懸索橋計(jì)算分析與案例詳解

1、懸索橋計(jì)算分析與案例詳解匯報(bào)人：陳煒 匯報(bào)時(shí)間：2021年6月前言/PREFACEMIDAS/Civil是個(gè)通用的空間有限元分析軟件，可適用于橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、工業(yè)建筑、飛機(jī)場(chǎng)、大壩、港口等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。特別是針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)，MIDAS/Civil結(jié)合國(guó)內(nèi)的規(guī)范與習(xí)慣，在建模、分析、后處理、設(shè)計(jì)等方面提供了很多的便利的功能，目前已為各大公路、鐵路行業(yè)的設(shè)計(jì)院所采用。它具有直觀的操作界面，并且采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)。集成了靜力分析、動(dòng)力分析、幾何非線性分析、屈曲分析、移動(dòng)荷載分析、PSC橋分析、懸索橋分析、水化熱分析等分析設(shè)計(jì)功能。前言/PREFACE前言/PREFACE前言/PREFA

2、CE目錄/Contents010203懸索橋結(jié)構(gòu)概述懸索橋計(jì)算概述使用MIDAS進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析01懸索橋結(jié)構(gòu)概述8懸索橋結(jié)構(gòu)概述 懸索橋（Suspension Bridge）是以承受拉力的纜索或鏈索作為主要承重構(gòu)件的橋梁，由主纜、索塔、錨碇、吊索、橋面系等部分組成。懸索橋的主要承重構(gòu)件是主纜，它主要承受拉力，一般用抗拉強(qiáng)度高的鋼材（鋼絲、鋼纜等）制作。由于懸索橋可以充分利用材料的強(qiáng)度，并具有用料省、自重輕的特點(diǎn)，因此懸索橋在各種受力體系的橋梁中跨越能力最大。9懸索橋結(jié)構(gòu)概述 按照橋面系的剛度大小，懸索橋可分為柔性懸索橋和剛性懸索橋。柔性懸索橋的橋面系一般不設(shè)加勁梁，因而剛度較小，在活載作用

3、下，橋面將隨懸索形狀的改變而產(chǎn)生較大變形，舒適性較差，但它的構(gòu)造簡(jiǎn)單，一般用作臨時(shí)性橋梁。剛性懸索橋的橋面用加勁梁加強(qiáng)，剛度較大。 按主纜的錨固方式，懸索橋可分為地錨式懸索橋和自錨式懸索橋。地錨式懸索橋的主纜通過(guò)重力式錨碇或巖隧式錨碇將荷載產(chǎn)生的拉力傳至大地，使全橋達(dá)到受力平衡狀態(tài)。自錨式懸索橋的主纜在邊跨兩端直接錨固在加勁梁上，主纜的拉力由加勁梁的軸力來(lái)平衡。 按全橋受力模式，懸索橋可分為單跨懸索橋和多跨懸索橋。10懸索橋結(jié)構(gòu)概述11懸索橋結(jié)構(gòu)概述 現(xiàn)代懸索橋通常由主纜、主塔、錨碇和加勁梁4大主體結(jié)構(gòu)以及主鞍、散索鞍（散索套）、懸吊系統(tǒng)等重要附屬系統(tǒng)組成。A. 主纜現(xiàn)代懸索橋主纜大多采用平行

4、鋼絲主纜，主纜分成索股編織架設(shè)，在錨碇處分別錨固，主纜的其余區(qū)段則擠緊成規(guī)則的圓形，然后用軟鋼絲纏繞并進(jìn)行防腐。主纜通常采用空中編絲法（AS法）和預(yù)制平行索股法（PPWS法）成纜。12懸索橋結(jié)構(gòu)概述 現(xiàn)代懸索橋通常由主纜、主塔、錨碇和加勁梁4大主體結(jié)構(gòu)以及主鞍、散索鞍（散索套）、懸吊系統(tǒng)等重要附屬系統(tǒng)組成。B. 主塔在順橋向按力學(xué)特性可分為剛性塔和柔性塔。剛性塔多用于較小跨度的懸索橋和多跨懸索橋上，主要作用是提高結(jié)構(gòu)整體剛度。柔性塔是現(xiàn)代大跨徑懸索橋常用的主塔型式，順橋向?yàn)橄露斯探Y(jié)的單柱受力模式。13懸索橋結(jié)構(gòu)概述 現(xiàn)代懸索橋通常由主纜、主塔、錨碇和加勁梁4大主體結(jié)構(gòu)以及主鞍、散索鞍（散索套）

