Midas斜拉桥设计方法介绍

Midas斜拉桥设计方法介绍IntegratedSolutionSystemforBridgeandCivilStrucutres目录录二、斜斜拉桥桥索力力调整整理论论一、斜斜拉桥桥概述述1.拉索单单元模模拟······························································42.未知荷荷载系系数法法功能能·················································73.索力调调整功功能······························································74.未闭合合配合合力功功能·····················································7三、midasCivil中的斜斜拉桥桥功能能目录录四、斜斜拉桥桥分析析例题题1.桥梁概概况··········································································72.斜拉桥桥成桥桥分析析···························································73.斜拉桥桥倒拆拆分析析···························································114.斜拉桥桥正装装分析析·····························································75.斜拉桥桥稳定定分析析·····························································7一、斜斜拉桥桥概述述斜拉桥桥的上上部结结构是是由梁梁、索索、塔塔三个个主要要部分分组成成，它它是一一种桥桥面体体系以以加劲劲梁受受压(密索)或受弯弯(稀索)为主，，支承承体系系以斜斜索受受拉及及桥塔塔受压压为主主的桥桥梁。。1956年，瑞瑞典建建成的的Stroemsund桥拉开开了现现代斜斜拉桥桥建设设的序序幕。。随后后斜拉拉桥建建设如如雨后后春笋笋般蓬蓬勃发发展，，其跨跨径已已经进进入以以前悬悬索桥桥适用用的特特大跨跨径范范围。。二、斜斜拉桥桥索力力调整整理论论斜拉桥桥不仅仅具有有优美美的外外形，，而且且具有有良好好的力力学性性能，，其主主要优优点在在于：：恒载载作用用下，，拉索索的索索力是是可以以调整整的。。斜拉拉桥可可以认认为是是大跨跨径的的体外外预应应力结结构。。在力学学性能能方面面，当当在恒恒载作作用时时，斜斜拉索索的作作用并并不仅仅仅是是弹性性支承承，更更重要要的是是它能能通过过千斤斤顶主主动地地施加加平衡衡外荷荷载的的初张张力，，正是是因为为斜拉拉索的的索力力是可可以调调整的的，斜斜拉索索才可可以改改变主主梁的的受力力条件件。活活载作作用下下，斜斜拉索索对主主梁提提供了了弹性性支承承，使使主梁梁相当当于弹弹性支支承的的连续续梁。。由此此可见见，对对于斜斜拉桥桥而言言，斜斜拉索索的初初张力力分析析是非非常重重要的的。张拉斜斜拉索索时，，实际际上已已经将将该斜斜拉索索脱离离出来来单独独工作作，因因为斜斜拉索索的张张力和和结构构的其其它部部分无无关，，而只只与千千斤顶顶有关关，因因此在在张拉拉斜拉拉索时时，其其初张张力效效应必必须采采用隔隔离体体分析析（midasCivil中采用用体外外力来来进行行模拟拟）。。