斜拉桥的计算理论-1

1、第十三章第十三章 斜拉桥的计算理论斜拉桥的计算理论( (同济大学博士、硕士研究生课程同济大学博士、硕士研究生课程) ) 肖肖 汝汝 诚诚 ( (同济大学桥梁工程系同济大学桥梁工程系) )本章主要内容概概 述述斜拉桥恒载受力状态的优化斜拉桥恒载受力状态的优化索力优化的基本概念; 斜拉桥索力优化方法;索力优化的影响矩阵法;斜拉桥的有限位移理论分析斜拉桥的有限位移理论分析前进分析; 倒退分析;初始张拉力与施工预拱度的计算;斜拉桥实时跟踪控制简介;斜拉桥的空间分析。第十三章第十三章 斜拉桥的计算理论斜拉桥的计算理论斜拉桥的稳定计算斜拉桥的稳定计算加劲梁的面内稳定实用计算;主塔的实用稳定计算;斜拉桥稳定

2、计算的有限元方法;静风作用下的横向稳定分析;考虑二阶效应的近似计算考虑二阶效应的近似计算活载的线性二阶理论近似计算法;偏心增大系数修正法。小小 结结本章主要内容(续)本章主要参考文献1. 李国豪: , 上海科技文献出版社 1983 2. 李国豪：.中国铁道出版社，19923. 周念先、肖汝诚：走向二十一世纪的斜拉桥，铁道标准设计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. 肖汝诚、贾丽君、宋馨、项海帆.大跨径斜拉桥设计索力优化及计算施工张拉力的新方法.大型复杂结构的关键科学问题及设计理论研究论文集,1999第十三章第十三章 斜拉桥的计算理论斜拉桥的计算理论 斜拉

4、桥诞生于十七世纪。二战后，由于高强度材料及预应力技术的广泛应用、施工方法的改进和结构分析理论的发展，使得这一古老桥型唤发出了新的生命力，斜拉桥的复兴，成为战后桥梁发展史上最伟大的成就之一。在短短的五十多年间，斜拉桥有了飞速的发展，成为200米到800米跨径范围内最具竞争力的桥梁结构形式之一，并且这一范围仍有扩大的趋势。已经建成的日本多多罗桥，跨度高达890m。有理由相信，在大江河口的软土地基或不适合修建悬索桥的地区，可能修建超过1200米的斜拉桥。1. 1. 概述概述1. 1. 概述概述( (续续) )19381938年，德国年，德国DishingerDishinger提出现代斜拉桥设计概念提

5、出现代斜拉桥设计概念19561956年年, , 德国德国DishingerDishinger在瑞典成功地建造了第一座现代斜拉桥在瑞典成功地建造了第一座现代斜拉桥, , 主跨主跨182.6182.6米的米的StrmsundStrmsund桥桥19601960年，德国年，德国Kln Kln SeverinSeverin桥，主跨桥，主跨301301米的独塔斜拉桥米的独塔斜拉桥19621962年，意大利年，意大利MorandiMorandi设计了第一座混凝土斜拉桥，主跨设计了第一座混凝土斜拉桥，主跨235235米的委内瑞拉马拉开波桥米的委内瑞拉马拉开波桥1. 1. 概述概述( (续续) )198619

6、86年，加拿大年，加拿大AnnacisAnnacis桥，第一座结合梁桥面斜拉桥，主跨桥，第一座结合梁桥面斜拉桥，主跨465465米米19911991年，挪威年，挪威SkarnsundetSkarnsundet桥桥, , 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.斜拉桥斜拉桥1993年，中国上海杨浦大桥年，中国上海杨浦大桥, 主跨主跨602米结合梁斜拉桥米结合梁斜拉桥, 是当时是当时世界最大跨度斜拉桥世界最大跨度斜拉桥1. 1. 概述概述( (续续) )19951995年，法国诺曼第大桥年，法国诺曼第大桥, , 主跨主跨856856米米, , 混合梁斜拉桥，大大

