基于靜動(dòng)力特性的多塔長(zhǎng)跨斜拉橋結(jié)構(gòu)體系剛度研究.pdf

1、多塔斜拉橋在二十世紀(jì)中期就已經(jīng)出現(xiàn)，但是發(fā)展一直較緩慢，制約其發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素就是整體剛度偏弱，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一定的研究。當(dāng)多塔斜拉橋進(jìn)入大跨徑時(shí)，其剛度問(wèn)題更加突出，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目“多塔長(zhǎng)大斜拉橋關(guān)鍵技術(shù)研究”(項(xiàng)目號(hào):2013315494011)，主要針對(duì)多塔長(zhǎng)跨斜拉橋的剛度相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。本文的主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)提出了多塔斜拉橋整體剛度指標(biāo)，定義了多塔

2、斜拉橋豎向剛度代表值，并對(duì)其限值進(jìn)行了討論，為本文的后續(xù)研究提供了判別標(biāo)準(zhǔn)。在廣泛收集資料的基礎(chǔ)上，對(duì)已建及擬建多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)并結(jié)合理論分析提出了多塔斜拉橋的合理塔跨比區(qū)間。
　　(2)提出了多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)變形計(jì)算的隔離結(jié)構(gòu)法，基于Matlab語(yǔ)言編制了相應(yīng)程序，提高了剛度參數(shù)優(yōu)化時(shí)主梁活載變形計(jì)算的效率?；诙嗨崩瓨虿煌诔Ｒ?guī)斜拉橋（雙塔或單塔斜拉橋）的受力特點(diǎn)，推導(dǎo)了考慮塔梁剛度的拉索支承剛度系數(shù)的計(jì)算公式并

3、進(jìn)行了驗(yàn)證。推導(dǎo)公式時(shí)，認(rèn)為中間塔兩側(cè)主梁不能與有輔助墩的邊跨主梁一樣視為剛性梁，而是具有一定的柔度，只對(duì)橋塔提供一定程度的約束，同時(shí)考慮了橋塔自身抵抗變形的能力，最后討論了橋塔剛度、主梁剛度、拉索剛度以及拉索傾角等因素對(duì)拉索支承剛度的影響，得出的結(jié)論可以用于指導(dǎo)概念設(shè)計(jì)。
　　(3)以瓊州海峽大橋方案之一的主跨828m的五塔斜拉橋?yàn)楣こ趟憷?，研究了多塔長(zhǎng)跨斜拉橋剛度問(wèn)題的解決方法。通過(guò)參數(shù)敏感性分析，對(duì)原方案的剛度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化

4、，給出了塔梁剛度取值的合理匹配區(qū)間，確定了拉索剛度以及塔跨比的合理取值范圍。對(duì)采用各種加勁索的方案進(jìn)行了比較分析，給出了基于靜力特性優(yōu)化后的瓊州海峽大橋方案并進(jìn)行了力學(xué)特性檢算。
　　(4)提出了多塔斜拉橋塔梁剛度比的概念，基于拉索支承剛度系數(shù)計(jì)算式給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。與索的剛度相比，塔的剛度與梁的剛度對(duì)多塔斜拉橋整體剛度的影響較大，設(shè)計(jì)自由度也較大，從剛度的角度出發(fā)，可通過(guò)塔梁剛度比將多塔斜拉橋劃分為柔性塔體系與剛性塔體系。

5、
　　(5)提出了一種新型的多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系—改進(jìn)的莫蘭迪結(jié)構(gòu)體系(AMSS)。解決了柔性塔體系的多塔（四塔及以上）長(zhǎng)跨斜拉橋的剛度問(wèn)題。該體系是在斜拉橋索塔順橋向兩側(cè)間隔一定距離設(shè)置塔梁豎向支座，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)塔梁之間的豎向約束和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，在力學(xué)行為上接近塔梁固結(jié)，而構(gòu)造上表現(xiàn)為塔梁分離。通過(guò)對(duì)其力學(xué)性能分析，發(fā)現(xiàn)其具有塔梁固結(jié)體系提高整體剛度的功能，同時(shí)避免塔梁固結(jié)處產(chǎn)生較大的彎矩。雙支承間距的增大可以提高整體剛度也同時(shí)帶來(lái)了

6、托架根部彎矩增大的問(wèn)題，通過(guò)有限元分析對(duì)雙支承間距合理取值進(jìn)行了研究。通過(guò)實(shí)橋試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了新型結(jié)構(gòu)體系的合理性及解決柔性塔多塔長(zhǎng)跨斜拉橋體系剛度問(wèn)題的有效性。
　　(6)基于動(dòng)力特性及地震反應(yīng)分析對(duì)瓊州海峽大橋方案做了進(jìn)一步優(yōu)化。多塔斜拉橋剛度的增大，提高了結(jié)構(gòu)的靜力抗變形能力，但是對(duì)動(dòng)力特性的影響不能一概而論。本文分析了提高橋塔剛度和改變塔梁支承體系等措施對(duì)瓊州海峽大橋方案動(dòng)力特性的影響，并基于靜動(dòng)力特性總結(jié)了多塔斜拉橋剛度合

7、理取值的方法。
　　(7)探討了采用反分析對(duì)多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的方法。在剛度參數(shù)敏感性分析的基礎(chǔ)上，給定一個(gè)撓度期望值，反演分析剛度參數(shù)，使得參數(shù)優(yōu)化計(jì)算更具針對(duì)性，避免需要反復(fù)調(diào)整初始參數(shù)的大量有限元試探性分析。參數(shù)優(yōu)化分析時(shí)，采用Ansys軟件參數(shù)化建模技術(shù)建立了瓊州海峽大橋方案的有限元模型，采用Matlab語(yǔ)言編制了相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化模型，并通過(guò)DOS內(nèi)部命令，實(shí)現(xiàn)兩種軟件之間的對(duì)口連接，使其能夠相互調(diào)用，降低了編程