考察鞍座几何构形,在试验及理论分析的基础上,研究空间主缆在三向荷载作用下的力学特性,构建考虑扭转特性的悬索单元模型,确定相关分析参数,建立考虑扭转特性的空间主缆力学行为的计算理论;考虑空间主缆的力学特性和悬索桥施工期强几何非线性,探讨空间主缆悬索桥无应力构形、加工构形、安装构形等确定方法;以此为基础,借鉴斜拉桥施工控制的研究成果,提出若干既有明确功能区别,又紧密相连的子系统组成的悬索桥自适应施工控制系统;进而研究如何处理无应力构形控制和线形(决定于安装构形和挠度)控制、内力控制的矛盾,如何考虑施工误差对成桥偏差的影响,以重点解决空间主缆悬索桥施工各阶段结构参数估计、控制对策和预警模型等核心问题,从而建立悬索桥自适应的构形与作用效应两者协调控制的理论与方法。
main cable;Torsion characteristics;Separation calculation;Coordination control;Three–level warning model
本课题紧紧围绕空间主缆悬索桥构形与效应协调控制的理论与方法,充分利用国内外研究成果,运用桥梁工程、计算力学、数学、试验力学等学科理论和方法展开研究,取得如下成果。(1)揭示了空间主缆扭转特性及扭转效应的力学本质——主缆抗扭刚度低,可按全截面无错动计算抗扭刚度;吊索偏心是造成主缆扭转主要原因。(2)提出了考虑扭转的空间主缆荷载效应分离计算法——主缆扭转与找形可分离计算;通常,吊索张拉到成桥索力20%及以上,其销铰式索夹或骑越式索夹基本上转到使吊索力作用线通过主缆截面中心处的方向,两相邻索夹之间主缆截面扭转角可按距两索夹的主缆无应力长度直线内插;主缆找形可按不计扭转的传统分段悬链线理论计算。(3)建立了空间主缆悬索桥主要构件无应力尺寸确定方法、自适应构形与效应协调控制的理论与方法——从抛物线理论的基本原理出发,考虑弹性伸长对无应力索长和调索公式的影响,提出了小垂度基准索股基于垂度的自适应控制方法;以梁单元无应力构形求解的四种方法为基础,提出顶推梁体立面无应力轴线线形确定的简便方法,明确了梁段预制构形两种形式及其几何要素确定方法;考虑接拼梁相位变化和组拼线形误差,提出了加劲梁施工(顶推)的自适用构形与作用效应协调控制的相位变换法理论与方法;(4)提出了空间主缆悬索桥分级预警模型和预警阈值的确定方法——从满足施工规范的施工误差要求、具有足够安全储备满足或基本满足正常使用极限状态和承载能力极限状态对参数变化限值要求分三级预警,并据此确定各自阈值。研究成果在陕西省汉中市龙岗大桥(三塔自锚式中跨斜拉-边跨悬吊组合索桥)及湖南省张花高速澧水大桥(典型山区地锚式悬索桥)的施工监控中的应用,科学修正了各构件的无应力尺寸和安装的几何参数,合理地确定了施工方案(特别是龙岗大桥体系转换方案),取得了良好效果,并在两大桥架设过程中得到了验证。 课题已在《土木工程学报》、《中国公路学报》等权威期刊上发表论文10余篇(其中标注9篇),被SCI收录1篇、EI收录3篇、ISTP收录2篇。以课题研究成果为重要内容之一的专著《现代悬索桥的静力非线性理论与实践》已完稿,即将出版。申报发明专利6项,已获授权2项。培养的2名博士研究生即将毕业,已培养硕士研究生4人。课题成果已在国内外学术会议上交流近10次。 课题总体上完成了计划任务书规定的任务,基本上达到了预期目标。