斜拉橋的計(jì)算理論-1

1、第十三章第十三章 斜拉橋的計(jì)算理論斜拉橋的計(jì)算理論( (同濟(jì)大學(xué)博士、碩士研究生課程同濟(jì)大學(xué)博士、碩士研究生課程) ) 肖肖 汝汝 誠誠 ( (同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系) )本章主要內(nèi)容概概 述述斜拉橋恒載受力狀態(tài)的優(yōu)化斜拉橋恒載受力狀態(tài)的優(yōu)化索力優(yōu)化的基本概念; 斜拉橋索力優(yōu)化方法;索力優(yōu)化的影響矩陣法;斜拉橋的有限位移理論分析斜拉橋的有限位移理論分析前進(jìn)分析; 倒退分析;初始張拉力與施工預(yù)拱度的計(jì)算;斜拉橋?qū)崟r(shí)跟蹤控制簡介;斜拉橋的空間分析。第十三章第十三章 斜拉橋的計(jì)算理論斜拉橋的計(jì)算理論斜拉橋的穩(wěn)定計(jì)算斜拉橋的穩(wěn)定計(jì)算加勁梁的面內(nèi)穩(wěn)定實(shí)用計(jì)算;主塔的實(shí)用穩(wěn)定計(jì)算;斜拉橋穩(wěn)定

2、計(jì)算的有限元方法;靜風(fēng)作用下的橫向穩(wěn)定分析;考慮二階效應(yīng)的近似計(jì)算考慮二階效應(yīng)的近似計(jì)算活載的線性二階理論近似計(jì)算法;偏心增大系數(shù)修正法。小小 結(jié)結(jié)本章主要內(nèi)容(續(xù))本章主要參考文獻(xiàn)1. 李國豪: , 上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社 1983 2. 李國豪：.中國鐵道出版社，19923. 周念先、肖汝誠：走向二十一世紀(jì)的斜拉橋，鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)1998.24. F.Fleming:Nonlinear Static Analysis of Cable-Stayed Bridge Structures, Inter.J.Computers & Structures, Vol.10,1979.5. Tana

3、ka Hiroshi, K.Masahiro and K.Masakatsa: New Cable Tension Adiustment Method for Suspended-Span Bridge, The Second East- Pacific Conf. on Structural Engineering & Construction, Chiarg Mai,Jan. 1989.6. 肖汝誠、賈麗君、宋馨、項(xiàng)海帆.大跨徑斜拉橋設(shè)計(jì)索力優(yōu)化及計(jì)算施工張拉力的新方法.大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵科學(xué)問題及設(shè)計(jì)理論研究論文集,1999第十三章第十三章 斜拉橋的計(jì)算理論斜拉橋的計(jì)算理論 斜拉

4、橋誕生于十七世紀(jì)。二戰(zhàn)后，由于高強(qiáng)度材料及預(yù)應(yīng)力技術(shù)的廣泛應(yīng)用、施工方法的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)分析理論的發(fā)展，使得這一古老橋型喚發(fā)出了新的生命力，斜拉橋的復(fù)興，成為戰(zhàn)后橋梁發(fā)展史上最偉大的成就之一。在短短的五十多年間，斜拉橋有了飛速的發(fā)展，成為200米到800米跨徑范圍內(nèi)最具競爭力的橋梁結(jié)構(gòu)形式之一，并且這一范圍仍有擴(kuò)大的趨勢(shì)。已經(jīng)建成的日本多多羅橋，跨度高達(dá)890m。有理由相信，在大江河口的軟土地基或不適合修建懸索橋的地區(qū)，可能修建超過1200米的斜拉橋。1. 1. 概述概述1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )19381938年，德國年，德國DishingerDishinger提出現(xiàn)代斜拉橋設(shè)計(jì)概念提