5、、懸吊系統(tǒng)等重要附屬系統(tǒng)組成。C. 錨碇地錨式懸索橋的錨碇分為重力式錨碇和巖隧式錨碇兩種結(jié)構(gòu)型式。14懸索橋結(jié)構(gòu)概述 現(xiàn)代懸索橋通常由主纜、主塔、錨碇和加勁梁4大主體結(jié)構(gòu)以及主鞍、散索鞍（散索套）、懸吊系統(tǒng)等重要附屬系統(tǒng)組成。D. 加勁梁主要有桁架式和扁平鋼箱式加勁梁，也有采用鋼混組合梁加勁梁的懸索橋。15懸索橋結(jié)構(gòu)概述 現(xiàn)代懸索橋通常由主纜、主塔、錨碇和加勁梁4大主體結(jié)構(gòu)以及主鞍、散索鞍（散索套）、懸吊系統(tǒng)等重要附屬系統(tǒng)組成。E.纜索系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)主要包括主鞍、散索鞍或散索套、索夾和吊索、主纜錨固系統(tǒng)等。16懸索橋結(jié)構(gòu)概述 現(xiàn)代懸索橋通常由主纜、主塔、錨碇和加勁梁4大主體結(jié)構(gòu)以及主鞍、散索鞍（

6、散索套）、懸吊系統(tǒng)等重要附屬系統(tǒng)組成。E.纜索系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)主要包括主鞍、散索鞍或散索套、索夾和吊索、主纜錨固系統(tǒng)等。17懸索橋結(jié)構(gòu)概述 現(xiàn)代懸索橋通常由主纜、主塔、錨碇和加勁梁4大主體結(jié)構(gòu)以及主鞍、散索鞍（散索套）、懸吊系統(tǒng)等重要附屬系統(tǒng)組成。E.纜索系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)主要包括主鞍、散索鞍或散索套、索夾和吊索、主纜錨固系統(tǒng)等。18懸索橋結(jié)構(gòu)概述 現(xiàn)代懸索橋通常由主纜、主塔、錨碇和加勁梁4大主體結(jié)構(gòu)以及主鞍、散索鞍（散索套）、懸吊系統(tǒng)等重要附屬系統(tǒng)組成。E.纜索系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)主要包括主鞍、散索鞍或散索套、索夾和吊索、主纜錨固系統(tǒng)等。19懸索橋結(jié)構(gòu)概述 現(xiàn)代懸索橋通常由主纜、主塔、錨碇和加勁梁4大主體結(jié)構(gòu)

7、以及主鞍、散索鞍（散索套）、懸吊系統(tǒng)等重要附屬系統(tǒng)組成。E.纜索系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)主要包括主鞍、散索鞍或散索套、索夾和吊索、主纜錨固系統(tǒng)等。20懸索橋結(jié)構(gòu)概述02懸索橋計(jì)算概述22懸索橋計(jì)算概述公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG/T D65-05-2015）對(duì)懸索橋總體計(jì)算規(guī)定如下：23懸索橋計(jì)算概述豎向荷載作用下懸索橋的結(jié)構(gòu)分析理論有以下幾種：1. 彈性理論不考慮結(jié)構(gòu)體系變形對(duì)內(nèi)力的影響，可按普通結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算；2. 撓度理論隨著懸索橋跨徑的增大，必須考慮結(jié)構(gòu)體系變形對(duì)內(nèi)力的影響，即主要計(jì)算分析纜索的非線性變形，是二次內(nèi)力影響問(wèn)題，不能采用普通結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求解；3. 線性撓度理論隨著懸索橋跨徑增大、活載

