1、PDF外文：http:/ 7500 字 出处： Ren W X. Ultimate Behavior of Long-Span Cable-Stayed BridgesJ. Journal of Bridge Engineering, 1999, 4(1):30-37. 大跨度斜拉桥的力学性能 任维新 摘要 :本文撰写主要研究大跨度斜拉桥失效的非线性静态和力学性能，并评估斜 拉桥的整体安全性能。其中，涉及了几何与材料非线性分析。几何的非线性是由于缆索垂效应、轴向弯曲力的相互作用以及大变形效应引起。而当一个或多个桥 梁元素超出它们各自的弹性极限时，也会呈现出
2、材料的非线性。以我国正在施工建设的大跨度斜拉桥为例：该桥中跨为 650m，主梁采用钢箱梁，塔柱为钢筋混凝土结构。根据极值点失稳的概念，在恒载作用下引起的构件稳定变形时，开始进 行桥梁的极限承载能力分析。相关的钢梁硬化和主梁支撑条件对桥梁极限承载力 的影响，人们已做了研究。结果显示几何非线性对桥梁性能的影响比材料非线性 小得多。大跨度斜拉桥的整体安全性主要取决于桥梁各自相关的材料非线性性 能。然而，根据分界点失稳原理，计算所得的临界荷载大大超出了桥梁的实际安全值。所以，大跨度斜 拉桥的极限承载能力分析和健全性评估，应根据极值点失 稳原理，并且必须标出桥梁从加载到破坏的拉伸性能。 前言
3、 梁体通过拉索倾斜张拉固定的设计概念可以追溯到公元七世纪（ Fleming1972），但现代斜拉桥的兴起始于 20 世纪 50 年代中期。现代斜拉桥在桥梁工程中 日益普及的原因，可归结以下几点：（ 1）桥型美观；（ 2）能充分和有效地利用结构的材料性能；（ 3）增大的刚度超过悬索桥；（ 4）施工方法高效、快捷 ； （ 5）桥梁构造尺寸相对较小。 过去 40 年来，大跨度斜拉桥取得了快速的发展。斜拉桥正进入一个崭新的时 代：中跨长度达到 400 1000m，甚至更长。随着中跨跨度的增大，斜拉桥趋向于使用更薄和更细长的加劲梁，这能符合空气动力学的要求。鉴于此情形
4、，在活载和外界引发的动荷载（如撞击，风和地震）作用下，桥梁安全（强度、刚度和稳 定）的日益重要性在设计和施工中应给予关注。 大跨度斜拉桥呈现出荷载作用下的非线性特征。众所周知，大跨度缆索承重 结构是由高几何非线性的复杂结构件组成。 斜拉索的非线性轴向拉伸性能，应由于自重引起的下垂（垂效应）引起的不同张拉应力大小。 塔梁上，轴向荷载和弯矩的组合效应。 结构几何变形产生大位移。 此外，在极限承载能力分析和健全性评估中，应包括每个桥梁因素（包括屈 服）的非线性应力 -应变状态。 许多研究者提出了不同的分析方法来解决这类高度非线性结构（
5、如 Baron 和 Venkatesan1971；唐 1976 年；科莫 1985 年）。 有些研究者忽略了非线性因素 （ Krishnaetal.1985），而其他学者考虑一个或多个这类因素。斜拉桥非线性分析集中在平面（ Fleming1979）或空间 (Nazmy 和 Abdel-Ghaffar 1990；Kanok-Nukulchai 和 Guan 1993)的几何非线性变化。然而，当同时对几何与材料非线性进行分析时，结果表明：材料的非线性对大跨度斜拉桥非线性静力变 化起着决定的作用。该分析在大跨度节段混凝土斜拉桥上尤为正确。 事实上，斜拉桥极限承载能