5、出現(xiàn)代斜拉橋設(shè)計(jì)概念19561956年年, , 德國德國DishingerDishinger在瑞典成功地建造了第一座現(xiàn)代斜拉橋在瑞典成功地建造了第一座現(xiàn)代斜拉橋, , 主跨主跨182.6182.6米的米的StrmsundStrmsund橋橋19601960年，德國年，德國Kln Kln SeverinSeverin橋，主跨橋，主跨301301米的獨(dú)塔斜拉橋米的獨(dú)塔斜拉橋19621962年，意大利年，意大利MorandiMorandi設(shè)計(jì)了第一座混凝土斜拉橋，主跨設(shè)計(jì)了第一座混凝土斜拉橋，主跨235235米的委內(nèi)瑞拉馬拉開波橋米的委內(nèi)瑞拉馬拉開波橋1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )198619

6、86年，加拿大年，加拿大AnnacisAnnacis橋，第一座結(jié)合梁橋面斜拉橋，主跨橋，第一座結(jié)合梁橋面斜拉橋，主跨465465米米19911991年，挪威年，挪威SkarnsundetSkarnsundet橋橋, , 主跨主跨530530米米, , 是世界最大跨度是世界最大跨度P.C.P.C.斜拉橋斜拉橋1993年，中國上海楊浦大橋年，中國上海楊浦大橋, 主跨主跨602米結(jié)合梁斜拉橋米結(jié)合梁斜拉橋, 是當(dāng)時(shí)是當(dāng)時(shí)世界最大跨度斜拉橋世界最大跨度斜拉橋1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )19951995年，法國諾曼第大橋年，法國諾曼第大橋, , 主跨主跨856856米米, , 混合梁斜拉橋，大大

7、推混合梁斜拉橋，大大推進(jìn)了斜拉橋大跨化進(jìn)了斜拉橋大跨化19981998年，瑞典厄勒松海峽大橋，主跨年，瑞典厄勒松海峽大橋，主跨490490米，世界最大跨度公鐵米，世界最大跨度公鐵兩用斜拉橋；采用兩用斜拉橋；采用90009000t t巨型浮吊整孔架設(shè)技術(shù)巨型浮吊整孔架設(shè)技術(shù)19991999年，日本多多羅橋，主跨年，日本多多羅橋，主跨890890米，是世界最大跨度斜拉橋米，是世界最大跨度斜拉橋1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )五十年斜拉橋跨徑增長五十年斜拉橋跨徑增長 1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )世界大跨徑斜拉橋一覽表世界大跨徑斜拉橋一覽表1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )1. 1. 概

8、述概述( (續(xù)續(xù)) )梁的高跨比呈減小的趨勢(shì)并向輕型化發(fā)展梁的高跨比呈減小的趨勢(shì)并向輕型化發(fā)展 隨著密索體系的采用和跨度的增大，斜拉橋結(jié)構(gòu)體系逐漸演變，隨著密索體系的采用和跨度的增大，斜拉橋結(jié)構(gòu)體系逐漸演變，主梁己由稀索時(shí)以受彎為主的壓彎構(gòu)件，演變?yōu)槊芩鲿r(shí)以受壓為主的主梁己由稀索時(shí)以受彎為主的壓彎構(gòu)件，演變?yōu)槊芩鲿r(shí)以受壓為主的壓彎構(gòu)件。結(jié)構(gòu)的整體剛度主要由三角桁架的體系剛度提供，主梁或壓彎構(gòu)件。結(jié)構(gòu)的整體剛度主要由三角桁架的體系剛度提供，主梁或主塔的構(gòu)件剛度對(duì)整體剛度貢獻(xiàn)不大。主塔的構(gòu)件剛度對(duì)整體剛度貢獻(xiàn)不大。 NormandyNormandy橋主跨橋主跨856 m856 m，梁高，梁高3.0

9、5 m3.05 m； TataraTatara橋主跨橋主跨890 m890 m，梁高，梁高2.7 m2.7 m。 斜拉橋的輕型化使結(jié)構(gòu)非線性問題、靜力穩(wěn)定問題、抗風(fēng)抗震問斜拉橋的輕型化使結(jié)構(gòu)非線性問題、靜力穩(wěn)定問題、抗風(fēng)抗震問題更加突出，設(shè)計(jì)、施工難度加大，要精心設(shè)計(jì)、施工。題更加突出，設(shè)計(jì)、施工難度加大，要精心設(shè)計(jì)、施工。 1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )結(jié)構(gòu)形式多樣化結(jié)構(gòu)形式多樣化 結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系縱向縱向獨(dú)塔、雙塔、多塔獨(dú)塔、雙塔、多塔1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) ) 結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系橫向橫向獨(dú)柱、雙柱、多柱獨(dú)柱、雙柱、多柱1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) ) 結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系協(xié)

