響;索股斷面的不均勻應力與端部轉(zhuǎn)角之間的斜率反映了索股的彎曲剛度，其隨著索股層間滑移區(qū)域的擴大而減小;在相同的端部轉(zhuǎn)角作用下，均布纏絲力越大或軸力越小，索股的彎曲剛度就越大，不均勻應力和變形也就越大。
　　(4)對南京長江四橋加勁梁吊裝過程中索鞍附近主纜斷面的應力進行了現(xiàn)場實測，結(jié)果表明:主纜斷面的二次應力主要由鋼絲的不均勻軸向應力組成;二次應力隨著施工進程在嵌固端處逐漸積累，且變化趨勢與主纜在索鞍處的轉(zhuǎn)角變化一致;根據(jù)測試