6、力通常取决于涉及材料弹塑性和大变形的稳定条件。在结构设计中，随着极限状态设计法而非容许应力法的不断普及应用，了解 和研究的大跨度斜拉桥结构的整体力学性能变得尤为重要。根据极值点失稳原 理，本文研究建成状态下大跨度斜拉桥的非线性静态和力学性能。在分析中，同 时涉及了结构的几何与材料非线性。本文也研究了某些参数， 如钢箱梁材料硬化和梁的支撑条件。所有的分析均始于桥梁恒载下的稳定构件变形。主要目的为了 综合理解静态下的力学性能和评价大跨度斜拉桥的整体安全性。 非线性的注意事项和安全性评价 非线性分析中的注意事项 斜拉桥是通过斜拉索沿主梁长度多点弹性支承的复杂非线性
7、结构体系。虽然材料的性能呈线性弹性变化，但整体的荷载 -位移反应可能呈现出低于正常设计 荷载下的非线性 (如 Fleming 1979； Nazmy 和 Abdel-Ghaffar1990)。在荷载作 用下，桥梁变形可引起结构几何变化，这呈现出几何的非线性。如上文所述，通 常几何非线性有三个来源：（ 1）缆索的垂效应；（ 2）轴向力和弯曲的相互作用；（ 3）大变形。 为解决斜拉索下垂挠度问题，普遍的做法是采用是等效弹性模量法 ,这一计 算方法首次由恩斯特于 1965 年提出： 其中， Eeq=等效弹性模量； E =斜拉索的有效弹性模
8、量； L0=水平投影拉索长度；=单位体积内拉索的重量； =拉索拉应力。 (1)当拉索的拉伸应力为 时，给出瞬时切向等效弹性模量的大小。在一定 荷荷增量下，拉索应力变化从 到 、则正切方向的等效弹性模量为 (Nazmy 和Abdel-Ghaffar1990)： 正如所有结构的非线性分析 ,大跨径斜拉桥的非线性分析最终也仅需推算体 系的非线性增量平衡方程和解这类方程。研究大跨度斜拉桥的非线性性能，非线 性有限元方法 (NFEM)已是相当的流行。根据上述的几何非线性原由 ,一些 NFEM 已提供理论依据。以
9、 Fleming(1979)或 Nazmy 和 Abdel-Ghaffar(1990)提出的理论为例 , 通过恩斯特的等效弹性模量法计算得出斜拉索下垂绕度，其中，每一节点坐 标的结构几何尺寸变化是由于大变形引起 。此计算考虑了平衡状态下梁体的轴向 应力 弯曲的耦合作用。 事实上 ,利用恩斯特的等效弹性模量 (2)的原理 ,斜拉索的切向刚度矩阵仅 等于长度为 L、横截面积为 A 的桁架单元刚度矩阵。因而桁架单元可以快速建立斜 拉索模型。而通过常规梁单元可以建立纵向弯曲和轴向受压结构（如主梁和塔柱） 的模型。 可以假定：大跨度斜拉桥组成构件的几何变形可以由大位移、大旋转及小
10、应 变表征。随着有限变形理论 (如 Washizu1982 年 )和 NFEM 方法 (如 Bathe 和Bolourchi 1979 年 )的发展 ,研究人员更倾向于使用 NFEM 方法来研究大跨度斜拉桥非线性变化。 有限元理论应用是建立在可以充分描述的连续体变形过程。它严格区分相对稳定的变形体。以下有几个实用的 NFEM 理论： 整体拉格朗日法 修正拉格朗日法 变形理论 这些理论都涉及大位移、大旋转及小变形。因此 ,之前提及的大跨度斜拉桥 所有的几何非线性 ,可以认为是正确的。 斜拉桥通常是由三个主要部分 (或桥
11、梁结构 )组成，即：缆索、梁 ,和塔柱。 这些结构部件可能是用不同的材料做的。因此 ,大跨度斜拉桥往往是由不同的材 料构成的复杂体系。大跨度斜拉桥的材料非线性分析应根据个别构件中各自材 料 的非线性应力 -应变变化。当构件的一些点 (应力集中点 )超出个人材料的屈服极 限时，结构的刚度矩阵应重新修订形成弹塑性刚度矩阵。 桥梁承受两种荷载作用 ,即恒载和活载。对于大跨度斜拉桥 ,恒载占据桥梁总荷载的绝大部分。在桥梁成型后和活荷载加载前 ,桥梁已承受大的恒载。所以， 在构件中桥梁的变形和已存在的初始应力应给予考虑。因此 ,大跨度斜拉桥的几 何非线性或极限承载力分析应从恒载加载后的非线性稳定构件开始。换而言之 ,