10、作體系協(xié)作體系梁梁- -斜拉、懸索斜拉、懸索- -斜拉、剛構(gòu)斜拉、剛構(gòu)- -斜拉等斜拉等1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) ) 錨固形式錨固形式 除了傳統(tǒng)的自錨式外，還出現(xiàn)了自錨與地錨結(jié)合的形式。除了傳統(tǒng)的自錨式外，還出現(xiàn)了自錨與地錨結(jié)合的形式。 我國跨徑我國跨徑414m414m的鄖陽漢江的鄖陽漢江大橋，邊跨大橋，邊跨43m43m，另設(shè)，另設(shè)43m43m地錨。地錨。邊跨與主跨之比，不包括地錨邊跨與主跨之比，不包括地錨時(shí)為時(shí)為0.1040.104。主跨中部設(shè)鋼箱結(jié)。主跨中部設(shè)鋼箱結(jié)構(gòu)的無軸力接頭。構(gòu)的無軸力接頭。 西班牙跨徑西班牙跨徑440m440m的的LunaLuna橋橋，邊跨，邊跨67m67m

11、，另設(shè)，另設(shè)35m35m地錨。邊地錨。邊跨與主跨之比，不包括地錨時(shí)跨與主跨之比，不包括地錨時(shí)為為0.1520.152。主跨中部設(shè)剪力鉸。主跨中部設(shè)剪力鉸。1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) ) 主梁形式主梁形式 除了以往采用鋼和混凝土主梁的斜拉橋外，新出現(xiàn)了：除了以往采用鋼和混凝土主梁的斜拉橋外，新出現(xiàn)了：疊合梁斜拉橋、混合梁斜拉橋疊合梁斜拉橋、混合梁斜拉橋 其它其它 矮塔斜拉橋矮塔斜拉橋( (部分斜拉橋部分斜拉橋) )花色斜拉橋花色斜拉橋1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )疊合梁斜拉橋、復(fù)合梁斜拉橋疊合梁斜拉橋、復(fù)合梁斜拉橋 與混凝土斜拉橋相比，與混凝土斜拉橋相比，疊疊合梁斜拉橋跨度大、自重輕

12、、安裝節(jié)段合梁斜拉橋跨度大、自重輕、安裝節(jié)段長、施工速度快；與鋼斜拉橋相比，長、施工速度快；與鋼斜拉橋相比，疊疊合梁斜拉橋剛度大、造價(jià)低、合梁斜拉橋剛度大、造價(jià)低、橋面養(yǎng)護(hù)容易。橋面養(yǎng)護(hù)容易。疊合或復(fù)合梁形式主要有三種方式：疊合或復(fù)合梁形式主要有三種方式：(1) (1) 豎向結(jié)合：混凝土橋面板和鋼梁結(jié)合，即所謂的疊合梁。如豎向結(jié)合：混凝土橋面板和鋼梁結(jié)合，即所謂的疊合梁。如AnnacisAnnacis橋、橋、南浦大橋、楊浦大橋；南浦大橋、楊浦大橋；(2) (2) 縱向結(jié)合：中跨采用鋼梁或結(jié)合梁，邊跨采用砼梁的混合結(jié)構(gòu)，縱向結(jié)合：中跨采用鋼梁或結(jié)合梁，邊跨采用砼梁的混合結(jié)構(gòu)，即所謂的復(fù)合梁，如徐

