斜拉橋?qū)ｎ}—斜拉橋設(shè)計專題

1、斜拉橋設(shè)計流程及索力優(yōu)化-影響矩陣法吳 超 11722134目目 錄錄 二、斜拉橋基本設(shè)計流程二、斜拉橋基本設(shè)計流程 一、斜拉橋概述一、斜拉橋概述 三、三、斜拉橋橋索力調(diào)調(diào)整理論論一、斜拉橋概述一、斜拉橋概述 斜拉橋的上部結(jié)構(gòu)是由梁、索、塔三個主要部分組成，它是一種橋面體系以加勁梁受壓(密索)或受彎(稀索)為主，支承體系以斜索受拉及橋塔受壓為主的橋梁。 1956年，瑞典建成的Stroemsund橋拉開了現(xiàn)代斜拉橋建設(shè)的序幕。隨后斜拉橋建設(shè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，其跨徑已經(jīng)進入以前懸索橋適用的特大跨徑范圍。斜拉橋與梁式橋設(shè)計過程的不同斜拉橋與梁式橋設(shè)計過程的不同 斜拉橋的設(shè)計過程與一般梁式橋的設(shè)計

2、過程有所不同。對于梁式橋梁結(jié)構(gòu)，如果結(jié)構(gòu)尺寸、材料、二期恒載都確定之后，結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力也隨之基本確定，無法進行較大的調(diào)整。但對于斜拉橋，由于其荷載是由主梁、橋塔和斜拉索分擔的，合理地確定各構(gòu)件分擔的比例是十分重要的。因此斜拉橋的設(shè)計首先是確定其合理的成橋狀態(tài)，即合理的線形和內(nèi)力狀態(tài)，其中起主要調(diào)整作用的就是斜拉索的張拉力。 midas Civil程序針對斜拉橋的張拉力確定、施工階段分析、非線性分析等提供了多種解決方案，下面就一些斜拉橋功能做一些說明。調(diào)索目標調(diào)索目標 利用調(diào)索功能（未知荷載系數(shù)功能），可以計算出最小誤差范圍內(nèi)的能夠滿足特定約束條件的最佳荷載系數(shù)，利用這些荷載系數(shù)計算拉索初拉力。

3、 指定位移、反力、內(nèi)力的“0”值以及最大最小值作為約束條件，拉索初拉力作為變量（未知數(shù)）來計算。 計算未知荷載系數(shù)適用于線性結(jié)構(gòu)體系，為了計算出最佳的索力，必須要輸入適當?shù)募s束條件。主塔不受或只受較小的彎矩作用 ；主塔彎矩均勻分布 ；主梁的變形最??；最終索力不集中在幾根拉索，而是均勻分布在每根拉索上。二、二、斜拉橋基本設(shè)計流程斜拉橋基本設(shè)計流程本例題中的橋是一座跨度為（100m+220m+100m）雙塔斜拉橋梁，塔高約60米。 1.橋梁概況橋梁概況 為了決定安裝拉索時的控制張拉力，首先要確定在成橋階段恒載作用下的初始平衡狀態(tài)，然后再按施工順序進行施工階段分析。首先通過倒拆分析計算初張拉力，然后

4、進行正裝施工階段分析。在本例題將介紹通過未知荷載系數(shù)法并配合斜拉橋調(diào)索功能進行斜拉橋成橋分析；以成橋狀態(tài)為基礎(chǔ)然后進行斜拉橋倒拆模擬分析計算。橋梁有限元模型2.斜拉橋成橋分析斜拉橋成橋分析第一步 建立成橋模型關(guān)鍵點：為了結(jié)合未知荷載系數(shù)法進行調(diào)索，索結(jié)構(gòu)必須用必須用桁架（線性）單元進行模擬，這樣結(jié)構(gòu)才支持荷載的線性疊加功能。第二步 定義荷載工況關(guān)鍵點：將不同的索力定義為不同的荷載工況，作為未知荷載來考慮。第三步 采用未知荷載系數(shù)法進行斜拉橋調(diào)索關(guān)鍵點：定義成橋約束條件，求解最優(yōu)的荷載組合系數(shù)（未知荷載系數(shù)）斜拉橋 成橋分析流程第四步 采用調(diào)索功能進行斜拉橋索力微調(diào)關(guān)鍵點：結(jié)合影響矩陣，找出影響

5、效應大的索單元，對此索單元做優(yōu)先考慮的微調(diào)微調(diào)（如果調(diào)索幅度太大的話，可能會引起其它結(jié)構(gòu)不滿足最優(yōu)化狀態(tài)）3.斜拉橋倒拆分析斜拉橋倒拆分析第一步 建立倒拆施工階段模擬模型關(guān)鍵點：將調(diào)索成功的成橋索力（單位荷載*組合系數(shù)）作為體內(nèi)力體內(nèi)力賦予給相應的索結(jié)構(gòu)，然后對結(jié)構(gòu)進行倒拆模擬。第二步 得出倒拆的各施工階段的索力斜拉橋 倒拆分析流程三、斜拉橋索力調(diào)整理論三、斜拉橋索力調(diào)整理論 確定斜拉索張拉力的方法主要有： 1.剛性支承連續(xù)梁法 2.零位移法 3.倒拆和正裝法 4.無應力狀態(tài)控制法 5.內(nèi)力平衡法 6.影響矩陣法等 剛性支承連續(xù)梁法是指成橋狀態(tài)下，斜拉橋主梁的彎曲內(nèi)力和剛性支承連續(xù)梁的內(nèi)力狀態(tài)

