空间缆索自锚式悬索桥的无差别坐标杆分析模型

This study is aimed at the fact that, it is always complex for traditional manners to deal with the calculational problems of self-anchored suspension bridges with spatial cables; based on the main features of such structures on compatibility deformation, a “key function analytical model” and specific numerical algorithms are constructed to study the practical calculational methods of such structures, and 2 facets are included: 1) study the key function models that can reflect the coordination of “cable-tower-deck” in different states, and their transformation mechanisms; 2) combining the transformation mechanisms of the model with the analytical theories, develop the numerical algorithms of the total bridge for the finished dead load and unloaded states, the static analysis on different cases of external loads and the construction process with mixed stretching forms, and further study the automated design algorithms for the hanger installation plan under multiple constrained conditions, in order to avoid the limitations of the current methods, such as “only applicable in a specified condition”, “complexity” and “easy divergence” and etc. The studies can preliminarily reach a level of obtaining the different mechanical states of the bridge by efficient datamation analysis, which are of significant academic value and realistic meaning in guiding the design and construction of such structures.

本课题针对传统方法在处理空间缆索自锚式悬索桥计算问题时的局限性，基于该类桥梁协调变形的主要特征，提出一种“核心作用分析模型”并构建特定数值算法研究该类桥梁的实用分析方法，主要包含二个方面：(1)研究能准确反映各种情况下“索-梁-塔”协作体系特性的核心作用模型及其演化机理；(2) 联合模型演化机理与解析理论，发展成桥与空缆状态，静力分析中不同荷载以及施工过程中各种混合张拉方式下全桥平衡态的高效数值类算法，并进一步建立多重因素制约下吊索张拉方案的自动化设计算法，从而避免当前分析方法的状态限定、步骤复杂和易发散等多种局限性。研究成果可初步达到适用于全桥不同力学阶段的高效数据化分析，对于指导该类桥梁的设计与施工具有重要的学术价值和现实意义。

空间缆形自锚式悬索桥作为近年来国内外最新颖的桥型之一，逐渐受到业内设计者的青睐。空间曲线索形和倾斜吊杆不仅增强了桥梁的横向刚度、稳定性和动力力学性能，也给城市带来了美观的要素。然而，该类桥梁高度的非线性特征使得初步设计和施工设计变得复杂。传统的解析方法误差过大，无法用于复杂结构空间力学问题的求解，而仅仅依靠精细化非线性有限元法，同样难以稳定地获得成桥状态，并且在处理施工设计时仍将面临巨大的工作量。因此，部分计算软件倾向于利用三维缆索体系找形的数值迭代方法来辅助非线性有限元的全桥模型进行设计，可从一定程度上解决成桥状态的计算问题。但是，当前已有的数值迭代方法存在多种局限性，使得对该类桥梁实施初步和施工设计的效率依然偏低。鉴于当前结构设计领域对于精度和效率的同步追求，有必要针对该类桥梁的特殊性研究更为实用的设计计算方法及策略。. 本课题基于空间缆形自锚式悬索桥以轴向变形为核心变形的力学实质，建立一种特定的简化杆单元模型及其相应求解算法，在设计全程为精细化非线性有限元的有效分析同步提供必要的力学信息，以期显著提高该类桥梁的设计与计算效率。该简化模型提取至全桥核心变形的独立平衡体系，用以决定构件无应力长度和表征体系的各种平衡状态，并利用拱桥合理拱轴与平衡悬索相似的力学特点，建立了以求解线性有限元方程组为基础的稳健迭代算法，同时配合小变形解析理论等效考虑了梁柱效应的影响。该方法能够在初步设计阶段快速获取全桥无应力参数和无应力状态，并通过扩展算法自动生成吊索张拉步骤，从施工初态到成桥的各阶段跟踪提供结构的关键力学信息，在计算准确的同时以最大程度降低了非线性有限元法参与设计过程和过多人工干预所带来的巨大工作量。本课题方法的计算精度、稳定性及效率均通过实桥算例与现有方法进行了比较，并取得了较高的评价结果，可为该类桥梁的设计、施工以及二次开发专用的辅助设计程序提供参考。