13、浦大橋、即所謂的復(fù)合梁，如徐浦大橋、NormandyNormandy大橋、大橋、TataraTatara大橋；大橋；(3) (3) 橫向結(jié)合：混凝土邊主梁和鋼橫梁組成格構(gòu)體系，上面覆蓋混凝橫向結(jié)合：混凝土邊主梁和鋼橫梁組成格構(gòu)體系，上面覆蓋混凝土橋面板；（用于梁高較小、橋面較寬的結(jié)構(gòu)中）土橋面板；（用于梁高較小、橋面較寬的結(jié)構(gòu)中）1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )部分斜拉橋部分斜拉橋 部分斜拉橋的構(gòu)造和受力介于連續(xù)梁和斜拉橋之間。從外觀看，部分斜拉橋的構(gòu)造和受力介于連續(xù)梁和斜拉橋之間。從外觀看，與常規(guī)斜拉橋相比它有以下特點(diǎn)：與常規(guī)斜拉橋相比它有以下特點(diǎn)：(1) (1) 橋塔較矮。橋塔高與跨徑

14、之比一般為橋塔較矮。橋塔高與跨徑之比一般為1/121/81/121/8。(2) (2) 斜拉索集中在塔頂鞍座上通過。斜拉索集中在塔頂鞍座上通過。 (3) (3) 沒有端錨索。沒有端錨索。(4) (4) 主梁無索區(qū)較長。主梁無索區(qū)較長。(5) (5) 邊跨與主跨的跨度之比較大。邊跨與主跨的跨度之比較大。(6) (6) 梁高與跨度之比較大，一般為梁高與跨度之比較大，一般為1/401/401/201/20。(7) (7) 部分斜拉橋的拉索應(yīng)變幅一般只有斜拉橋的部分斜拉橋的拉索應(yīng)變幅一般只有斜拉橋的1/31/3左右。左右。(8) (8) 經(jīng)濟(jì)性能好，拉索安全系數(shù)一般取與預(yù)應(yīng)力索相同。經(jīng)濟(jì)性能好，拉索安

15、全系數(shù)一般取與預(yù)應(yīng)力索相同。 部分斜拉橋尤其適用于多塔多跨和塔高受限制的情形，從剛度和部分斜拉橋尤其適用于多塔多跨和塔高受限制的情形，從剛度和疲勞考慮，它更適用于鐵路橋或雙層橋面。疲勞考慮，它更適用于鐵路橋或雙層橋面。1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )花色斜拉橋花色斜拉橋 西班牙西班牙AlamilloAlamillo橋橋捷克捷克MarianMarian橋橋 這兩座斜拉橋都沒有背索，其標(biāo)新立異的不對(duì)稱造型顯示出剛勁、這兩座斜拉橋都沒有背索，其標(biāo)新立異的不對(duì)稱造型顯示出剛勁、平衡和力度。平衡和力度。但它違背了基本的受力原理，這種耗資巨大的造型藝術(shù)，但它違背了基本的受力原理，這種耗資巨大的造型藝術(shù)

16、，人們?cè)u(píng)說不一。人們?cè)u(píng)說不一。 無背索斜拉橋無背索斜拉橋 1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) ) 曲線斜拉橋曲線斜拉橋 1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )大跨化大跨化 1999年年5月月1日，位于日本日，位于日本Nishi-Seto高速公路上的高速公路上的Tatara斜拉橋建成，斜拉橋建成，其主跨長達(dá)其主跨長達(dá)890米，超過了米，超過了1995年建成的主跨為年建成的主跨為856米的法國米的法國Normandy斜斜拉橋，成為當(dāng)今世界上主跨最大的斜拉橋。拉橋，成為當(dāng)今世界上主跨最大的斜拉橋。 1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) ) 正在修建的中國蘇通長江大橋主跨將達(dá)到正在修建的中國蘇通長江大橋主跨將

17、達(dá)到1088m。1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) ) 正在修建的中國香港昂船洲大橋的主跨達(dá)到正在修建的中國香港昂船洲大橋的主跨達(dá)到1018m。1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) ) 修建中的上海修建中的上海-崇明通道，斜拉橋主跨將達(dá)到崇明通道，斜拉橋主跨將達(dá)到730。 我國的斜拉橋設(shè)計(jì)建造技術(shù)已跨入世界先進(jìn)行列：建成的上海楊浦大橋，跨度達(dá)602米，是世界矚目的疊合梁斜拉橋。隨著一系列跨海通道被列入議事日程，已經(jīng)開始建造跨徑超過1000米的斜拉橋。斜拉橋是塔、梁、拉索三種基本構(gòu)件組成的纜索承重結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為柔性的受力特性。斜拉橋的設(shè)計(jì)計(jì)算要根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)階段和計(jì)算要求來選用相應(yīng)的力學(xué)模

