x24第四章 混凝土斜拉橋的設(shè)計與計算

1、整理課件一、受力特點主梁飄浮體系：相當(dāng)跨內(nèi)具有彈性支承的單跨梁半飄浮體系：相當(dāng)跨內(nèi)具有彈性支承的連續(xù)梁梁塔梁固結(jié)體系：相當(dāng)于配置體外索的連續(xù)梁剛構(gòu)體系：相當(dāng)于配置體外索的連續(xù)剛構(gòu)（壓彎構(gòu)件）索（受拉）：為主梁提供彈性支承塔（受壓為主）：承受索力第四章 混凝土斜拉橋的設(shè)計與計算第一節(jié) 斜拉橋的靜力分析整理課件雙塔斜拉橋與多塔斜拉橋的受力特點整理課件整理課件整理課件二、計算方法概述分析方法一般簡化為平面結(jié)構(gòu)，采用桿系有限元計算直接采用空間桿系有限元方法考慮因素幾何非線性中小跨度索的垂度效應(yīng)P效應(yīng)大跨度：大變形理論收縮、徐變、溫度等引起的變形和內(nèi)力重分布錨下局部應(yīng)力計算:先進(jìn)行整體分析，然后按圣維南

2、假 定，取出局部進(jìn)行局部應(yīng)力分析施工過程計算非常重要整理課件三、斜拉索的結(jié)構(gòu)特性索垂度效應(yīng)混凝土斜拉橋的拉索一般為柔性索，高強鋼絲外包的索套僅作為保護(hù)材料，不參加索的受力，在索的自重作用下有垂度，垂度對索的受拉性能有影響，同時索力大小對垂度也有影響。為了簡化計算，在實際計算中索一般采用一直桿表示，以索的弦長作為桿長。關(guān)健問題是考慮索垂度效應(yīng)對索的伸長與軸力的關(guān)系影響，這種影響采用修正彈性模量來考慮，其計算思路如下：索在恒載作用下的幾何方程設(shè)索無荷載作用時的長度為l，如下圖，由索任意截面彎矩為零有：1、垂度對索軸向變形的影響整理課件HFLHFgffLbmmlg=gcos11yxcoscos)()

3、(cos)(122HgdxydHxMyxMyHxMyF對于索的跨中截面 ,有： mxx 對上式積分可得到索的幾何方程為懸鏈線HgLfLlggFHlgFfmm8cos/,coscos812121由整理課件可得：323212cosFlgdFldFflm由于：lldAdF索的伸長與垂度的關(guān)系索的幾何形狀為懸鏈線，如近似按拋物線考慮，則索在自重作用下的長度為：223223212124cos24cos)(38FLgHLglLllflLm則索的伸長為：cosFH 整理課件等效彈性模量實際上在應(yīng)力 索的軸向變性由兩部分組成 （1）索自身的彈性變形 ；（2）垂度效應(yīng) : 則結(jié)構(gòu)的等效彈性模量可表示為ef則用彈

4、性模量表示有：232323)(12cos12LlAglFldlAdFEfAg /其中為索容重eeefeefeefeffeegEELEEEEEEEEEEE3212)(11lldAdF整理課件352223212cos11)(12)(1112)(11HAEGAFLgELeecosFH Ag /coslL lgG四、平面桿系有限元法（直接剛度法）計算斜拉橋內(nèi)力和變形國內(nèi)對于中小跨度斜拉橋一般采用平面桿系有限元計算斜拉橋的內(nèi)力和變形，分析時主梁和塔采用梁單元，而索采用直桿單元，桿單元的彈性模量采用前面推導(dǎo)的修正彈性模量考慮垂度效應(yīng)。桿單元和梁單元的單剛矩陣分別為：整理課件整理課件桿單元000000000

5、000lAElAElAElAEKegegegegeij式中A，l分別為斜拉索的鋼絲面積和弦長梁單元及P效應(yīng)斜拉橋的主梁和塔都是同時存在壓力和彎矩。軸力和彎矩相互作用（如下圖），考慮軸力和彎矩相互作用后彎矩平衡方程為：QMNQMNMxvuvvuiiiiiijjjjjj0)(ijjjivvNMLQMiiiMvvNxQM)(任意截面彎矩整理課件在實際中采用穩(wěn)定函數(shù)的概念來考慮彎矩和軸力的相互作用，考慮彎矩和軸力相互作用后的單剛矩陣為：3662654632622561552531525445414362353332322261252231225145110000000000000000SKSKSKSK

