大跨度预应力混凝土斜拉桥的空间非线性分析.pdfVIP

·064· 《工程力学》增刊 1999年 大跨度预应力混凝土斜拉桥的 空间非线性分析 石现峰 梁志广 李建中 (石索庄铁道学院文通系。石索庄0500廿) 提要本文应用三维空间有限单元法．结合斜拉桥的实际施工过程，同时考虑斜拉桥的 缆索垂度效应、梁柱嫂应、结构太位移效应，以及混凝土收缩徐变、预应力及其损失、施工中结 构体系转换等各种因素的影响，编制了大跨度预应力混凝土斜拉桥的空问非线性分析软件，并提 供了前后处理功能，可以结合斜拉桥的实际旌工过程，很方便地跟踪分析各种方法施工的预应力 斜拉桥从施工开始到成桥这一整个过程中任一时刻的内力和变形． 关键词斜拉桥预应力混凝土空间非线性分析 1前言 大跨度预应力混凝土斜拉桥以其跨度大、造价低、结构合理、维护方便等优点，越来 越受到国内外桥梁界的青睐．然而，斜拉桥是复杂的高次超静定结构，具有空间受力特性， 其结构内力计算比一般桥梁要复杂，在设计和施工时需要综合考虑各种非线性影响因素和 施工过程的影响． 斜拉桥的非线性影响包括两个方面：材料性质的非线性和结构几何的非线性．材料性 质的非线性主要指混凝土在长期荷载作用下的收缩徐变影响，例如恒载内力与地基变形引 起的内力和变形在斜拉桥内的重分布问题，另外还应包括斜索锚同区局部应力考虑塑性重 分布的影响等；结构的几何非线性影响主要包括三个方面，即索的垂度效应、梁柱效应及 结构的大位移效应．另外，斜拉桥在施工阶段的计算非常重要，特别是主梁在施工阶段的 受力条件往往起控制作用，大跨度预应力混凝土斜拉桥通常采用悬臂施工，施工过程包括 浇筑混凝土(拼装预制梁段)、斜拉索张拉、预应力筋张拉及结构体系转换等，由于斜拉桥是 高次超静定结构，在施工过程中斜拉桥的索力和主梁挠度相互影响，变化幅度很大，成桥 后结构的内力和变形与施工过程有直接关系，应根据施工过程来计算． 本文运用三维空间有限元法结合斜拉桥的实际施工过程，综合考虑大跨度预应力混凝 土斜拉桥从开始施工到成桥这一整个过程中，结构的几何特性、材料特性、所受荷载及结 构体系等诸多因素的影响，编制了大跨度预应力混凝土斜拉桥的空间非线性跟踪分析软 件．该软件提供了简便的数据输人、结构图形的输人、输出显示等前后处理功能．文中对 该软件的开发和功能进行了介绍． 2预应力混凝土空间非线性分析原理 石现峰，女，l卯o．7出生，工学碰士．讲师 《工程力学》增刊 1999年 ·065· 2．1空间非线性有限元 斜拉桥是一种柔性高次超静定结构，即使在正常的设计荷载作用下，截面应力还在弹 性范围内，就表现出较强的几何非线性行为，随着斜拉桥的跨径不断的增大这种非线性愈 显著，因此在进行料拉桥分析时，应考虑几何非线性的影响．引起斜拉桥几何非线性的因 素主要有：i)斜索的垂度效应；2)梁柱口一△)效应；3，结构的大位移．在对斜拉桥的几何 非线性行为进行分析时，一般采用有限元法进行分析，即先将斜拉桥结构离散化为杆、梁 单元组成的结构，然后用几何非线性有限元法进行分析．本文是将主梁和塔离散为空间梁 单元，斜索单元离散为具有初始张力的杆单元，用D地溶正后考虑其垂度效应．下面分别 对梁单元、杆单元的处理过程进行说明，然后介绍本文选用的增量迭代方法及收敛准则． 1璨单元的切线刚度矩阵 粱单元的切线刚度矩阵[七，]由两部分组成：弹性刚度矩阵[七。】和几何刚度矩阵I七。I． 即：[‘]=[t】+【屯J．关于这些刚度矩阵的推导，很多文献中都有非常详尽的过程，这里 不在赘述． 2)杆单元的切线刚度矩阵 斜拉桥几何非线性影响的三个因素之一是斜索的垂度效应，目前通常的处理方法是将 索材料的弹性模量用眈t弹性模量修正后，用杆单元代替索单元，进行斜拉桥几何非线性 分析．EfI哦弹性模量公式为： E』 昼 、’汹2肛。 1+1扫一 式中：E。一一地咯正弹性模量：岛一一斜索材料的弹性模量；∞一一斜索每延米 的重量；P一一斜索两端的张拉力；H一一斜索的水平投影长度；A一一斜索的截面积． 修正后的斜拉桥索单元的切线刚度矩阵为：