确定斜斜拉索索张拉拉力的的方法法主要要有刚刚性支支承连连续梁梁法、、零位位移法法、倒倒拆和和正装装法、、无应应力状状态控控制法法、内内力平平衡法法和影影响矩矩阵法法等，，各种种方法法的原原理和和适用用对象象请参参考刘刘士林林等编编著的的公路路桥梁梁设计计丛书书－－《斜斜拉桥桥》。。刚性支支承连连续梁梁法是是指成成桥状状态下下，斜斜拉桥桥主梁梁的弯弯曲内内力和和刚性性支承承连续续梁的的内力力状态态一致致。因因此可可以非非常容容易地地根据据连续续梁的的支承承反力力确定定斜拉拉索的的初张张力。。1)刚性支支承连连续梁梁法2)零位移移法3)倒拆和和正装装法零位移移法的的出发发点是是通过过索力力调整整，使使成桥桥状态态下主主梁和和斜拉拉索的的交点点的位位移为为零。。对于于采用用满堂堂支架架一次次落架架的斜斜拉桥桥体系系，其其结果果与刚刚性支支承连连续梁梁法的的结果果基本本一致致。上述2种方法法用于于确定定主跨和和边跨跨对称称的单塔塔斜拉拉桥的的索力力是最最为有有效的的，对对于主主跨和和边跨跨几乎乎对称称的3跨斜拉拉桥次次之，，对于于主跨跨和边边跨的的不对对称性性较大大的斜斜拉桥桥，几几乎失失去了了作用用（因因为这这两种种方法法必然然导致致比较较大的的塔根根弯矩矩，失失去了了索力力优化化的意意义））。倒拆法法是斜斜拉桥桥安装装计算算广泛泛采用用的一一种方方法，，通过过倒拆拆、正正装交交替计计算，，确定定各施施工阶阶段的的安装装参数数，使使结构构逐步步达到到预定定的线线形和和内力力状态态。以上简简单介介绍了了斜拉拉桥索索力调调整的的几种种方法法，实实际施施工中中的索索力调调整是是比较较复杂杂的，，而且且实践践性很很强。。结构构分析析工程程师的的经验验非常常重要要，只只有多多次反反复试试算才才可以以得到到比较较满意意的索索力。。例如如：对对于锚锚固在在支座座上方方或附附近部部位的的斜拉拉索的的索力力对主主梁的的弯矩矩和位位移的的影响响非常常小，，如果果取主主梁上上的位位移或或弯矩矩作为为控制制值，，会导导致病病态方方程。。对于于辅助助墩附附近的的斜拉拉索建建议人人为假假定索索力进进行试试算，，以得得到理理想的的结构构内力力和线线形。。无应力力状态态法分分析的的基本本思路路是：：不计计斜拉拉索的的非线线性和和混凝凝土收收缩徐徐变的的影响响，采采用完完全线线性理理论对对斜拉拉桥解解体，，只要要保证证单元元长度度和曲曲率不不变，，则无无论按按照何何种程程序恢恢复还还原后后的结结构内内力和和线形形将与与原结结构一一致。。4)无应力力状态态控制制法5)内力平平衡法法6)影响矩矩阵法法内力平平衡法法的基基本原原理是是：设设计适适当或或合理理的斜斜拉索索初张张力，，以使使结构构各控控制截截面在在恒载载和活活载共共同作作用下下，上上翼缘缘的最最大应应力和和材料料允许许应力力之比比等于于下翼翼缘的的最大大应力力和材材料允允许应应力之之比。。三、midasCivil中的斜斜拉桥桥功能能斜拉桥桥的设设计过过程与与一般般梁式式桥的的设计计过程程有所所不同同。对对于梁梁式桥桥梁结结构，，如果果结构构尺寸寸、材材料、、二期期恒载载都确确定之之后，，结构构的恒恒载内内力也也随之之基本本确定定，无无法进进行较较大的的调整整。但对于斜斜拉桥桥，由由于其其荷载载是由由主梁梁、桥桥塔和和斜拉拉索分分担的的，合合理地地确定定各构构件分分担的的比例例是十十分重重要的的。