7、推混合梁斜拉桥，大大推进了斜拉桥大跨化进了斜拉桥大跨化19981998年，瑞典厄勒松海峡大桥，主跨年，瑞典厄勒松海峡大桥，主跨490490米，世界最大跨度公铁米，世界最大跨度公铁两用斜拉桥；采用两用斜拉桥；采用90009000t t巨型浮吊整孔架设技术巨型浮吊整孔架设技术19991999年，日本多多罗桥，主跨年，日本多多罗桥，主跨890890米，是世界最大跨度斜拉桥米，是世界最大跨度斜拉桥1. 1. 概述概述( (续续) )五十年斜拉桥跨径增长五十年斜拉桥跨径增长 1. 1. 概述概述( (续续) )世界大跨径斜拉桥一览表世界大跨径斜拉桥一览表1. 1. 概述概述( (续续) )1. 1. 概

8、述概述( (续续) )梁的高跨比呈减小的趋势并向轻型化发展梁的高跨比呈减小的趋势并向轻型化发展 随着密索体系的采用和跨度的增大，斜拉桥结构体系逐渐演变，随着密索体系的采用和跨度的增大，斜拉桥结构体系逐渐演变，主梁己由稀索时以受弯为主的压弯构件，演变为密索时以受压为主的主梁己由稀索时以受弯为主的压弯构件，演变为密索时以受压为主的压弯构件。结构的整体刚度主要由三角桁架的体系刚度提供，主梁或压弯构件。结构的整体刚度主要由三角桁架的体系刚度提供，主梁或主塔的构件刚度对整体刚度贡献不大。主塔的构件刚度对整体刚度贡献不大。 NormandyNormandy桥主跨桥主跨856 m856 m，梁高，梁高3.0

9、5 m3.05 m； TataraTatara桥主跨桥主跨890 m890 m，梁高，梁高2.7 m2.7 m。 斜拉桥的轻型化使结构非线性问题、静力稳定问题、抗风抗震问斜拉桥的轻型化使结构非线性问题、静力稳定问题、抗风抗震问题更加突出，设计、施工难度加大，要精心设计、施工。题更加突出，设计、施工难度加大，要精心设计、施工。 1. 1. 概述概述( (续续) )结构形式多样化结构形式多样化 结构体系结构体系纵向纵向独塔、双塔、多塔独塔、双塔、多塔1. 1. 概述概述( (续续) ) 结构体系结构体系横向横向独柱、双柱、多柱独柱、双柱、多柱1. 1. 概述概述( (续续) ) 结构体系结构体系协

10、作体系协作体系梁梁- -斜拉、悬索斜拉、悬索- -斜拉、刚构斜拉、刚构- -斜拉等斜拉等1. 1. 概述概述( (续续) ) 锚固形式锚固形式 除了传统的自锚式外，还出现了自锚与地锚结合的形式。除了传统的自锚式外，还出现了自锚与地锚结合的形式。 我国跨径我国跨径414m414m的郧阳汉江的郧阳汉江大桥，边跨大桥，边跨43m43m，另设，另设43m43m地锚。地锚。边跨与主跨之比，不包括地锚边跨与主跨之比，不包括地锚时为时为0.1040.104。主跨中部设钢箱结。主跨中部设钢箱结构的无轴力接头。构的无轴力接头。 西班牙跨径西班牙跨径440m440m的的LunaLuna桥桥，边跨，边跨67m67m

11、，另设，另设35m35m地锚。边地锚。边跨与主跨之比，不包括地锚时跨与主跨之比，不包括地锚时为为0.1520.152。主跨中部设剪力铰。主跨中部设剪力铰。1. 1. 概述概述( (续续) ) 主梁形式主梁形式 除了以往采用钢和混凝土主梁的斜拉桥外，新出现了：除了以往采用钢和混凝土主梁的斜拉桥外，新出现了：叠合梁斜拉桥、混合梁斜拉桥叠合梁斜拉桥、混合梁斜拉桥 其它其它 矮塔斜拉桥矮塔斜拉桥( (部分斜拉桥部分斜拉桥) )花色斜拉桥花色斜拉桥1. 1. 概述概述( (续续) )叠合梁斜拉桥、复合梁斜拉桥叠合梁斜拉桥、复合梁斜拉桥 与混凝土斜拉桥相比，与混凝土斜拉桥相比，叠叠合梁斜拉桥跨度大、自重轻

