大跨径斜拉桥结构稳定性分析

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1、大跨径斜拉桥结构稳定性分析-->第一章绪论1.1研究目的与意义随着改革开放新阶段的到来，我国经济再次迈向高速发展的新阶段。全国几大高速干线建设也在快速推进，国内高速路网也已经基本成型。跨越大江大河，跨海和跨大峡谷的特大型公路桥梁项目也如雨后春笋般分分上马。随着现代材料水平和施工工艺、工法的改进，桥梁的跨径和施工速度都有了飞跃式的提升，500米、千米级的特大型公路桥梁也屡见不鲜[1]。现代计算机技术的发展，对于结构电算水平的提升也是飞跃式的，原本采用传统解析法很难解决的工程问题如：混凝土水化热分析、收缩

2、徐变效应分析、钢箱梁局部屈曲问题和斜拉、悬索特大桥的抗风稳定和动力性能研究等等都能够通过大型计算机进行相对较为精确的数值模拟分析得出结论。所以伴随着计算机运算能力的提升，大量工程人员和学者都开始探索和研究一些原本让人困惑的工程难题。在连续刚构桥、箱型拱桥、斜拉桥和悬索桥这几种常见大跨径桥型中斜拉桥在主跨500米到1000米范围内经济技术指标较为理想，且施工工艺相对较为成熟，具备竞争力，所以在该跨径的公路桥梁中斜拉桥是一种较为常见的桥型[2]。在城市跨越大江大河的斜拉桥中由于大型城市人口近年来呈井喷式增

3、长，斜拉桥逐步向超大跨径，超宽桥面板方向发展。同时斜拉桥主塔就不可避免的往高耸、薄壁、高强、轻质方向发展[3]。这样斜拉桥在跨径越做越大，线条越来越纤细的同时也就出现了一系列问题。虽然随着高强混凝土和高强钢材的不断创新，桥梁结构为了加大跨径和运营阶段的负载能力同时兼顾外形美观的设计要求能够不断的通过缩小主梁和主塔截面几何尺寸来实现，同时结构的强度验算也能够满足[4]，但随之而来的稳定问题就显得十分突出。我国招宝山大桥就是个很好的例子，该桥在设计阶段注重常规的静力验算，而忽略了箱梁的局部失稳分析导致施工

4、中由于局部梁段压馈屈曲，发生严重的垮塌工程事故[5]。虽然截止目前尚无可查的斜拉桥整体性失稳事故出现，但作为高耸高应力状态的混凝土受压构件斜拉桥混凝土主塔的稳定问题应该加以重视，并分析斜拉桥的整体和局部稳定性和极限承载能力。在钢箱梁斜拉桥中，在主塔附近的梁段承受巨大的水平压力，则其局部失稳也十分重要。本文依托某特大公路桥，分析研究了该桥的第一类和第二类稳定性，同时对比了几何非线性对其稳定性的影响。为该大桥设计施工提供有力的专项分析依据，也为今后同类型桥梁提供参考借鉴。......1.2国内外研究现状在

5、结构稳定理论领域自从十八世纪中期欧拉提出并论证了理想弹性压杆屈曲理论，到十九世纪初弹塑性稳定理论逐步被认可。现代学者后来提出的侧倾稳定理论又对结构稳定做了另一个方向的补充和完善。在具体的斜拉桥稳定分析领域中由最开始的平衡微分方程解法到之后的最小势能法，再到现在随着计算机运算能力提升带来的被广大工程人员和学者普遍采用的大型空间有限元数值模拟分析计算方法。有限元分析方法首先建立有限元基本平衡方程（或增量平衡方程），由结构基本几何、材料参数求解结构刚度矩阵和外力列向量，最后求解线性（非线性）方程组求解结构位

6、移向量，进而得到结构中各节点位移[6]。在斜拉桥非线性分析理论中国内学者刘磊提出了三维连续体虚功增量方程来分析结构几何非线性影响，首先建立T+△T时的平衡方程，分别选用了TL矩阵（完全拉格朗日矩阵，始终以0时刻为参考逐次迭代）。选用了UL矩阵（更新的拉格朗日矩阵，每次迭代采用前次迭代的几何刚度矩阵为参考，逐次更新）[9]。2006年同济大学肖汝成教授在关于苏通大桥的稳定研究报告中总结归纳了斜拉桥稳定分析中常用的分析计算方法和业界相对认可度较高的斜拉桥稳定评价标准[10][11]。本文深入研究了大跨径双

7、塔斜拉桥的整体稳定问题。结构稳定分析基本理论目前相对成熟。虽然在双重非线性稳定问题中关于任意截面材料弹塑性影响这一问题还未能得到很好的解决，大跨径斜拉桥的稳定性评价体系还未完善，但对于大跨径斜拉桥的第一类稳定分析和大变形条件下的几何非线性稳定问题，目前的大型有限元分析软件已经可以解决。本文根据结构稳定理论以某长江公路斜拉桥为研究背景，采用桥梁通用有限元软件MidasCivil对该桥进行了全施工阶段模拟，选取典型施工阶段进行稳定分析，计算得出该桥的第一类稳定系数和几何非线性稳定系数，并对该桥的结构稳定性

8、进行评价。......第二章斜拉桥稳定分析基本理论2.1杆系稳定理论的发展及分类关于结构稳定问题方面的研究已经有很久远的历史了。距今两百多年前欧拉就系统的提出、论证了理想压杆理论，并且还对弹性压杆屈曲的理论进行了验证[12]。此后十八世纪八十年代法国数学家亨利庞加莱在流体力学的层流稳定问题中又对稳定理论作了进一步的阐述，使得稳定的概念更加清晰明了[13]。自十九世纪末塑性稳定的理论解被认可后，直到二十世纪初力学家布里安完成了对简支矩形板单向均匀受压的分析