6、一致。因此可以非常容易地根據(jù)連續(xù)梁的支承反力確定斜拉索的初張力。1)剛性支承連續(xù)梁法剛性支承連續(xù)梁法2)零位移法零位移法3)倒拆和正裝法倒拆和正裝法 零位移法的出發(fā)點是通過索力調(diào)整，使成橋狀態(tài)下主梁和斜拉索的交點的位移為零。對于采用滿堂支架一次落架的斜拉橋體系，其結(jié)果與剛性支承連續(xù)梁法的結(jié)果基本一致。 上述2種方法用于確定主跨和邊跨對稱主跨和邊跨對稱的單塔斜拉橋的索力是最為有效的，對于主跨和邊跨幾乎對稱的3跨斜拉橋次之，對于主跨和邊跨的不對稱性較大的斜拉橋，幾乎失去了作用（因為這兩種方法必然導致比較大的塔根彎矩，失去了索力優(yōu)化的意義）。 倒拆法是斜拉橋安裝計算廣泛采用的一種方法，通過倒拆、正裝

7、交替計算，確定各施工階段的安裝參數(shù)，使結(jié)構(gòu)逐步達到預定的線形和內(nèi)力狀態(tài)。 以上簡單介紹了斜拉橋索力調(diào)整的幾種方法，實際施工中的索力調(diào)整是比較復雜的，而且實踐性很強。結(jié)構(gòu)分析工程師的經(jīng)驗非常重要，只有多次反復試算才可以得到比較滿意的索力。例如：對于錨固在支座上方或附近部位的斜拉索的索力對主梁的彎矩和位移的影響非常小，如果取主梁上的位移或彎矩作為控制值，會導致病態(tài)方程。對于輔助墩附近的斜拉索建議人為假定索力進行試算，以得到理想的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形。 無應力狀態(tài)法分析的基本思路是：不計斜拉索的非線性和混凝土收縮徐變的影響，采用完全線性理論對斜拉橋解體，只要保證單元長度和曲率不變，則無論按照何種程序恢復還

8、原后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形將與原結(jié)構(gòu)一致。4)無應力狀態(tài)控制法無應力狀態(tài)控制法5)內(nèi)力平衡法內(nèi)力平衡法6)影響矩陣法影響矩陣法 內(nèi)力平衡法的基本原理是：設(shè)計適當或合理的斜拉索初張力，以使結(jié)構(gòu)各控制截面在恒載和活載共同作用下，上翼緣的最大應力和材料允許應力之比等于下翼緣的最大應力和材料允許應力之比。索力優(yōu)化的影響矩陣法dsEIsMUs2)(21.成橋狀態(tài)的索力優(yōu)化先以彎曲能量最小為目標函數(shù)推導索力優(yōu)化的影響矩陣法：結(jié)構(gòu)的彎曲應變能：221()4mLRiiiiiilUMME I對于離散的桿系結(jié)構(gòu)可寫成：對上式改寫成： TTLLRRUMBMMBM 110000.0.,(1,2,3. )4,iiimmLRL

9、LLRRRLRBblBimE IbMMTMMCTMMCTCCii為系數(shù)矩陣：其中b =對稱令調(diào)索前左右端彎矩向量分別為索力調(diào)節(jié)量為則調(diào)索后的彎矩向量為：式中：、分別是索力對左、右端彎矩的影響矩陣。將上式代入前面公式得：得等式： 00000TTTTLLLLLLTTTTRRRRRUCMB CTTCBMTCB CTMB CTTBMTCB CT要使索力調(diào)整后的結(jié)構(gòu)應變能最小，則求導： 0,(1,2,3.)UiT 00TTLLRRTTRLRLCBCCBCTCBMCBM寫成矩陣形式：至此，索力優(yōu)化問題就簡化成求解上式的n階線性代數(shù)方程問題。索力優(yōu)化問題簡化為求線性方程組的求解問題，可得以下結(jié)論：1.如果取彎曲應變能與拉壓應變能之和為目標函數(shù)，則只要在矩陣式中左右端增加構(gòu)件拉壓力與索力影響矩陣的關(guān)系項，就可得到相應的最優(yōu)索力方程。2.如索力優(yōu)化時只將結(jié)構(gòu)中一部分關(guān)心截面上的內(nèi)力應變能作為目標函數(shù)，則方程式左右端的影響矩陣用索力相應于這些關(guān)心截面內(nèi)力的影響矩陣取代就可以得到相應的最有索力方程。3.只計算影響矩陣是，如果結(jié)構(gòu)中已張拉了預應力拉索，影響矩陣就包含了預應力的影響，因此，用影響矩陣法優(yōu)化索力時，能自動計入預應力拉索的影響。CIVIL中索力調(diào)整步驟中索力