12、、安装节段合梁斜拉桥跨度大、自重轻、安装节段长、施工速度快；与钢斜拉桥相比，长、施工速度快；与钢斜拉桥相比，叠叠合梁斜拉桥刚度大、造价低、合梁斜拉桥刚度大、造价低、桥面养护容易。桥面养护容易。叠合或复合梁形式主要有三种方式：叠合或复合梁形式主要有三种方式：(1) (1) 竖向结合：混凝土桥面板和钢梁结合，即所谓的叠合梁。如竖向结合：混凝土桥面板和钢梁结合，即所谓的叠合梁。如AnnacisAnnacis桥、桥、南浦大桥、杨浦大桥；南浦大桥、杨浦大桥；(2) (2) 纵向结合：中跨采用钢梁或结合梁，边跨采用砼梁的混合结构，纵向结合：中跨采用钢梁或结合梁，边跨采用砼梁的混合结构，即所谓的复合梁，如徐

13、浦大桥、即所谓的复合梁，如徐浦大桥、NormandyNormandy大桥、大桥、TataraTatara大桥；大桥；(3) (3) 横向结合：混凝土边主梁和钢横梁组成格构体系，上面覆盖混凝横向结合：混凝土边主梁和钢横梁组成格构体系，上面覆盖混凝土桥面板；（用于梁高较小、桥面较宽的结构中）土桥面板；（用于梁高较小、桥面较宽的结构中）1. 1. 概述概述( (续续) )部分斜拉桥部分斜拉桥 部分斜拉桥的构造和受力介于连续梁和斜拉桥之间。从外观看，部分斜拉桥的构造和受力介于连续梁和斜拉桥之间。从外观看，与常规斜拉桥相比它有以下特点：与常规斜拉桥相比它有以下特点：(1) (1) 桥塔较矮。桥塔高与跨径

14、之比一般为桥塔较矮。桥塔高与跨径之比一般为1/121/81/121/8。(2) (2) 斜拉索集中在塔顶鞍座上通过。斜拉索集中在塔顶鞍座上通过。 (3) (3) 没有端锚索。没有端锚索。(4) (4) 主梁无索区较长。主梁无索区较长。(5) (5) 边跨与主跨的跨度之比较大。边跨与主跨的跨度之比较大。(6) (6) 梁高与跨度之比较大，一般为梁高与跨度之比较大，一般为1/401/401/201/20。(7) (7) 部分斜拉桥的拉索应变幅一般只有斜拉桥的部分斜拉桥的拉索应变幅一般只有斜拉桥的1/31/3左右。左右。(8) (8) 经济性能好，拉索安全系数一般取与预应力索相同。经济性能好，拉索安

15、全系数一般取与预应力索相同。 部分斜拉桥尤其适用于多塔多跨和塔高受限制的情形，从刚度和部分斜拉桥尤其适用于多塔多跨和塔高受限制的情形，从刚度和疲劳考虑，它更适用于铁路桥或双层桥面。疲劳考虑，它更适用于铁路桥或双层桥面。1. 1. 概述概述( (续续) )花色斜拉桥花色斜拉桥 西班牙西班牙AlamilloAlamillo桥桥捷克捷克MarianMarian桥桥 这两座斜拉桥都没有背索，其标新立异的不对称造型显示出刚劲、这两座斜拉桥都没有背索，其标新立异的不对称造型显示出刚劲、平衡和力度。平衡和力度。但它违背了基本的受力原理，这种耗资巨大的造型艺术，但它违背了基本的受力原理，这种耗资巨大的造型艺术

