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斜拉桥索力优化及程序设计

作　者: 李波
导　师: 杨美良
学　校: 长沙理工大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 斜拉桥 索力优化 影响矩阵法 疲劳可靠度 弯曲应变能
分类号: U448.27
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 415次
引　用: 5次
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内容摘要


斜拉桥作为一种由索、塔和梁组成的组合体系桥梁结构，以其跨越能力大，结构新颖而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一。斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，它承担了施工阶段和成桥后正常运营阶段的大部分荷载，索力合理与否直接决定了斜拉桥施工阶段结构的受力安全和成桥后结构内力的合理分布。斜拉桥索力的正确确定是实现合理成桥状态的首要任务，通过调整索力来改变结构的受力分配，对优化其受力尤其重要。本文在分析国内外各种斜拉桥索力优化方法的基础上，按照平面杆系有限元理论建立模型，依据影响矩阵理论以斜拉桥结构的弯曲应变能最小为目标函数，并以斜拉索的疲劳可靠度目标作为约束条件，得出实现斜拉桥合理索力的确定方法。在推导作为约束条件的疲劳可靠度公式时，依据等效疲劳损伤原理，将车辆荷载等效为模型车辆荷载频值谱；利用蒙特卡罗法随机抽样模拟出斜拉索的应力时程；假定结构疲劳寿命服从威布尔分布，推导出拉索的疲劳可靠度公式。在上述理论方法的基础上，采用面向对象的编程语言FORTRAN编制了索力优化设计软件GPOM，该程序可以方便、快捷地分析计算斜拉桥施工初张力。并以株洲市芦凇大桥主桥部分为算例，对程序的可靠性和有效性进行了验证。同时分别考虑主塔、主梁部分的弯曲、拉压应变能对斜拉桥整体受力性能的影响得出了优化索力，并由此进行了一系列相关分析，结果表明索力优化能明显改善斜拉桥主梁的受力性能。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 斜拉桥的发展概述  10-12
    1.1.1 斜拉桥的结构特点  10
    1.1.2 斜拉桥的发展历史  10-11
    1.1.3 斜拉桥的发展趋势  11-12
  1.2 斜拉桥结构分析理论的研究现状  12-14
    1.2.1 斜拉桥平面分析  12
    1.2.2 斜拉桥空间分析  12-13
    1.2.3 斜拉桥几何非线性分析  13
    1.2.4 其它计算问题  13-14
  1.3 问题的提出  14-16
  1.4 本文的主要工作  16-18
第二章 斜拉桥索力优化理论  18-33
  2.1 最优化问题概述  18-20
    2.1.1 最优化设计基本思想  18
    2.1.2 索力优化模型  18-20
  2.2 斜拉桥索力优化理论  20-23
    2.2.1 指定受力状态法  20
    2.2.2 索力的无约束优化方法  20-21
    2.2.3 索力的有约束优化方法  21-22
    2.2.4 各优化索力理论的比较  22-23
  2.3 以拉索可靠度为约束条件的索力优化理论  23-30
    2.3.1 以弯曲能量最小为优化目标的索力优化模型  23-25
    2.3.2 拉索的修正疲劳可靠度公式推导  25-27
    2.3.3 应力时间历程的确定  27-30
  2.4 有约束的梯度投影方法  30-32
    2.4.1 梯度投影法计算步骤  30
    2.4.2 梯度投影法流程图  30-32
  2.5 小结  32-33
第三章 索力优化程序中的有限元分析  33-53
  3.1 概述  33-34
  3.2 杆系结构类型及局部坐标系的选取  34-36
    3.2.1 杆系结构类型  34-35
    3.2.2 局部坐标系  35-36
  3.3 局部坐标系下的铰结杆单元刚度矩阵  36-38
  3.4 局部坐标系下的梁单元刚度矩阵  38-45
    3.4.1 势能驻值原理  38
    3.4.2 基本假设  38-39
    3.4.3 梁单元总势能在局部坐标系中的表达式  39-43
    3.4.4 利用势能驻值原理建立单元平衡方程  43
    3.4.5 K~e的具体计算  43-44
    3.4.6 承受轴力、剪力和弯矩的平面梁单元  44-45
  3.5 坐标变换  45-49
    3.5.1 坐标变换时矢量分量的变换规律  45-47
    3.5.2 梁单元的坐标变化矩阵  47-49
  3.6 结点静力平衡方程组和结构刚度矩阵  49-52
    3.6.1 结点静力平衡方程  49
    3.6.2 用结点位移表示单元结点力  49-50
    3.6.3 单元刚度矩阵的膨胀与结构总刚度矩阵  50-51
    3.6.4 引入支承约束条件后的结点平衡方程组  51-52
  3.7 小结  52-53
第四章 结构刚度矩阵的计算机解法  53-65
  4.1 结点约束信息表和单元定位数组  53-56
    4.1.1 结点约束信息表  53
    4.1.2 单元定位数组和受约束结构刚度矩阵的组集  53-56
  4.2 刚度矩阵的变带宽存储方式  56-60
    4.2.1 列高及其确定方法  56-58
    4.2.2 按变带宽存储组集受约束结构的总刚度矩阵  58-60
  4.3 实对称正定矩阵的LDLT分解  60-62
    4.3.1 矩阵的因子分解  60-61
    4.3.2 对称正定矩阵的LDLT分解算法  61-62
  4.4 变带宽存储下的LDLT分解算法  62-64
  4.5 小结  64-65
第五章 有约束索力优化程序GPOM及其应用  65-77
  5.1 程序综述  65-67
    5.1.1 概述  65-66
    5.1.2 GPOM数据文件系统  66-67
  5.2 自由格式输入数据的程序实现过程  67-70
    5.2.1 基本思想  67-68
    5.2.2 可输出的数据文件  68
    5.2.3 自由格式数据文件管理系统的应用  68-70
  5.3 斜拉桥有约束优化分析算例  70-75
    5.3.1 工程概况  70-71
    5.3.2 索力优化及结果分析  71-75
  5.4 小结  75-77
结论与展望  77-78
  结论  77
  展望  77-78
参考文献  78-82
致谢  82-83
附录  83

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 各种桥梁 > 桥梁：按结构分 > 斜拉桥
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