斜拉橋計算理論-1

斜拉橋計算理論-1第一頁，共65頁。第十三章斜拉橋的計算理論()

肖汝誠

()第二頁，共65頁。本章主要內容概述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前進分析;倒退分析;初始張拉力與施工預拱度的計算;斜拉橋實時跟蹤控制簡介;斜拉橋的空間分析。第十三章斜拉橋的計算理論第三頁，共65頁。斜拉橋的穩(wěn)定計算加勁梁的面內穩(wěn)定實用計算;主塔的實用穩(wěn)定計算;斜拉橋穩(wěn)定計算的有限元方法;靜風作用下的橫向穩(wěn)定分析;考慮二階效應的近似計算活載的線性二階理論近似計算法;偏心增大系數修正法。小結本章主要內容(續(xù))第四頁，共65頁。本章主要參考文獻1.李國豪:<<橋梁與結構理論研究>>,上海科技文獻出版社19832.李國豪：<<橋梁結構穩(wěn)定與振動>>.中國鐵道出版社，19923.周念先、肖汝誠：走向二十一世紀的斜拉橋，鐵道標準設計1998.24.F.Fleming:NonlinearStaticAnalysisofCable-StayedBridgeStructures,Inter.J.Computers&Structures,Vol.10,1979.5.TanakaHiroshi,K.MasahiroandK.Masakatsa:NewCableTensionAdiustmentMethodforSuspended-SpanBridge,TheSecondEast-PacificConf.onStructuralEngineering&Construction,ChiargMai,Jan.1989.6.肖汝誠、賈麗君、宋馨、項海帆.大跨徑斜拉橋設計索力優(yōu)化及計算施工張拉力的新方法.大型復雜結構的關鍵科學問題及設計理論研究論文集,1999第十三章斜拉橋的計算理論第五頁，共65頁。

斜拉橋誕生于十七世紀。二戰(zhàn)后，由于高強度材料及預應力技術的廣泛應用、施工方法的改進和結構分析理論的發(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米跨徑范圍內最具競爭力的橋梁結構形式之一，并且這一范圍仍有擴大的趨勢。已經建成的日本多多羅橋，跨度高達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.概述第六頁，共65頁。1.概述(續(xù))1938年，德國Dishinger提出現代斜拉橋設計概念1956年,德國Dishinger在瑞典成功地建造了第一座現代斜拉橋,主跨182.6米的Str?msund橋1960年，德國K?lnSeverin橋，主跨301米的獨塔斜拉橋1962年，意大利Morandi設計了第一座混凝土斜拉橋，主跨235米的委內瑞拉馬拉開波橋第七頁，共65頁。1.概述(續(xù))1986年，加拿大Annacis橋，第一座結合梁橋面斜拉橋，主跨465米1991年，挪威Skarnsundet橋,主跨530米,是世界最大跨度P.C.斜拉橋1993年，中國上海楊浦大橋,主跨602米結合梁斜拉橋,是當時世界最大跨度斜拉橋第八頁，共65頁。1.概述(續(xù))1995年，法國諾曼第大橋,主跨856米,混合梁斜拉橋，大大推進了斜拉橋大跨化1998年，瑞典厄勒松海峽大橋，主跨490米，世界最大跨度公鐵兩用斜拉橋；采用9000t巨型浮吊整孔架設技術1999年，日本多多羅橋，主跨890米，是世界最大跨度斜拉橋第九頁，共65頁。1.概述(續(xù))五十年斜拉橋跨徑增長

第十頁，共65頁。1.概述(續(xù))世界大跨徑斜拉橋一覽表第十一頁，共65頁。1.概述(續(xù))第十二頁，共65頁。1.概述(續(xù))梁的高跨比呈減小的趨勢并向輕型化發(fā)展

隨著密索體系的采用和跨度的增大，斜拉橋結構體系逐漸演變，主梁己由稀索時以受彎為主的壓彎構件，演變?yōu)槊芩鲿r以受壓為主的壓彎構件。結構的整體剛度主要由三角桁架的體系剛度提供，主梁或主塔的構件剛度對整體剛度貢獻不大。