因因此斜斜拉桥桥的设设计首首先是是确定定其合合理的的成桥桥状态态，即即合理理的线线形和和内力力状态态，其其中起起主要要调整整作用用的就就是斜斜拉索索的张张拉力力。确定斜斜拉索索张拉拉力的的方法法主要要有刚刚性支支承连连续梁梁法、、零位位移法法、倒倒拆和和正装装法、、无应应力状状态控控制法法、内内力平平衡法法和影影响矩矩阵法法等，，各种种方法法的原原理和和适用用对象象请参参考刘刘士林林等编编著的的公路路桥梁梁设计计丛书书－－《斜斜拉桥桥》。。midasCivil程序针针对斜斜拉桥桥的张张拉力力确定定、施施工阶阶段分分析、、非线线性分分析等等提供供了多多种解解决方方案，，下面面就一一些斜拉桥功能做一些些说明。第一步成桥状态分分析第一步：进行成桥状状态分析，，即建立成成桥模型，，考虑结构构自重、二二期恒载、、斜拉索的的初拉力（（单位力）），进行静静力线性分分析后，利利用“未知知荷载系数数”的功能能，根据影影响矩阵求求出满足所所设定的约约束条件（（线形和内内力状态））的初拉力力系数。此此时斜拉索需采采用桁架单单元来模拟，这这是因为斜斜拉桥在成成桥状态时时拉索的非非线性效应应可以看作作不是很大大，而且影影响矩阵法法的适用前前提是荷载载效应的线线性叠加(荷载组合)成立。第二步倒拆施工阶阶段分析第二步：利用算得的的成桥状态态的初拉力力（不再是是单位力）），建立成成桥模型并并定义倒拆拆施工阶段段，以求出出在各施工工阶段需要要张拉的索索力。此时时斜拉索采用用只受拉索索单元来模拟，在在施工阶段段分析控制制对话框中中选择“体内力””。第三步：根据倒拆分分析得到的的各施工阶阶段拉索的的内力，将将其按初拉拉力输入建建立正装施施工阶段的的模型并进进行分析。。此时斜拉索仍可采用只受拉拉索单元来模拟，但但在施工阶阶段分析控控制对话框框中选择“体外力””。第三步正装施工阶阶段分析斜拉桥常规分析流程但是设计人人员会发现现上述过程程中，倒拆拆分析和正正装分析的的最终阶段段（成桥状状态）的结结果是不闭闭合的。这这是因为合合拢段在倒倒拆分析和和正装分析析时的结构构体系差异异，导致正正装分析时时得到的最最终阶段(成桥阶段)的内力与单单独做成桥桥阶段分析析(平衡状态分分析)的结果有差差异。即，，初始平衡衡状态分析析（成桥阶阶段分析））时，同时时考虑了全全部结构的的自重、索索拉力以及及二期荷载载的影响；；而在正装装分析时，，合拢之前前所有阶段段的加劲梁梁会因为自自重、索拉拉力产生变变形，合拢拢时合拢段段只受自身身的自重影影响而不受受其它结构构的自重和和索拉力的的影响。几种索单元元类型:桁架单元只受拉桁架架单元只受拉钩单单元只受拉索单单元(恩斯特公式式修正的索索单元、大变形的悬悬索单元)1.拉索单元模模拟索单元的不不同分析方方式:静力线性分分析:按考虑恩斯斯特公式修修正的等效效桁架单元元进行分析析静力非线性性分析(设置非线性性分析控制制):按考虑大变变形的悬索索单元进行行分析施工阶段考考虑时间依依存性效果果（线性））:按考虑恩斯斯特公式修修正的等效效桁架单元元进行分析析施工阶段考考虑非线性性分析:按考虑大变变形的悬索索单元进行行分析移动荷载分分析或支座座沉降分析析:按桁架单元元(或考虑成桥桥时的几何何刚度)进行线性分分析成桥状态荷载工况不勾选“在PostCS…”勾选“PostCS…”备注移动荷载按桁架单元考虑（线性叠加）考虑成桥状态的索单元和梁单元的几何刚度支座沉降同上同上动力分析（特征值分析等）同上同上温度