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(nèi)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(jìn)分析;倒退分析;初始張拉力與施工預(yù)拱度的計算;斜拉橋?qū)崟r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(nèi)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(fēng)作用下的橫向穩(wěn)定分析;考慮二階效應(yīng)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(shù)修正法。小結(jié)本章主要內(nèi)容(續(xù))第四頁，共65頁。本章主要參考文獻(xiàn)1.李國豪:<<橋梁與結(jié)構(gòu)理論研究>>,上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社19832.李國豪：<<橋梁結(jié)構(gòu)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(jì)的斜拉橋，鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(shè)計索力優(yōu)化及計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(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。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.概述第六頁，共65頁。1.概述(續(xù))1938年，德國Dishinger提出現(xiàn)代斜拉橋設(shè)計概念1956年,德國Dishinger在瑞典成功地建造了第一座現(xiàn)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(shè)計了第一座混凝土斜拉橋，主跨235米的委內(nèi)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(jié)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(jié)合梁斜拉橋,是當(dāng)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(jìn)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(shè)技術(shù)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(jié)構(gòu)體系逐漸演變，主梁己由稀索時以受彎為主的壓彎構(gòu)件，演變?yōu)槊芩鲿r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，主梁或主塔的構(gòu)件剛度對整體剛度貢獻(xiàn)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(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、施工難度加大，要精心設(shè)計、施工。第十三頁，共65頁。1.概述(續(xù))結(jié)構(gòu)形式多樣化結(jié)構(gòu)體系縱向→獨塔、雙塔、多塔第十四頁，共65頁。1.概述(續(xù))

結(jié)構(gòu)體系橫向→獨柱、雙柱、多柱第十五頁，共65頁。1.概述(續(xù))

結(jié)構(gòu)體系協(xié)作體系→梁-斜拉、懸索-斜拉、剛構(gòu)-斜拉等第十六頁，共65頁。1.概述(續(xù))

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。

我國跨徑414m的鄖陽漢江大橋，邊跨43m，另設(shè)43m地錨。邊跨與主跨之比，不包括地錨時為0.104。主跨中部設(shè)鋼箱結(jié)構(gòu)的無軸力接頭。西班牙跨徑440m的Luna橋，邊跨67m，另設(shè)35m地錨。邊跨與主跨之比，不包括地錨時為0.152。主跨中部設(shè)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(xiàn)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(fù)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(hù)容易。疊合或復(fù)合梁形式主要有三種方式：(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Annacis橋、南浦大橋、楊浦大橋；(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)，即所謂的復(fù)合梁，如徐浦大橋、Normandy大橋、Tatara大橋；(3)橫向結(jié)合：混凝土邊主梁和鋼橫梁組成格構(gòu)體系，上面覆蓋混凝土橋面板；（用于梁高較小、橋面較寬的結(jié)構(gòu)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(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：(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(yīng)變幅一般只有斜拉橋的1/3左右。(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。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(biāo)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(shù)，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(dá)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(dāng)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(dá)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(dá)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(dá)到730。第二十六頁，共65頁。

我國的斜拉橋設(shè)計建造技術(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)計計算要根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計階段和計算要求來選用相應(yīng)的力學(xué)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(shè)計計算的關(guān)鍵。在概念設(shè)計階段，主要研究結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，以求獲得理想的結(jié)構(gòu)布置，因此，對結(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)計階段，若僅僅計算恒、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)；第二十八頁，共65頁。1.概述(續(xù))

計算模式是設(shè)計計算的關(guān)鍵。若要計算空間荷載(風(fēng)載、地震荷載、局部溫差等)作用下的靜力響應(yīng)時，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(jié)構(gòu)與計算模式間的剛度等效性；若要計算全橋構(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)點位移協(xié)調(diào)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(shè)計計算的關(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?，選取力學(xué)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(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方面。在概念設(shè)計階段，主要研究成橋狀態(tài)下宏觀的力學(xué)響應(yīng)特征，此時結(jié)構(gòu)剛度較大，因此，計算可采用計入徐變、收縮的準(zhǔn)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(jìn)行分析。在技術(shù)設(shè)計階段，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)行驗算。用有限位移理論計算的結(jié)果已自動計入了偏心受壓構(gòu)件的偏心增大系數(shù)，設(shè)計中不應(yīng)重復(fù)計入。

第三十一頁，共65頁。

1.概述(續(xù))斜拉橋要經(jīng)歷一個分階段施工的過程。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)性能與前期結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系因此，施工階段的結(jié)構(gòu)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(shè)計自由度很大。可以通過斜拉索力的調(diào)整來改變結(jié)構(gòu)的受力分配，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的受力。合理確定成橋索力是斜拉橋結(jié)構(gòu)分析中一項十分重要的工作。斜拉橋的靜力計算可歸結(jié)為圖13.2所示的流程。本章采用桿系結(jié)構(gòu)模式，根據(jù)斜拉橋設(shè)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(shè)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。

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