18、式和計(jì)算理論。1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )q計(jì)算模式是設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵。計(jì)算模式是設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵。在概念設(shè)計(jì)階段，主要研究結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，以求獲得理想的結(jié)構(gòu)布置，因此，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力精度要求不高，可以采用平面桿系模式；在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，若僅僅計(jì)算恒、活載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，仍可選用平面桿系模式，此時(shí)活載的空間效應(yīng)用橫向分布系數(shù)或偏載系數(shù)來表達(dá)；1. 1. 概述概述( (續(xù)續(xù)) )q 計(jì)算模式是設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵。若要計(jì)算空間荷載(風(fēng)載、地震荷載、局部溫差等)作用下的靜力響應(yīng)時(shí)，一般選用空間桿系模式，如圖13.1(a)所示。選用這種模式，要特別注意實(shí)際結(jié)構(gòu)與計(jì)算模式

19、間的剛度等效性；若要計(jì)算全橋構(gòu)件的應(yīng)力分布特性，可選用空間板殼、塊體和梁單元的組合模式，如圖13.1(b)所示。選用這類模式須特別注意不同單元結(jié)合部的節(jié)點(diǎn)位移協(xié)調(diào)性。 a) a) 空間桿系模式空間桿系模式 b) b) 塊、殼、梁組合模式塊、殼、梁組合模式 圖圖13-1 13-1 斜張橋計(jì)算模式斜張橋計(jì)算模式 q計(jì)算模式是設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵。為了研究斜拉橋結(jié)構(gòu)中特殊部件(如斜拉索錨索區(qū)、塔梁固結(jié)區(qū))的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可進(jìn)行局部應(yīng)力有限元分析。根據(jù)圣維南原理，將特殊構(gòu)件從整體結(jié)構(gòu)中取出，細(xì)分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，將整體結(jié)構(gòu)在分離斷面處的內(nèi)力、位移作為被分析子結(jié)構(gòu)的邊界條件進(jìn)行二次分析?？傊x取力學(xué)模式要力求簡單、

20、合理，并能抓住主要矛盾。q計(jì)算理論的選用也是十分重要的。計(jì)算理論的選用也是十分重要的。大跨徑斜拉橋是柔性結(jié)構(gòu)體系，非線性影響較為突出。非線性主要體現(xiàn)在材料和幾何非線性兩個(gè)方面。在概念設(shè)計(jì)階段，主要研究成橋狀態(tài)下宏觀的力學(xué)響應(yīng)特征，此時(shí)結(jié)構(gòu)剛度較大，因此，計(jì)算可采用計(jì)入徐變、收縮的準(zhǔn)非線性分析理論，對(duì)特大跨徑柔性斜拉橋也可按線性二階理論進(jìn)行分析。在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，中等跨徑的斜拉橋恒載分析仍以準(zhǔn)非線性分析理論為主。超大跨徑斜拉橋一般都要按有限位移理論進(jìn)行驗(yàn)算。用有限位移理論計(jì)算的結(jié)果已自動(dòng)計(jì)入了偏心受壓構(gòu)件的偏心增大系數(shù)，設(shè)計(jì)中不應(yīng)重復(fù)計(jì)入。 q斜拉橋要經(jīng)歷一個(gè)分階段施工的過程。施工分析的最終結(jié)果就是斜拉橋成橋時(shí)的理論受力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)在施工過程中剛度遠(yuǎn)比成橋狀態(tài)為小，幾何非線性突出;結(jié)構(gòu)的荷載(自重、施工機(jī)具、預(yù)應(yīng)力等)是在施工過程中逐級(jí)施加的;每一施工階段都可能伴隨結(jié)構(gòu)構(gòu)形變化；構(gòu)件材料的徐變、收縮；邊界約束增減；預(yù)應(yīng)力張拉和體系轉(zhuǎn)換。后期結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和力學(xué)性能與