荷载按等效桁架单元考虑，基于恩斯特公式进行反复迭代计算同上其它静力荷载按等效桁架单元考虑，基于恩斯特公式进行反复迭代计算同上不同结构中中索单元的的使用:悬索桥的主主缆和吊杆杆：建议使使用考虑大大变形的悬悬索单元大跨斜拉桥桥的斜拉索索：对于近近千米或者者超过千米米的斜拉桥桥建议使用用考虑大变变形的索单单元中小跨斜拉拉桥的斜拉拉索：建议议使用考虑虑恩斯特公公式修正的的等效桁架架单元拱桥的吊杆杆：建议使使用桁架单单元或只受受拉桁架单单元系杆拱桥的的系杆：建建议使用桁桁架单元体内预应力力或体外预预应力的钢钢索（钢束束）：与索索单元无关关，使用预预应力荷载载功能按荷荷载来模拟拟即可。进行细部分分析时对于于钢束可以以按桁架单单元来模拟拟中小跨斜拉拉桥的斜拉拉索：建议议使用考虑虑恩斯特公公式修正的的等效桁架架单元即对采用索索单元模拟拟的斜拉桥桥进行线性性分析，此此时的索单单元即是考虑恩斯特特公式修正正的等效桁桁架单元。E为考虑垂度度影响的拉拉索换算弹弹性模量恩斯特公式式，由德国著著名学者H.-J.Ernst提出。公式式表明：选选用高强度度的材料，，提高拉索索的工作应应力，采用用轻而有效效的拉索防防护手段，，使拉索每每延米的重重量不致过过多增加，，均有助于于提高拉索索刚度，降降低其非线线性影响。。结果>未知荷载系系数利用未知荷载系系数功能，可以以计算出最最小误差范范围内的能能够满足特特定约束条条件的最佳佳荷载系数数，利用这这些荷载系系数计算拉拉索初拉力力。指定位移、、反力、内内力的“0”值以及最最大最小值值作为约束条件，拉索索初拉力作作为变量（未知数））来计算。计算未知荷荷载系数适适用于线性性结构体系系，为了计计算出最佳佳的索力，，必须要输输入适当的的约束条件。主塔不受或或只受较小小的弯矩作作用；主塔弯矩均均匀分布；；主梁的变形形最小；最终索力不不集中在几几根拉索，，而是均匀匀分布在每每根拉索上上。2.未知荷载系系数法功能能复制和粘贴贴考虑施工阶阶段的未知知荷载系数数法本程序还可可考虑施工工阶段，计计算未知荷荷载系数。。利用此功功能可直接接计算出，，施工过程程中每根拉拉索的拉索索控制力。。定义正装施施工阶段模模型。将每个施工工阶段的拉拉索初拉力力定义单位位初拉力。。（注：拉拉索过程必必须单独定定义施工阶阶段）运行分析后后，通过未未知荷载系系数计算，，求得符合合约束的条条件的，施施工过程中中的拉索控控制力。但，此方法法不太容易易定义约束束条件。斜拉桥索力力的计算非非常复杂，，过去是依依靠设计人人员判断以以及参考实实际经验值值来确定拉拉索张力的的。为了使使设计人员员可以更加加便捷地计计算斜拉桥桥拉索的初初始张力，，midasCivil提供未知荷荷载系数功功能。不过过，由于未未知荷载系系数的功能能提供的张张力结果只只是能够满满足约束条条件的解，，所以有时时无法完全全满足技术术人员的设设计意图。。midasCivil2010中，为了改改善未知荷荷载系数功功能，并且且使设计过过程中的反反复调整工工作尽可能能简便，特特别开发和和提供了索索力调整功功能。索力调整功功能使设计计人员可以以直接调整整索力，并并且不需要要任何重新新分析即可可实时查看看主梁或者者主塔的变变形情况，，因此可以以非常便捷捷、快速地地获得初始始张力。3.索力调整功功能拉索的张力力(或者荷载系系数)可以利用输输入窗口或或柱状图进进行微调来来确定最优优索力设计人员指指定的范围围(红线)随拉索张力力变化的结结果(蓝线)影响值(绿线)在影响矩阵阵中确认对对单元影响响最大的张张力后，使使用搜索功功能，确定定最优索力力索力调整步步骤STEP1.