斜拉桥非线性分析

《斜拉桥非线性分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、斜拉桥结构的非线性分析斜拉桥是一种柔性结构，是由索塔、加劲梁和斜拉索构成的组合体系结构，斜拉桥以跨越能力大、结构新颖高效而成为现代桥梁工程中发展最快、最貝有竞争力的桥型之一。随着设计理论、计算机技术应用、有限元分析、施工技术、结构风洞实验、减振控制、桥梁检测技术的口趋成熟，现在斜拉桥已成为大跨度桥梁的主要桥型么一。1斜拉桥非线性分析概述斜拉桥结构体系一般表现为柔性的受力特性。与连续梁和桁架梁的结构分析相比较，几何非线性的影响尤为突出，而R影响因素也比较多。特别是对特大跨度的斜拉桥來说，因为斜拉索比较长，索自重产生的垂度就

2、比较大，索的伸长最与索内拉力不成正比关系；整个结构的儿何变形也大，大变形问题很突出，也就是当荷载作用在斜拉桥结构的某个结点上时,该结点将发工位移，荷载也随之移动。这种位移不仅改变了荷载对与结点相连结的杆件的作用方向，而且改变了荷载对结构上其他结点产生的弯矩。如果位移量大，就会严重影响荷载对结构产生的效应；再加上轴向力与弯矩相互作用的影响，使得大跨度斜拉桥的几何非线性分析显得较为复杂。而且随着斜拉桥跨度的增人，其几何非线性的影响也会更加突出。其荷载和变形关系具有非线性。并「L这种非线性影响随跨度增大而愈益显著。引起上述几何

3、非线性关系的因素主要有三个，UIJ：(1)缆索垂度效应(2)梁一柱效应(3)由于大跨斜拉桥的主粱，索截面的相对纤细，引起整个结构在外荷载作用下产生较大的变形。因此，对斜拉桥进行儿何非线性分析是必要的。结构非线性包括材料非线性和几何非线性。材料非线性指的是它的本构关系是非线性的。常用的分析方法冇切线刚度法、初应力法和初应变法。几何非线性指的是大位移问题。在人多数的人位移问题屮，结构内部的应变是微小的。对于像斜拉桥拉索这样的钢材，在设计荷载作用下不会出现很大的应变。因此拉桥的儿何非线性问题属于大位移小应变问题。而材料的应力应

4、变关系可以认为是线性的。当荷载作用在斜拉桥结构的某个结点上，该结点将发生位移，荷载也随Z移动。这种位移不仅改变了荷载相对于与结点相连结的杆件的作川方向，而R改变了荷载对结构上其他结点产生的弯矩。如果位移最人，就严重地影响荷载对结构产生的效应。所以对斜拉桥进行几何非线性分析是很冇必要的。在许多大位移问题中，结构内部的应变是很微小的。由于斜拉索弹性模量值很大，在设计荷载作用下不会出现很大的应变。因此斜拉桥的几何非线性问题是大位移小应变问题。1.1大变形效应大变形效应中的平衡方程[k]0｝不再是线性关系，小变形假设中的叠加原理

5、也不再适用。解决这一矛盾的方法是在计算应力和反力时计入结构位移的影响，也就是位移理论。平衡条件是根据变形后几何位置给出的，荷载与位移并不再保持线性性质，内力与外荷载Z间的正比关系也不复存在。由于结构人变形的存在,产生了与荷载增最不成正比的附加应力。附加应力的计算可以采用逐步逼近的方法。根据结构初始儿何形态，采用线性分析的方法求出结构的内力和位移，使用带动朋标的混合法对儿何位置进行修正，这吋各单元的刚度矩阵也相应有所变化，利用变形后的刚度矩阵和结点位移求出杆端力。由于变形前后刚度不同，产生了结点不平衡荷载，将此不平衡荷载作

6、为结点外荷载作用于结点上再次计算结点位移，如此迭代直至不平衡荷载小于允许范I韦I为止。迭代过程小的初始荷载和每次迭代时的不平衡荷载都是以增量的形式加载的。在每一个荷载增量加载期间假设刚度矩阵为一常数，即增量区间的左端点处对应的刚度矩阵。求解平衡方程，得出该荷载增量下的位移增量，由此对以在该荷载增量区间末对结构的几何位置进行修正，用于下一个荷载增量的计算。这样，每次荷载增量下的结构刚度矩阵和杆端力计算都与当时的几何位置相对应，虽然在各荷载增最的过程中作了线性假设，但只要荷载分得足够细，迭代次数足够多，就可以用这种分段线性來

7、代替大变形引起的非线性。1.2垂度效应拉索两端的相对运动受到索本身三个因素的彫响：（1）索受力后发生的弹性应变受索材料的弹性模量控制；（2）索的垂度变化与索受内张力、索的长度和重力控制。抗拉刚度随轴力的变化而变化，索的拉力若为零或受压，则抗拉刚度变为零。垂度变化与索的拉力不是线性关系。（3）在荷载作用下，索中各股钢丝作相对■运动，重新排列的结呆使索的横截而排列的更加紧密。由于这种变化引起的伸长叫做构件伸长。构件伸长大部分是永久持续的，它发生在一定的张力Z下，因此，町在缆索的制作过程中，來用预张拉的办法消除。而非永久性的那

8、部分伸长可以通过折减的有效弹性模量疋出來考虑。£尬是独立于索内张力的量。考虑斜拉索非线性变化的简便方法是把它视为与它的弦等长度的桁架肓杆，如图1所不，其等效弹性模量包括材料变形、构造伸长和乖度变化三个因素的影响，其表达式称为Ernst公式，即:Eeff(”)2/12/也#经过这样处理后，斜拉索的单元刚度矩阵和空间或平