1、近年來(lái)對(duì)懸索橋的分析計(jì)算越來(lái)越精細(xì)化，甚至細(xì)致的分析了索鞍頂推導(dǎo)致的主纜與索鞍的切點(diǎn)變化。但這種精細(xì)化分析主要是針對(duì)成橋后的結(jié)構(gòu)所進(jìn)行的。處于施工階段，特別是吊裝加勁梁階段的結(jié)構(gòu)由于其自身特點(diǎn)而使得分析更加復(fù)雜，此時(shí)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和抗震性能就更需要細(xì)致的分析研究了。本文運(yùn)用精細(xì)化有限元技術(shù)分析了施工階段懸索橋主要部件——主塔、主纜——的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及施工階段懸索橋的抗震性能。
　　本文所指精細(xì)化有限元分析主要體現(xiàn)在采用了高精度

2、的單元以模擬結(jié)構(gòu)的主要部件：
　　首先采用了計(jì)算精度與三維實(shí)體單元相仿而計(jì)算效率高得多的纖維單元模型來(lái)模擬主塔。與此同時(shí)，為更好地解決復(fù)雜受力狀態(tài)下剪切變形不可忽略問(wèn)題的彈塑性分析，本文以傳統(tǒng)纖維模型理論為基礎(chǔ)，提出了一種通過(guò)泊松比考慮剪切變形影響的纖維模型，解決了纖維模型模擬長(zhǎng)寬比很小構(gòu)件時(shí)位移計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大的問(wèn)題。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，對(duì)于長(zhǎng)寬比很小的構(gòu)件，考慮剪切變形纖維模型的位移結(jié)果比純彎曲纖維模型結(jié)果精確15％

3、~25%，所得滯回環(huán)更加符合剪切形構(gòu)件滯回環(huán)的形狀特征。
　　由于主纜在成纜后其真實(shí)形狀是曲線的，故采用了能充分考慮空間各種內(nèi)力變形耦合效應(yīng)的空間曲梁?jiǎn)卧M主纜。在學(xué)習(xí)前人工作的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有曲梁理論在大位移、大轉(zhuǎn)角情況下的幾何方程存在缺陷，也沒(méi)有能真正考慮空間各種內(nèi)力的耦合效應(yīng)。因此，研究曲桿大位移、大轉(zhuǎn)角、大曲率情況下的分析理論不僅具有理論意義，也可用于懸索橋的精細(xì)化分析，具有工程實(shí)際意義。為彌補(bǔ)現(xiàn)有曲梁理論的缺陷，借助隨

4、動(dòng)曲線坐標(biāo)描述和張量分析等數(shù)學(xué)工具，系統(tǒng)地推導(dǎo)了大位移、大轉(zhuǎn)角、大曲率情況下任意空間曲梁的幾何方程、空間雙向彎、扭耦合的平衡微分方程、非線性虛功方程和本構(gòu)方程。將直梁?jiǎn)卧灰品至坎逯档乃枷敫倪M(jìn)為位移矢量插值用以建立曲梁?jiǎn)卧奈灰茍?chǎng)，分別建立了適用于任意曲線形式的全拉格朗日（TL）和修正拉格朗日（UL）增量格式空間曲梁有限元列式。算例對(duì)比結(jié)果表明，曲梁?jiǎn)卧木让黠@的高于分段直梁?jiǎn)卧?。一般情況下，僅用直梁?jiǎn)卧獢?shù)量五分之一的曲梁?jiǎn)卧涂梢赃_(dá)

5、到相同的計(jì)算精度。給出了曲梁?jiǎn)卧恢沦|(zhì)量矩陣的形成方法，并對(duì)靜力凝聚法進(jìn)行了改進(jìn)而提出了廣義靜力凝聚方法。
　　由于采用的是自研究的高精度單元，故無(wú)法使用現(xiàn)有的商用軟件進(jìn)行分析。因研究工作的需要，需要自主研發(fā)一套特色鮮明的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分析軟件。在上述理論準(zhǔn)備基礎(chǔ)上，作為第一階段工作開發(fā)了MockCool軟件。考慮剪切變形纖維模型分析功能、幾何非線性空間曲梁?jiǎn)卧治龉δ堋⒉鹦秵卧s束）內(nèi)力自動(dòng)轉(zhuǎn)換加載功能、改進(jìn)的大質(zhì)量法處理

6、邊界等功能是MockCool獨(dú)有的特點(diǎn)。通過(guò)和MIDAS計(jì)算結(jié)果以及文獻(xiàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)結(jié)果）的對(duì)比，驗(yàn)證了MockCool計(jì)算結(jié)果的正確性和合理性。
　　在上述理論準(zhǔn)備和軟件研發(fā)的基礎(chǔ)上，針對(duì)懸索橋施工階段的特點(diǎn)，應(yīng)用自開發(fā)的軟件進(jìn)行了大量計(jì)算分析，有針對(duì)性的研究了施工階段懸索橋的兩大部件——主纜和主塔——的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能：
　　大跨度懸索橋成橋后主纜的彎曲剛度確系很小而可以忽略。然而在進(jìn)行加勁梁吊裝時(shí)，主纜的彎曲剛度對(duì)此時(shí)的結(jié)構(gòu)

