无背索斜塔斜拉桥的稳定性分析 (2003年)

本文以长沙市洪山大桥为工程实例，探讨了无背索斜塔斜拉桥的结构稳定性问题。洪山大桥是北二环线上一座具有代表性的特大桥，其主跨206米的无背索斜拉桥设计，在当时的技术背景下具有创新性。文章采用了有限元分析方法，以薄壁杆件力学理论为基础，结合势能驻值原理，对桥梁的稳定性进行了深入分析。 桥梁工程中的薄壁杆件理论，主要是针对诸如斜拉桥这类大跨度桥梁结构的稳定性分析。斜拉桥通常由塔、索、梁三个基本部分组成，无背索斜塔斜拉桥由于省略了背索，使得结构设计更为复杂，对主梁的稳定性和承载力提出了更高的要求。 为了准确模拟桥梁的结构行为，本文引入了梁段单元法，将桥梁的每个单元视为有14个自由度的空间单元。这些自由度包括了沿各个轴向的线性位移和旋转位移，以及沿轴向的轴向位移。位移函数的建立是通过三次式位移函数来描述的，该函数能够较好地模拟桥梁在荷载作用下的真实变形情况。 文章还讨论了薄壁杆件稳定性的势能计算。在计算杆件的应变能时，需考虑非线性应变的影响。在斜拉桥的主梁稳定性分析中，由于轴向压力、扭矩以及弯矩的共同作用，杆件的横向位移会引起非线性应变，对结构稳定性产生影响。因此，在计算杆件的正应力应变能时，必须包含线性和非线性两部分的应变能。 在进行结构稳定性分析时，文章还利用了势能驻值原理，通过推导出单元刚度矩阵和整体刚度矩阵，进一步得到了结构的临界荷载。临界荷载是桥梁在不同荷载作用下，从稳定状态过渡到不稳定状态的临界值，是桥梁设计中的重要参数。本文提出的方法概念清晰，简便易行，为同类结构的计算分析提供了一种参考。 文章作者宋旭明和兰辉萍，当时分别为中南大学在读硕士生和教授，他们的研究工作不仅对洪山大桥的建设具有重要的指导意义，也对我国大跨度斜拉桥的设计和施工提供了宝贵的经验和技术支持。通过对无背索斜塔斜拉桥的稳定性分析，可以更加深入地理解桥梁在复杂受力条件下的工作机理，为未来桥梁设计提供了理论依据和技术指导。 总体来看，本篇文章是桥梁工程领域一篇具有较高学术价值和实践意义的研究论文。通过对洪山大桥的案例分析，文章不仅提高了我们对无背索斜塔斜拉桥稳定性的认识，也推动了桥梁工程领域内相关理论和方法的发展。