斜拉桥建模模STEP2.定义主梁的恒载和各索单位荷荷载的荷载载工况STEP3.输入恒载和和单位荷载载STEP4.对恒载和单位位荷载进行荷载组组合STEP5.利用未知荷荷载系数功能计算未未知荷载系系数STEP6.利用调索功功能调整拉索初始索力STEP7.查看分析结结果并最终终确定初始索力4.未闭合配合合力功能midasCivil能够在小位位移分析中中考虑假想想位移，以以无应力长长为基础进进行正装分分析。这种种通过无应应力长与索索长度的关关系计算索索初拉力的的功能叫未闭合配合合力功能。未闭闭合配合力力具体包括括两部分，，一是因为为施工过程程中产生的的结构位移移和结构体体系的变化化而产生的的拉索的附附加初拉力力，二是为为使安装合合拢段时达达到设计的的成桥阶段段状态合拢拢段上也会会产生附加加的内力。。利用此功功能可不必必进行倒拆拆分析，只只要进行正正装分析就就能得到最最终理想的的设计桥型型和内力结结果。分析>施工阶段分分析控制数数据斜拉桥施工工时，最终终阶段往往往是跨中合合拢的施工工。跨中合合拢的一刹刹那，结构构体系完全全转换。需需要说明的的是，利用用成桥模型型计算未知知荷载系数数时，跨中中合拢段处处于连续状状态。但在在施工合拢拢段时，合合拢段并非非处于连续续状态，即即两端的弯弯矩为0。按照前面面介绍的分分析方法，，结果会出出现不必和和的情况。。通过未必和和配合力的的分析方法法，可以得得到最终合合拢后的阶阶段与成桥桥目标函数数完全闭合合的结果。。未必和配合合力方法，，仅通过正正装模型就就可以计算算拉索张拉拉控制力，，没必要像像前面所诉诉的方法，，还需要建建立一个倒倒拆模型来来求得。未必和配合合力计算原原理：激活活斜拉索之之前，拉索索两端节点点因前一阶阶段的荷载载，发生的的变形。激激活拉索时时，已输入入的体内力力还不能把把发生变形形的节点拉拉回原位，，还需要补补一定量的的张力，此此张拉力即即为未必和和配合力。。程序不仅可可以计算出出，每根斜斜拉索的未未必和配合合力，还可可计算出合合拢段的未未必和配合合力。使最最终阶段的的内力以及及变形结果果与成桥目目标完全闭闭合。（注：合拢拢段的未必必和配合力力，其实也也没有实际际意义。因因目前还没没有能够对对于合拢段段预加内力力的工具））四、斜拉桥分析析例题本例题中的的桥是一座座跨度为（（70m+125m+70m）双塔斜拉拉桥梁，塔塔高约60米。1.桥梁概况为了决定安安装拉索时时的控制张张拉力，首首先要确定在成桥阶阶段恒载作作用下的初初始平衡状状态，然后后再按施工工顺序进行行施工阶段段分析。首先通过倒拆分分析计算初初张拉力，，然后进行行正装施工工阶段分析析。在本例例题将介绍绍通过未知荷荷载系数法法并配合斜斜拉桥调索索功能进行行斜拉桥成桥分析；；以成桥状状态为基础础然后进行行斜拉桥倒倒拆模拟；；最后采用未闭合合配合力功功能或者施工阶阶段的未知知荷载系数数法进行斜拉桥的正装分析模拟。桥梁有限元元模型2.斜拉桥成桥桥分析第一步建立成桥模模型关键点：为为了结合未未知荷载系系数法进行行调索，索结构必须用桁架（线性性）单元进行模拟，，这样结构构才支持荷荷载的线性性叠加功能能。第二步定义荷载工工况关键点：将将不同的索索力定义为为不同的荷荷载工况，，作为未知知荷载来考考虑。第三步采用未知荷荷载系数法法进行斜拉拉桥调索关键点：定定义成桥约约束条件，，求解最优优的荷载组组合系数（（未知荷载载系数）