空间缆索自锚式悬索桥的无差别坐标杆分析模型

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。 2100433B

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。

2021年6月29日，“世界第一宽”空间双索面自锚式悬索桥——灞河元朔大桥正式通车。

符合实际和便于工程应用的杆恢复力模型是结构弹塑性分析的关键。作为一种新型杆恢复力模型，杆内时模型的研究刚刚起步，考虑到它所具有的鲜明特色和优点，深入探讨它对各种材料杆本构特性描述的合理性、完善其理论基础很有必要。杆内时模型通过截面内时本构方程描述杆截面处内力与变形之间的关系，并利用杆有限元方法反映弹塑性沿杆长的分布特性，从而最终反映杆端力与杆端位移的关系。主要研究内容：深入探讨杆在各种复合受力条件下截面综合内时模型的合理形式；研究杆内时模型关于弹塑性沿杆长分布的合理描述；探讨杆内时模型对几种常用工程材料杆的适用性；提出适用于结构分析的杆内时模型数值计算方法；进行钢筋混凝土和型钢混凝土杆的复合受力试验；将本模型与通用程序分析结果和试验结果进行对比，验证本模型的合理性和可靠性。本项目研究的目的是完善杆内时模型的理论基础、给出建立模型的可靠方法，使杆内时模型成为合理可行的杆恢复力模型。 2100433B