8、與恒載比值變小，可以省略撓度理論中的基本微分方程的二次項(xiàng)，從而提出簡(jiǎn)單的線性撓度理論；4. 非線性有限位移理論為適合于有限元程序計(jì)算而提出的計(jì)算理論。03使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析25使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析以一座100m跨徑人行懸索橋?yàn)槔?，演示說(shuō)明MIDAS/Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析的基本方法和流程。26使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析懸索橋計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是確定成橋時(shí)主纜的平衡狀態(tài)。為此我們需要先建立一個(gè)施工階段分析模型。27使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析懸索橋計(jì)算需考慮主纜幾何非線性的影響，先設(shè)定結(jié)構(gòu)分析控制數(shù)據(jù)。需

9、要對(duì)非線性主控?cái)?shù)據(jù)和施工階段分析控制數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。28使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析主塔采用梁?jiǎn)卧?；加勁梁鋼梁部分用板單元建模；加勁梁混凝土板用?shí)體單元建模；主纜用索單元（水平力）建模；吊索用索單元（張拉力）建模。主鞍、散索鞍用梁?jiǎn)卧M。索夾自重以節(jié)點(diǎn)荷載施加在主纜節(jié)點(diǎn)上。29使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析模型建立完成后重編節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)，主纜節(jié)點(diǎn)號(hào)和單元號(hào)在前，吊桿單元接著主纜單元編號(hào)30使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析按實(shí)際施工流程定義施工階段。注意模擬吊裝鋼梁后各段鋼梁還未進(jìn)行連接的工況。吊裝預(yù)制板后未澆筑濕接縫的工況也需模擬。31使用Mid

10、as Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析主纜線形迭代計(jì)算流程如下：1. 中跨線形迭代計(jì)算。為減小干擾，中跨迭代計(jì)算時(shí)將塔頂處主纜節(jié)點(diǎn)固結(jié)2. 解除塔頂節(jié)點(diǎn)的固結(jié)，迭代計(jì)算邊跨主纜水平力。32使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析準(zhǔn)備迭代計(jì)算表格主纜初始線形：邊跨可用直線，中跨可用圓弧或二次拋物線作為初始線形。迭代計(jì)算過(guò)程：1. 在計(jì)算模型中修改主纜單元的水平力，直至計(jì)算出在恒載作用下主纜跨中豎向位移趨于零；33使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析迭代計(jì)算過(guò)程：2. 將計(jì)算出的主纜各節(jié)點(diǎn)在恒載作用下的位移復(fù)制到坐標(biāo)迭代計(jì)算表格中，新的主纜節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)xi=xi-1-xi，zi=zi-1+zi

11、；3. 將迭代得到的主纜節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)復(fù)制到Midas計(jì)算模型中；4. 重復(fù)前面13步驟，直至主纜各節(jié)點(diǎn)在恒載作用下的位移均趨于零。34使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析 中跨主纜線形迭代計(jì)算完成后，將塔頂處主纜節(jié)點(diǎn)的固結(jié)解除。然后調(diào)整邊跨主纜單元的初始水平力，直至塔頂處主纜節(jié)點(diǎn)的縱向位移趨于零。 至此主纜線形及主纜初始水平力計(jì)算完成。 將計(jì)算得到的主纜及吊桿單元內(nèi)力結(jié)果復(fù)制到EXCEL表格中 將迭代計(jì)算的模型另存為運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算模型 在運(yùn)營(yíng)計(jì)算模型中設(shè)置初始單元內(nèi)力，否則無(wú)法進(jìn)行移動(dòng)荷載分析和動(dòng)力分析等計(jì)算35使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析 在運(yùn)營(yíng)計(jì)算模型中添加溫度荷載工況、風(fēng)荷載工況、移動(dòng)荷載工況、地震荷載工況等 之后就可以進(jìn)行運(yùn)營(yíng)階段的分析計(jì)算了。36使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析37使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析38使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析39使用Midas Civil進(jìn)行懸索橋計(jì)算分析整體溫度索梁溫差溫度梯度恒載活載基本組合頻遇組合+-+-+-受拉最不利位置Fx(kN)574.3-689.3-58.258.2762.3-381.1391.319165078.22848Mz(kN-m)22.1-26.52.2-2.218.5-9.3-47.2-73.4-131.0-68受壓