复杂边界条件下索结构的内力识别方法研究

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1、博士学位论文复杂边界条件下索结构的内力识别方法研究作者姓名甘泉学科专业桥梁与隧道工程指导教师王荣辉教授所在学院土木与交通学院论文提交日期2015年5月EstimationMethodofTensioninCablesunderComplexBoundaryConditionsADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorofPhilosophyCandidate：GanQuanSupervisor：Prof.WangRonghuiSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,

2、China分类号：U443.38学校代号：10561学号：201010101668华南理工大学博士学位论文复杂边界条件下索结构的内力识别方法研究作者姓名：甘泉指导教师姓名、职称：王荣辉教授申请学位级别：工学博士学科专业名称：桥梁与隧道工程研究方向：桥梁结构稳定与振动论文提交日期：2015年5月20日论文答辩日期：2015年5月30日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：崔杰委员：张俊平，王湛，王卫锋，王荣辉摘要随着一系列缆索减振方法的应用，索结构的边界条件愈发复杂，给其内力的识别增加了难度，传统的方法在应用于复杂边界条件

3、时，将带来难以估计的误差，因此对复杂边界条件下拉索结构的内力识别方法进行研究势在必行。本文结合大跨缆索承重体系桥梁索力识别中的难点问题，对两端固支、中间弹性多支承、带减振架等复杂边界条件下索结构的内力识别方法进行了深入系统的研究，主要完成了以下工作：（1）基于拉索横向振动方程通解，推导出了可用于多种边界条件的索杆内力计算的统一实用公式，该公式只需在弦理论索力计算公式的基础上乘以修正系数K，且可n采用多阶频率进行索力计算。具有形式简洁、精度高、误差可预知性、可显式计算拉索截面抗弯刚度等优点，工程应用简便且精度可靠。（2）结合动态刚度矩阵法的思想，选择随

4、频率变化的动态单元位移模式，推导了单元刚度矩阵和质量矩阵，构造了用于索力识别的精确动态梁单元，编制了基于该单元的拉索内力识别程序。通过与常规梁单元的对比可知，本文提出的索力识别方法具有精度高、计算耗时少等明显优势。（3）基于能量变分原理，采用本文提出的精确动态梁单元，提出了多弹性支承拉索索力的有限元计算方法。该方法可以充分考虑各种复杂边界条件的影响，突破了既有方法只能计算简支或固支边界条件的局限性，可考虑减震器的减振刚度、转向块、护筒（护套）的作用及多点弹性支承边界的影响。室内试验和实际工程测试结果均表明该方法具有较高的精度。（4）采用稳定函数作为单

5、元的横向位移插值函数，构造了一种空间两节点梁单元，并提出了减振架刚度和质量的等效方法，通过等效处理，既简化了带减振架吊索系统的有限元模型，又如实反映了系统内各构件之间的相互作用，确保了索力识别的精度。最后编制了相应的内力识别程序。通过对两座大跨度悬索桥实际工程的吊索索力进行实测，结果表明本文方法精度高且实用性强。（5）从悬索微段的力学平衡原理出发，通过求解单元的平衡微分方程得到了单元刚度矩阵的解析表达式，构造了一种可用于悬索找形的精确悬链线单元，提出了以“形”找“力”的新方法，编制了相应的吊索内力识别程序，可对所有吊索的内力一次性识别。算例验证结果表

6、明与常规频率法相比，本文方法更高效，可实现主缆线形与吊索索力的同步监测。I关键词：缆索体系；索力识别方法；复杂边界条件；索力测试；精确动态梁单元IIAbstractAlongwiththeapplicationofaseriesofthecablevibrationcontrolmethod,theboundaryconditionsofthecablestructuresbecomemorecomplex,whichincreasesthedifficultytoestimatetheirinternalforces.Undercomplexbou

7、ndaryconditions,thetraditionalmethodwillbringincalculableerrorandthereforeisnotapplicableanymore.Itisimperativetoinvestigatethemethodsofestimatinginternalforceincablesystemsundercomplexboundaryconditions.Inthispaper,aimingatsolvingthechallengingproblemsintheidentificationofcabl

8、etensionofthelargespancablesupportedbridge,wehaveinves