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混合梁斜拉桥成桥索力优化研究

作　者: 章芳芳
导　师: 杨德灿
学　校: 武汉理工大学
专　业: 公路桥梁与渡河工程
关键词: 混合梁斜拉桥约束条件零阶方法一阶方法合理成桥索力
分类号: U448.27
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,随着高强度材料的不断发展和应用以及结构分析方法和施工手段的不断进步,现代斜拉桥在世界范围内得到了迅速发展。在一些大跨度斜拉桥的竞标中,混合梁斜拉桥因其结构自重轻,受力性能好,施工方便快速,已逐渐在竞争中显示出其优越性。混合梁斜拉桥的主梁在纵向采用两种不同的材料,材料结合处一般设置在桥塔附近。两种材料的结合可以有效地发挥钢和混凝土材料的优点,节约经费,提高主梁的跨越能力。混合梁斜拉桥的索力优化是设计中的关键问题,因为斜拉索索力在很大程度上决定了成桥内力的好坏。本文在总结前人优化方法的基础上,结合混合梁斜拉桥的结构特点,主要对混合梁斜拉桥在恒载下的索力以及在恒活载共同作用下的索力,分别进行优化研究。研究内容如下：1)考虑结合处弯矩限值的混合梁斜拉桥恒载索力优化。以塔梁的弯曲和拉压应变能之和为目标函数,以斜拉索的初张力为设计变量,成桥索力和主梁钢混结合处的弯矩为约束条件,确定合理成桥状态下的索力。在优化过程中,改变结合处弯矩的限制范围,分析成桥下的内力和位移随限制范围变化的规律,确定最合理的结合处弯矩限制范围以及最优索力。2)考虑恒活载共同作用的混合梁斜拉桥索力优化。在恒载索力优化的基础上,引进活载,利用应力平衡法,得出主梁关键截面的弯矩可行范围,作为最后优化的约束条件,以斜拉索的初张力为设计变量,以塔顶的水平位移最小为目标函数进行索力优化。本文以某混合梁斜拉桥为工程背景,应用通用有限元软件ANSYS建立全桥空间模型,结合ANSYS优化模块中的零阶和一阶方法进行求解。计算表明：在恒载下,将弯矩限制在0.3—0.5倍的主梁最小和最大弯矩范围内,得到的成桥状态合理,索力从塔至边墩呈均匀增长趋势,主梁弯矩图变化平顺,结合处弯矩较小,而且结构的变形小。以恒载优化方法、应力平衡法和以塔顶的水平位移最小为目标的有约束法相结合的综合法,全面考虑了恒载和活载以及预应力,得到的成桥状态合理。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-18
  1.1 引言  10-13
    1.1.1 斜拉桥概述  10-11
    1.1.2 混合梁斜拉桥的国内外发展概况  11-13
    1.1.3 混合梁斜拉桥的适用范围  13
  1.2 混合梁斜拉桥的特点  13-15
    1.2.1 混合梁斜拉桥的优点  13-14
    1.2.2 混合梁斜拉桥的构造特点  14-15
  1.3 国内外斜拉桥索力优化研究现状  15-16
  1.4 本文的研究工作及意义  16-18
第2章斜拉桥成桥合理索力的确定  18-25
  2.1 概述  18
  2.2 确定合理成桥索力的常见方法  18-23
    2.2.1 刚性支承连续梁法  18-19
    2.2.2 最小弯曲能量法  19-22
    2.2.3 内力平衡法  22-23
    2.2.4 有约束优化法  23
  2.3 各类索力优化方法的优缺点  23-24
  2.4 小结  24-25
第3章索力优化在通用软件中的应用  25-30
  3.1 软件介绍  25
  3.2 优化设计功能  25-28
    3.2.1 优化设计的定义  25
    3.2.2 优化基本要素  25-26
    3.2.3 分析文件  26
    3.2.4 数学优化方法  26
    3.2.5 数学优化工具  26-27
    3.2.6 优化步骤  27-28
  3.3 本文所用单元介绍  28-30
    3.3.1 BEAM4单元  28-29
    3.3.2 LINK8单元  29-30
第4章混合梁斜拉桥成桥索力优化方法的确定  30-37
  4.1 混合梁斜拉桥成桥合理索力确定的原则  30
  4.2 成桥索力优化的综合方法  30-31
  4.3 合理恒载成桥索力的确定方法  31-33
    4.3.1 优化目标的选取  31
    4.3.2 约束条件的选取  31-32
    4.3.3 优化算法  32-33
  4.4 应力平衡法确定主梁恒载弯矩可行域  33-36
    4.4.1 应力平衡法的原理  33-34
    4.4.2 应力平衡法的计算方法  34-36
    4.4.3 具体应用步骤  36
  4.5 有约束方法确定最终索力  36-37
第5章算例分析  37-58
  5.1 工程概况  37-40
  5.2 计算模型  40-42
    5.2.1 节点设置的原则  40-41
    5.2.2 单元、支座的模拟和荷载的施加方法  41
    5.2.3 荷载的施加方法  41-42
  5.3 控制截面的选择  42
  5.4 斜拉桥非线性的实现  42-43
  5.5 成桥恒载索力的确定  43-49
    5.5.1 目标函数的提取  43-45
    5.5.2 约束条件的提取和设置  45-46
    5.5.3 优化算法  46
    5.5.4 结合处弯矩的合理限制范围  46-49
  5.6 应力平衡法确定弯矩"可行域"  49-55
    5.6.1 活载下的上下缘最大、小应力  50
    5.6.2 控制截面的预加力  50-53
    5.6.3 控制截面的弯矩"可行域"  53-55
  5.7 以塔顶的水平位移最小为目标确定最优索力  55-58
第6章结论与展望  58-60
  6.1 结论  58-59
  6.2 展望  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-64
攻读硕士学位期间发表论文  64

混合梁斜拉桥成桥索力优化研究

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