悬索桥板桁结合桥面系力学特性及剪力滞计算方法研究

作     者：颜智法 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈锐利

授予年度：2014年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：悬索桥 板桁结合桥面系 换算梁法 剪力滞 有限元 几何非线性 

摘      要：大跨度悬索桥的发展方兴未艾,随着跨度的增大,恒载在总荷载中的比重进一步增加,这对主缆、加劲梁等构件的设计、制作及安装提出更高要求。将桥面与主桁结合起来的板桁结合桥面系能够较为有效地减轻结构恒载、简化传统桁梁悬索桥的桥面系构造。但目前采用该结构的悬索桥较少,对其认识及研究还不深;且该结构构造复杂,正交异性板构件纵横交错,如何对其进行简化计算需要进一步的研究。针对以上问题,本文主要通过以下几个方面对板桁结合桥面系加劲梁进行分析研究： （1）、对不同结合方式的桁架加劲梁进行计算分析,研究板桁结合型与分离式桥面系加劲梁力学性能的异同;对不同钢桥面支撑方式的板桁结合桥面系在第一系统荷载、桥面荷载作用下进行计算分析,借此研究板桁结合桥面系的合理构造及力学特性。 （2）、将普通桁架等效剪切厚度的求解方法运用于悬索桥板桁结合桥面系中,编制了桁梁连续化程序、平面杆系几何非线性程序;讨论了刚性节点、剪切变形对结构内力位移的影响,提出了板桁结合桥面系加劲梁整体计算时较为合理的简化模型。 （3）分析得到了悬索桥板桁结合桥面系全桥范围内的剪力滞变化规律;据此讨论了板桁结合桥面系的纵向位移函数。在连续化桁梁的基础上,采用变分法得到了简支梁受均布荷载、集中荷载的剪力滞微分方程解析解,提出了基于离散吊索力及弯矩影响区间的悬索桥板桁结合桥面系剪力滞计算分析方法,并对其影响参数进行了讨论。 （4）考虑到变分法求解的局限性,本文根据能量法及虚功增量方程详细地推导了考虑剪切变形及剪力滞影响的梁单元弹性刚度矩阵、几何刚度矩阵,编制相关程序;通过与ANSYS的对比验证了本文程序的精度。 通过本文的分析研究,得到了悬索桥板桁结合桥面系加劲梁的力学特性、换算梁法合理的简化模型及剪力滞的计算分析方法。本文的研究表明：板桁结合桥面系加劲梁受力复杂,计算分析可根据不同的力学特点来选取不同的简化模型;采用换算梁法进行整体计算时考虑刚性节点及剪切变形的影响能够提高计算精度;本文提出的基于离散吊索力及弯矩影响区间的剪力滞分析方法,对于悬索桥加劲梁剪力滞求解具有物理概念清楚、易程序化的优点,且精度较高,但该方法受限于剪力滞微分方程的求解;对于含有较为复杂纵向位移函数的剪力滞问题,采用本文提出的基于插值函数的剪力滞一维梁段有限元法较为方便。