Normandy橋主跨856m，梁高3.05m；

Tatara橋主跨890m，梁高2.7m。斜拉橋的輕型化使結構非線性問題、靜力穩(wěn)定問題、抗風抗震問題更加突出，設計、施工難度加大，要精心設計、施工。第十三頁，共65頁。1.概述(續(xù))結構形式多樣化結構體系縱向→獨塔、雙塔、多塔第十四頁，共65頁。1.概述(續(xù))

結構體系橫向→獨柱、雙柱、多柱第十五頁，共65頁。1.概述(續(xù))

結構體系協作體系→梁-斜拉、懸索-斜拉、剛構-斜拉等第十六頁，共65頁。1.概述(續(xù))

錨固形式除了傳統的自錨式外，還出現了自錨與地錨結合的形式。

我國跨徑414m的鄖陽漢江大橋，邊跨43m，另設43m地錨。邊跨與主跨之比，不包括地錨時為0.104。主跨中部設鋼箱結構的無軸力接頭。西班牙跨徑440m的Luna橋，邊跨67m，另設35m地錨。邊跨與主跨之比，不包括地錨時為0.152。主跨中部設剪力鉸。第十七頁，共65頁。1.概述(續(xù))

主梁形式除了以往采用鋼和混凝土主梁的斜拉橋外，新出現了：疊合梁斜拉橋、混合梁斜拉橋其它矮塔斜拉橋(部分斜拉橋)花色斜拉橋第十八頁，共65頁。1.概述(續(xù))疊合梁斜拉橋、復合梁斜拉橋與混凝土斜拉橋相比，疊合梁斜拉橋跨度大、自重輕、安裝節(jié)段長、施工速度快；與鋼斜拉橋相比，疊合梁斜拉橋剛度大、造價低、橋面養(yǎng)護容易。疊合或復合梁形式主要有三種方式：(1)豎向結合：混凝土橋面板和鋼梁結合，即所謂的疊合梁。如Annacis橋、南浦大橋、楊浦大橋；(2)縱向結合：中跨采用鋼梁或結合梁，邊跨采用砼梁的混合結構，即所謂的復合梁，如徐浦大橋、Normandy大橋、Tatara大橋；(3)橫向結合：混凝土邊主梁和鋼橫梁組成格構體系，上面覆蓋混凝土橋面板；（用于梁高較小、橋面較寬的結構中）第十九頁，共65頁。1.概述(續(xù))部分斜拉橋部分斜拉橋的構造和受力介于連續(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：(1)橋塔較矮。橋塔高與跨徑之比一般為1/12~1/8。(2)斜拉索集中在塔頂鞍座上通過。(3)沒有端錨索。(4)主梁無索區(qū)較長。(5)邊跨與主跨的跨度之比較大。(6)梁高與跨度之比較大，一般為1/40～1/20。(7)部分斜拉橋的拉索應變幅一般只有斜拉橋的1/3左右。(8)經濟性能好，拉索安全系數一般取與預應力索相同。部分斜拉橋尤其適用于多塔多跨和塔高受限制的情形，從剛度和疲勞考慮，它更適用于鐵路橋或雙層橋面。第二十頁，共65頁。1.概述(續(xù))花色斜拉橋

西班牙Alamillo橋捷克Marian橋

這兩座斜拉橋都沒有背索，其標新立異的不對稱造型顯示出剛勁、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，人們評說不一。

無背索斜拉橋

第二十一頁，共65頁。1.概述(續(xù))

曲線斜拉橋

第二十二頁，共65頁。1.概述(續(xù))大跨化

1999年5月1日，位于日本Nishi-Seto高速公路上的Tatara斜拉橋建成，其主跨長達890米，超過了1995年建成的主跨為856米的法國Normandy斜拉橋，成為當今世界上主跨最大的斜拉橋。第二十三頁，共65頁。1.概述(續(xù))正在修建的中國蘇通長江大橋主跨將達到1088m。第二十四頁，共65頁。1.概述(續(xù))正在修建的中國香港昂船洲大橋的主跨達到1018m。第二十五頁，共65頁。1.概述(續(xù))修建中的上海-崇明通道，斜拉橋主跨將達到730。第二十六頁，共65頁。