16、，人们评说不一。人们评说不一。 无背索斜拉桥无背索斜拉桥 1. 1. 概述概述( (续续) ) 曲线斜拉桥曲线斜拉桥 1. 1. 概述概述( (续续) )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斜拉桥建成，斜拉桥建成，其主跨长达其主跨长达890米，超过了米，超过了1995年建成的主跨为年建成的主跨为856米的法国米的法国Normandy斜斜拉桥，成为当今世界上主跨最大的斜拉桥。拉桥，成为当今世界上主跨最大的斜拉桥。 1. 1. 概述概述( (续续) ) 正在修建的中国苏通长江大桥主跨将达到正在修建的中国苏通长江大桥主跨将

17、达到1088m。1. 1. 概述概述( (续续) ) 正在修建的中国香港昂船洲大桥的主跨达到正在修建的中国香港昂船洲大桥的主跨达到1018m。1. 1. 概述概述( (续续) ) 修建中的上海修建中的上海-崇明通道，斜拉桥主跨将达到崇明通道，斜拉桥主跨将达到730。 我国的斜拉桥设计建造技术已跨入世界先进行列：建成的上海杨浦大桥，跨度达602米，是世界瞩目的叠合梁斜拉桥。随着一系列跨海通道被列入议事日程，已经开始建造跨径超过1000米的斜拉桥。斜拉桥是塔、梁、拉索三种基本构件组成的缆索承重结构体系，结构表现为柔性的受力特性。斜拉桥的设计计算要根据其结构形式、设计阶段和计算要求来选用相应的力学模

18、式和计算理论。1. 1. 概述概述( (续续) )1. 1. 概述概述( (续续) )q计算模式是设计计算的关键。计算模式是设计计算的关键。在概念设计阶段，主要研究结构的设计参数，以求获得理想的结构布置，因此，对结构内力精度要求不高，可以采用平面杆系模式；在技术设计阶段，若仅仅计算恒、活载作用下结构的内力，仍可选用平面杆系模式，此时活载的空间效应用横向分布系数或偏载系数来表达；1. 1. 概述概述( (续续) )q 计算模式是设计计算的关键。若要计算空间荷载(风载、地震荷载、局部温差等)作用下的静力响应时，一般选用空间杆系模式，如图13.1(a)所示。选用这种模式，要特别注意实际结构与计算模式

19、间的刚度等效性；若要计算全桥构件的应力分布特性，可选用空间板壳、块体和梁单元的组合模式，如图13.1(b)所示。选用这类模式须特别注意不同单元结合部的节点位移协调性。 a) a) 空间杆系模式空间杆系模式 b) b) 块、壳、梁组合模式块、壳、梁组合模式 图图13-1 13-1 斜张桥计算模式斜张桥计算模式 q计算模式是设计计算的关键。为了研究斜拉桥结构中特殊部件(如斜拉索锚索区、塔梁固结区)的应力集中现象，可进行局部应力有限元分析。根据圣维南原理，将特殊构件从整体结构中取出，细分结构网格，将整体结构在分离断面处的内力、位移作为被分析子结构的边界条件进行二次分析。总之，选取力学模式要力求简单、

20、合理，并能抓住主要矛盾。q计算理论的选用也是十分重要的。计算理论的选用也是十分重要的。大跨径斜拉桥是柔性结构体系，非线性影响较为突出。非线性主要体现在材料和几何非线性两个方面。在概念设计阶段，主要研究成桥状态下宏观的力学响应特征，此时结构刚度较大，因此，计算可采用计入徐变、收缩的准非线性分析理论，对特大跨径柔性斜拉桥也可按线性二阶理论进行分析。在技术设计阶段，中等跨径的斜拉桥恒载分析仍以准非线性分析理论为主。超大跨径斜拉桥一般都要按有限位移理论进行验算。用有限位移理论计算的结果已自动计入了偏心受压构件的偏心增大系数，设计中不应重复计入。 q斜拉桥要经历一个分阶段施工的过程。施工分析的最终结果就是斜拉桥成桥时的理论受力状态。结构在施工过程中刚度远比成桥状态为小，几何非线性突出;结构的荷载(自重、施工机具、预应力等)是在施工过程中逐级施加的;每一施工阶段都可能伴随结构构形变化；构件材料的徐变、收缩；边界约束增减；预应力张拉和体系转换。后期结构的受力状态和力学性能与