6、SKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKKeij上式中： 為未修正的剛度，按結(jié)構(gòu)力學(xué)教材計算， 為考慮彎矩、軸力相互作用的穩(wěn)定函數(shù)，可參考有關(guān)文獻(xiàn)計算。ijKiS整理課件五、斜拉橋的恒載計算成橋狀態(tài)內(nèi)力的初步確定施工時張拉索力及梁段標(biāo)高：倒退分析根據(jù)施工過程計算恒載收縮、徐變的影響溫度影響前進(jìn)分析1、成橋狀態(tài)內(nèi)力的初步確定國內(nèi)成橋狀態(tài)內(nèi)力的初步確定目前有兩種方法：（1）剛性支承連續(xù)梁法；（2）指定主梁應(yīng)力法。其中剛性支承連續(xù)梁法應(yīng)用得較多。整理課件剛性支承連續(xù)梁法所謂剛性支承連續(xù)梁法就是求一組恒載索力值，使主梁在恒載和索力作用下，成橋后索梁連接點處的位移為零。這時主梁的

7、恒載彎矩即為剛性支承連續(xù)梁的彎矩。具體計算過程如下：首先根據(jù)一次落架，計算在恒載作用下（索力為零）索梁連接點處的垂直位移和塔頂水平位移 （ i=1,2,3）i然后依次計算出拉索為單位力時對這些點的影響量 ，k為節(jié)點編號，i為拉索邊號。于是在恒載和索力共同作用下，以使各節(jié)點豎向位移為零為條件可以寫出如下線性方程組：ki 00021212212222111211NNnnnnnXXX整理課件2、倒退分析（計算施工時張拉索力、及施工時梁段標(biāo)高） 倒退分析法是從斜拉橋成橋狀態(tài)（初始恒載狀態(tài)）出法，按照與實際施工次序相反相反的順序，進(jìn)行逐步倒退計算而得到各施工階段的控制參數(shù)。結(jié)構(gòu)據(jù)此數(shù)據(jù)按正裝順序施工完畢

8、，在理論上斜拉橋的恒載內(nèi)力和變形便可達(dá)到預(yù)定的成橋狀態(tài)整理課件整理課件3、根據(jù)施工過程計算恒載（前進(jìn)分析整理課件預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋通常采用懸臂施工。懸臂施工可分為懸臂拼裝和懸臂澆筑兩種方法。 其施工過程包括架設(shè)梁段、 斜索和預(yù)應(yīng)力筋張拉、 結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、施加施工荷載(如移動掛籃、張拉輔助索等)等。在施工過程中，斜拉橋結(jié)構(gòu)體系、內(nèi)力和變形隨施工過程不斷變化，且相互影響。成橋后斜拉橋的內(nèi)力和變形狀態(tài)與施工過程有直接關(guān)系，應(yīng)該根據(jù)施工過程來計算。影響斜拉橋施工過程結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的因素很多，主要可分為以下幾個方面1)混凝土的收縮、徐變；2)溫度；3)自重和彈性模量的變化；4)預(yù)應(yīng)力筋的張拉及預(yù)應(yīng)力損失

9、；5)索的張拉及幾何非線性；6)施工荷載(掛籃、施工設(shè)備以及人員等)。整理課件預(yù) 應(yīng) 力 等節(jié) 點 荷 載對 各 時 段 結(jié) 構(gòu) 的 內(nèi) 力 和 變 形 增 量 進(jìn) 行 累 積對 當(dāng) 前 結(jié) 構(gòu) 求 解 內(nèi) 力 和 變 形 增 量幾 何 非 線 性預(yù) 應(yīng) 力 損 失收 縮 徐 變 損 失其 他 損 失松 弛 損 失彈 性 壓 縮 損 失結(jié) 束是 否 張 拉預(yù) 應(yīng) 力 筋混 凝 土 的 收 縮 、 徐 變考 慮 收縮 徐 變結(jié) 構(gòu) 外 載架 設(shè) 新 梁 段張 拉 斜 索張 拉 力 筋施 工 荷 載形 成 施 工 體 系時 段 （ 工 況 ） 劃 分對 各 工 況 循 環(huán)是否否是整理課件3、施工空

10、制斜斜拉拉橋橋的的施施工工控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)是是一一施施工工量量測測識識別別修修正正預(yù)預(yù)告告施施工工的的循循環(huán)環(huán)過過程程，在在現(xiàn)現(xiàn)場場借借助助計計算算機機強強大大的的計計算算能能力力和和信信息息處處理理能能力力來來實實現(xiàn)現(xiàn)的的。它它應(yīng)應(yīng)具具備備以以下下基基本本要要求求：1 1) ) 控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)應(yīng)應(yīng)具具備備良良好好的的適適應(yīng)應(yīng)性性，對對施施工工可可能能出出現(xiàn)現(xiàn)的的各各種種情情況況和和誤誤差差，能能夠夠正正確確迅迅速速的的處處理理；2 2) ) 施施工工過過程程中中對對索索力力和和主主梁梁軸軸線線位位置置都都應(yīng)應(yīng)有有一一定定的的寬寬容容度度以以適適應(yīng)應(yīng)施施工工的的需需要要，此此外外，一一定定要