7、分析有沒(méi)有影響？有多大影響？至今無(wú)人能夠回答。為了定量回答懸索橋主纜彎曲剛度的影響大小，在數(shù)值分析時(shí)考慮了懸索橋主纜的彎曲剛度，針對(duì)不同跨度情況的主纜進(jìn)行了彎曲應(yīng)力的參數(shù)分析，結(jié)果表明：在施工吊裝加勁梁階段，大跨度橋梁的主纜彎曲次應(yīng)力最大達(dá)到了主應(yīng)力的15%；隨著主纜截面直徑與跨度之比（截跨比）的增大彎曲次應(yīng)力將迅速增大，當(dāng)截跨比大于1/400時(shí)，彎曲次應(yīng)力大于主應(yīng)力的30%。由此可見：對(duì)大跨度懸索橋進(jìn)行成橋后分析，忽略彎曲次應(yīng)力是合理

8、的；但是處于施工階段的橋梁，特別是小跨度懸索橋彎曲次應(yīng)力是不可忽視的；應(yīng)用自開發(fā)的曲梁?jiǎn)卧治鼋Y(jié)果比通用直梁?jiǎn)卧治鼋Y(jié)果模型大，分析精度更高，更適合分析小跨度懸索橋模型。
　　針對(duì)主塔，采取與成橋后考慮主纜等構(gòu)件影響的成橋主塔作對(duì)比的手段，分析了施工時(shí)未掛主纜的施工主塔的力學(xué)性能，進(jìn)行了彈性和大位移彈塑性分析。定性地研究了懸索橋主塔的失穩(wěn)和破壞的形態(tài)，定量的分析了主塔的安全儲(chǔ)備。結(jié)果表明，就所論的計(jì)算模型而言，雖然二者的彈性失穩(wěn)問(wèn)

9、題均屬于第二類極值型穩(wěn)定問(wèn)題，但是由于邊界條件的不同，不僅彈性失穩(wěn)模態(tài)不同，彈塑性極限承載力的差別也很大，施工主塔分析結(jié)果將高估主塔成橋后真實(shí)工作時(shí)的軸向壓力承載能力。
　　同樣是采用與成橋結(jié)構(gòu)對(duì)比的手段，分析了從空纜到成橋各階段懸索橋的抗震性能：
　　由于采用的是與成橋?qū)Ρ鹊氖侄?，故首先需要?duì)成橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能研究。
　　針對(duì)不同的物理量，對(duì)幾何非線性影響、地面輸入地震動(dòng)方向、人工地震動(dòng)記錄功率譜模型等因素對(duì)懸索橋

10、單點(diǎn)激勵(lì)地震反應(yīng)時(shí)程分析結(jié)果的影響進(jìn)行了逐一的分析。結(jié)果表明：進(jìn)行單點(diǎn)激勵(lì)分析時(shí)幾何非線性的影響不大；多維分析的結(jié)果和單維分析的結(jié)果的差別較大，分析應(yīng)采用三維地震動(dòng)分析；Kanai-Tajimi模型生成的地震動(dòng)激勵(lì)較其它模型更適合進(jìn)行大跨懸索橋地震反應(yīng)時(shí)程分析。在此基礎(chǔ)上對(duì)江陰大橋模型進(jìn)行了多點(diǎn)激勵(lì)彈塑性動(dòng)力增量時(shí)程分析。結(jié)果表明在遭遇設(shè)計(jì)設(shè)防烈度7度的罕遇地震時(shí)，主塔基本處于正常工作狀態(tài)。就數(shù)值分析結(jié)果而言，當(dāng)遭遇9度以上的罕遇地震時(shí)

11、，主塔將有可能進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)。說(shuō)明大橋擁有較大的安全冗余度。
　　對(duì)處于施工階段（吊裝加勁梁）的江陰大橋，進(jìn)行了隨著施工進(jìn)展的階段抗震性能研究。結(jié)果表明：處于施工階段的結(jié)構(gòu)的自振周期比成橋狀態(tài)的自振周期大，而且隨著施工的進(jìn)展同一階數(shù)的振型形狀排序會(huì)發(fā)生變化；時(shí)程分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入激勵(lì)不大時(shí)（小于400gal），施工階段的結(jié)構(gòu)響應(yīng)小于成橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)。此情況下，設(shè)計(jì)只要能保證成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)安全，則施工階段結(jié)構(gòu)也是安全的；當(dāng)輸入激勵(lì)較大時(shí)，由