大跨度悬索桥空间几何非线性分析与软件开发

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1、西南交通大学博士学位论文大跨度悬索桥空间几何非线性分析与软件开发姓名：唐茂林申请学位级别：博士专业：桥梁与隧道工程指导教师：强士中20030601摘要本文是围绕桥梁结构几何非线性分析与软件开发而展开的，并重点针对悬索桥进行分析。全文主要包括两大部分：悬索桥主缆线形计算部分和桥梁结构几何非线性分析部分。悬索桥线形计算部分的主要内容如下：首先，介绍了悬索桥的传统线形计算理论——抛物线理论；根据悬索桥的特征，建立了悬索桥主缆线形计算的精确理论——分段悬链线理论；并由此比较了分段抛物线法、分段直线法及传统抛物线理论的误差和适用范围；分析了索长变化、跨度变

2、化及主缆变形引起的恒载重分布对主缆线形的影响。其次，根据悬索桥恒载设计理想状态建立了悬索桥施工计算原理；以分段悬链线索理论为基础，推导了悬索的线形变化刚度和悬索支点的滑移刚度；介绍了悬索桥成桥设计线形计算、吊索无应力长度计算、空缆线形与预偏量计算、丝股架设线形计算、索夹安装位置计算和加劲梁吊装线形计算的具体方法、数值算法及软件SGKZ2000的计算模块的实现。再次，介绍了悬索桥的施工控制内容与方法，利用软件SGKZ2000对多座悬索桥进行了施工计算，提出本文关于悬索桥的主缆无应力长度控制、索鞍预偏量控制、锚跨张力控制、丝股架设控制、索夹安装位置与

3、吊索长度控制的方法；介绍了吊梁阶段鞍座顶推量的确定与控制方法，分析了施工阶段悬索桥的线形变化过程。桥梁结构几何非线性分析部分的主要内容如下：首先，建立了计算精度不依赖于切线刚度矩阵且在理论上能收敛到精确解的几何非线性求解方法；根据求解方法的特点，介绍了为实现高精度的计算结果的外荷载矢量及内力矢量的计算方法；介绍了空间大转动问题的坐标系确定和坐标转换矩阵及直接根据局部坐标系与截面坐标系计算转动变形的方法：介绍了在几何非线性分析中梁单元、杆单元、索单元、索膜(杆面)单元、鞍座单元、支承单元、刚臂、单向受力单元、单元间隙、单元自由度放松等问题的处理方法

4、。其次，介绍了对任意指定结构的几何非线性分析原理、施工阶段几何非线性计算原理、考虑几何非线性的活载加载位置与最不利值的计算原理、车队行驶静力时程分析原理、非线性结构的自振特性和结构动力反应分析原理等，其中包含了相应的计算程序模块的编制方法，形成了一整套考虑桥梁结构所有几第lI页西南交通大学博士研究生学位论文何非线性因素的桥梁结构分析方法。再次，介绍了本文编制的悬索桥主缆设计与施工计算专用软件SGKZ2000和桥梁结构空间几何非线性静动力分析软件BCAS2000的主要特点与功能、工程应用情况、界面及编程技术；给出了软件验证过的部分经典算例及比较，对

5、软件的精度和可靠性加以了验证。最后，比较了试验测试数据与BcAs2000软件的计算结果，验证了BCAS2000的可靠性；对加劲梁铰接法施工的悬索桥进行了恒载内力分析；对多座悬索桥进行了风载、温度变化、车辆活载效应分析；对不同的非线性加载模式和荷载组合方法进行了比较；对悬索桥的扭转刚度、横向刚度、竖向刚度进行了参数分析与机理分析。关键词主缆线形，分段悬链线，施工控制，几何非线性有限元分析，改进的迭代法。AbstractThispaperconcernsgeometricnonlinearanalysisofbridgestructureandsof

6、twaredevelopment，mainlyconcentratingontheanalysisforsuspensionbridge．Itconsistsoftwoparts，calculationofcableCalVeforsuspensionbridgeandgeometricnonlinearanalysisofbridgestructure．111emaincontentsaboutcalculationofcablecurveforsuspensionbridgesare船follows：Firstly,parabolatheor

7、y,atraditionalcalculationtheoryoflinetypeforsuspensionbridge，isintroduced．Accordingtobehaviorofsuspensionbridge，segmentalcatenarytheorywhichiSanexactcalculationtheoryofcablecurveforsuspensionbridgesisthenbuilt．Afterthat，theerrorsandadaptablerangeofsegmentalparabolatheory,segm

8、entalstraight·linetheoryandtraditionalparabolatheoryarecomparedonean