11、要保保證證施施工工的的安安全全；3 3) ) 能能迅迅速速制制定定出出最最佳佳的的索索力力調(diào)調(diào)整整方方案案，使使索索力力調(diào)調(diào)整整方方便便且且在在施施工工中中調(diào)調(diào)整整次次數(shù)數(shù)最最少少。整理課件 檢檢測測方方法法為為了了反反應(yīng)應(yīng)實實際際結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的情情況況，必必須須通通過過量量測測手手段段來來達(dá)達(dá)到到。在在斜斜拉拉橋橋施施工工過過程程中中一一般般主主要要的的量量測測內(nèi)內(nèi)容容有有：主主梁梁標(biāo)標(biāo)高高、索索力力、應(yīng)應(yīng)力力以以及及材材料料設(shè)設(shè)計計參參數(shù)數(shù)的的實實測測?，F(xiàn)現(xiàn)有有的的大大多多數(shù)數(shù)量量測測方方法法基基本本上上能能滿滿足足施施工工控控制制的的需需要要，但但混混凝凝土土的的收收縮縮、徐徐變變系系數(shù)數(shù)

12、及及索索力力的的檢檢測測還還需需進(jìn)進(jìn)一一部部完完善善。 前進(jìn)和倒退分析前進(jìn)和倒退分析倒退分析是根據(jù)設(shè)計的斜拉橋成橋狀態(tài)按與實際施工次序相反的倒退分析是根據(jù)設(shè)計的斜拉橋成橋狀態(tài)按與實際施工次序相反的方向進(jìn)行倒拆分析以初估各梁段的標(biāo)高和斜拉索的張拉力；而前進(jìn)分方向進(jìn)行倒拆分析以初估各梁段的標(biāo)高和斜拉索的張拉力；而前進(jìn)分析是根據(jù)斜拉橋現(xiàn)場施工環(huán)境、過程、模擬實際施工過程，以較為準(zhǔn)析是根據(jù)斜拉橋現(xiàn)場施工環(huán)境、過程、模擬實際施工過程，以較為準(zhǔn)確并及時預(yù)告下一梁段的標(biāo)高和索力。在倒退分析和前進(jìn)分析時，應(yīng)確并及時預(yù)告下一梁段的標(biāo)高和索力。在倒退分析和前進(jìn)分析時，應(yīng)對于斜拉橋整個施工過程，根據(jù)實際施工時間和工

13、況對于斜拉橋整個施工過程，根據(jù)實際施工時間和工況（澆筑混凝土或（澆筑混凝土或拼裝預(yù)制梁段、斜拉索張拉、預(yù)應(yīng)力筋張拉、體系轉(zhuǎn)換等）劃分時段拼裝預(yù)制梁段、斜拉索張拉、預(yù)應(yīng)力筋張拉、體系轉(zhuǎn)換等）劃分時段（工況），對于每一工況利用桿系有限元考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性，分析（工況），對于每一工況利用桿系有限元考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性，分析由于施工過程中梁段自重、施工荷載、斜拉索張拉、預(yù)應(yīng)力筋張拉、由于施工過程中梁段自重、施工荷載、斜拉索張拉、預(yù)應(yīng)力筋張拉、收縮徐變、溫度及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換等引起的斜拉橋索力、塔和主梁變形收縮徐變、溫度及結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換等引起的斜拉橋索力、塔和主梁變形和應(yīng)力變化：和應(yīng)力變化：整理課件誤差分析和參

14、數(shù)識別誤差分析和參數(shù)識別主要是為提高模擬實際施工過程跟蹤分析的計算精度，以確保前進(jìn)分析的正確性和及時修正計算所選取參數(shù)及施工誤差。誤差分析主要是分析產(chǎn)生誤差的因素以及這些因素對斜拉橋內(nèi)力和變形的影響。產(chǎn)生誤差的原因有多種，如材料的設(shè)計參數(shù)與實際不符、施工中索力張拉的索力值與要求值之間的誤差、主梁制作尺寸誤差以及測試系統(tǒng)的誤差等。在初步確定誤差的因素后，對這些誤差因素引起斜拉橋內(nèi)力和變形的變化進(jìn)行定量分析，即靈敏度分析。整理課件整理課件六、斜拉橋的活載內(nèi)力分析在成橋狀態(tài)利用影響線加載求活載內(nèi)力索彈性模量僅考慮恒載修正剛度矩陣的P-效應(yīng)僅考慮恒載七、斜拉橋的穩(wěn)定性及局部應(yīng)力穩(wěn)定性斜拉橋平面穩(wěn)定塔墩面內(nèi)穩(wěn)定塔墩面外穩(wěn)定整理課件第二節(jié) 斜拉橋的動力分析一、概述引起振動的主要因素車輛引起振動地震風(fēng)振雨振結(jié)構(gòu)自振頻率與周期及振型整理課件hEm(a)(tg dFs dzFI dzFD dz(b)(c)uz) , ( t zg)(tg圖 1.1 橋墩地震水平撓曲振動示意圖