我國的斜拉橋設計建造技術已跨入世界先進行列：建成的上海楊浦大橋，跨度達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、拉索三種基本構件組成的纜索承重結構體系，結構表現為柔性的受力特性。斜拉橋的設計計算要根據其結構形式、設計階段和計算要求來選用相應的力學模式和計算理論。1.概述(續(xù))第二十七頁，共65頁。1.概述(續(xù))計算模式是設計計算的關鍵。在概念設計階段，主要研究結構的設計參數，以求獲得理想的結構布置，因此，對結構內力精度要求不高，可以采用平面桿系模式；在技術設計階段，若僅僅計算恒、活載作用下結構的內力，仍可選用平面桿系模式，此時活載的空間效應用橫向分布系數或偏載系數來表達；第二十八頁，共65頁。1.概述(續(xù))

計算模式是設計計算的關鍵。若要計算空間荷載(風載、地震荷載、局部溫差等)作用下的靜力響應時，一般選用空間桿系模式，如圖13.1(a)所示。選用這種模式，要特別注意實際結構與計算模式間的剛度等效性；若要計算全橋構件的應力分布特性，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合部的節(jié)點位移協調性。

a)空間桿系模式

b)塊、殼、梁組合模式

圖13-1斜張橋計算模式

第二十九頁，共65頁。

1.概述(續(xù))計算模式是設計計算的關鍵。為了研究斜拉橋結構中特殊部件(如斜拉索錨索區(qū)、塔梁固結區(qū))的應力集中現象，可進行局部應力有限元分析。根據圣維南原理，將特殊構件從整體結構中取出，細分結構網格，將整體結構在分離斷面處的內力、位移作為被分析子結構的邊界條件進行二次分析?？傊?，選取力學模式要力求簡單、合理，并能抓住主要矛盾。第三十頁，共65頁。

1.概述(續(xù))計算理論的選用也是十分重要的。大跨徑斜拉橋是柔性結構體系，非線性影響較為突出。非線性主要體現在材料和幾何非線性兩個方面。在概念設計階段，主要研究成橋狀態(tài)下宏觀的力學響應特征，此時結構剛度較大，因此，計算可采用計入徐變、收縮的準非線性分析理論，對特大跨徑柔性斜拉橋也可按線性二階理論進行分析。在技術設計階段，中等跨徑的斜拉橋恒載分析仍以準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行驗算。用有限位移理論計算的結果已自動計入了偏心受壓構件的偏心增大系數，設計中不應重復計入。

第三十一頁，共65頁。

1.概述(續(xù))斜拉橋要經歷一個分階段施工的過程。施工分析的最終結果就是斜拉橋成橋時的理論受力狀態(tài)。結構在施工過程中剛度遠比成橋狀態(tài)為小，幾何非線性突出;結構的荷載(自重、施工機具、預應力等)是在施工過程中逐級施加的;每一施工階段都可能伴隨結構構形變化；構件材料的徐變、收縮；邊界約束增減；預應力張拉和體系轉換。后期結構的受力狀態(tài)和力學性能與前期結構有著密切聯系因此，施工階段的結構分析一般采用有限位移理論。第三十二頁，共65頁。

1.概述(續(xù))

斜拉橋的設計自由度很大。可以通過斜拉索力的調整來改變結構的受力分配，優(yōu)化結構的受力。合理確定成橋索力是斜拉橋結構分析中一項十分重要的工作。斜拉橋的靜力計算可歸結為圖13.2所示的流程。本章采用桿系結構模式，根據斜拉橋設計計算的要求，闡述斜拉橋的計算理論和方法。

第三十三頁，共65頁。

圖13-2斜拉橋靜力設計流程圖第三十四頁，共65頁。第三十五頁，共65頁。第三十六頁，共65頁。第三十七頁，共65頁。第三十八頁，共65頁。第三十九頁，共65頁。第四十頁，共65頁。第四十一頁，共65頁。第四十二頁，共65頁。第四十三頁，共65頁。

第四十四頁，共65頁。

第四十五頁，共65頁。

第四