斜拉桥拉索荷载力MIDAS

midasCivil2010斜拉桥专题—斜拉桥设计专题IntegratedSolutionSystemforBridgeandCivilStrucutres目录

二、斜拉桥索力调整理论

一、斜拉桥概述1.拉索单元模拟··········································42.未知荷载系数法功能·································73.索力调整功能··········································74.未闭合配合力功能····································7

三、midasCivil中的斜拉桥功能目录

四、斜拉桥分析例题1.桥梁概况··················································72.斜拉桥成桥分析········································73.斜拉桥倒拆分析········································114.斜拉桥正装分析·········································75.斜拉桥稳定分析·········································7一、斜拉桥概述斜拉桥的上部结构是由梁、索、塔三个主要部分组成，它是一种桥面体系以加劲梁受压(密索)或受弯(稀索)为主，支承体系以斜索受拉及桥塔受压为主的桥梁。

1956年，瑞典建成的Stroemsund桥拉开了现代斜拉桥建设的序幕。随后斜拉桥建设如雨后春笋般蓬勃发展，其跨径已经进入以前悬索桥适用的特大跨径范围。二、斜拉桥索力调整理论斜拉桥不仅具有优美的外形，而且具有良好的力学性能，其主要优点在于：恒载作用下，拉索的索力是可以调整的。斜拉桥可以认为是大跨径的体外预应力结构。

在力学性能方面，当在恒载作用时，斜拉索的作用并不仅仅是弹性支承，更重要的是它能通过千斤顶主动地施加平衡外荷载的初张力，正是因为斜拉索的索力是可以调整的，斜拉索才可以改变主梁的受力条件。活载作用下，斜拉索对主梁提供了弹性支承，使主梁相当于弹性支承的连续梁。由此可见，对于斜拉桥而言，斜拉索的初张力分析是非常重要的。

张拉斜拉索时，实际上已经将该斜拉索脱离出来单独工作，因为斜拉索的张力和结构的其它部分无关，而只与千斤顶有关，因此在张拉斜拉索时，其初张力效应必须采用隔离体分析（midas

Civil中采用体外力来进行模拟）。

确定斜拉索张拉力的方法主要有刚性支承连续梁法、零位移法、倒拆和正装法、无应力状态控制法、内力平衡法和影响矩阵法等，各种方法的原理和适用对象请参考刘士林等编著的公路桥梁设计丛书－《斜拉桥》。

刚性支承连续梁法是指成桥状态下，斜拉桥主梁的弯曲内力和刚性支承连续梁的内力状态一致。因此可以非常容易地根据连续梁的支承反力确定斜拉索的初张力。1)刚性支承连续梁法2)零位移法3)倒拆和正装法零位移法的出发点是通过索力调整，使成桥状态下主梁和斜拉索的交点的位移为零。对于采用满堂支架一次落架的斜拉桥体系，其结果与刚性支承连续梁法的结果基本一致。上述2种方法用于确定主跨和边跨对称的单塔斜拉桥的索力是最为有效的，对于主跨和边跨几乎对称的3跨斜拉桥次之，对于主跨和边跨的不对称性较大的斜拉桥，几乎失去了作用（因为这两种方法必然导致比较大的塔根弯矩，失去了索力优化的意义）。倒拆法是斜拉桥安装计算广泛采用的一种方法，通过倒拆、正装交替计算，确定各施工阶段的安装参数，使结构逐步达到预定的线形和内力状态。以上简单介绍了斜拉桥索力调整的几种方法，实际施工中的索力调整是比较复杂的，而且实践性很强。结构分析工程师的经验非常重要，只有多次反复试算才可以得到比较满意的索力。例如：对于锚固在支座上方或附近部位的斜拉索的索力对主梁的弯矩和位移的影响非常小，如果取主梁上的位移或弯矩作为控制值，会导致病态方程。对于辅助墩附近的斜拉索建议人为假定索力进行试算，以得到理想的结构内力和线形。无应力状态法分析的基本思路是：不计斜拉索的非线性和混凝土收缩徐变的影响，采用完全线性理论对斜拉桥解体，只要保证单元长度和曲率不变，则无论按照何种程序恢复还原后的结构内力和线形将与原结构一致。4)无应力状态控制法5)内力平衡法6)影响矩阵法内力平衡法的基本原理是：设计适当或合理的斜拉索初张力，以使结构各控制截面在恒载和活载共同作用下，上翼缘的最大应力和材料允许应力之比等于下翼缘的最大应力和材料允许应力之比。三、

midasCivil中的斜拉桥功能

斜拉桥的设计过程与一般梁式桥的设计过程有所不同。对于梁式桥梁结构，如果结构尺寸、材料、二期恒载都确定之后，结构的恒载内力也随之基本确定，无法进行较大的调整。但对于斜拉桥，由于其荷载是由主梁、桥塔和斜拉索分担的，合理地确定各构件分担的比例是十分重要的。因此斜拉桥的设计首先是确定其合理的成桥状态，即合理的线形和内力状态，其中起主要调整作用的就是斜拉索的张拉力。

确定斜拉索张拉力的方法主要有刚性支承连续梁法、零位移法、倒拆和正装法、无应力状态控制法、内力平衡法和影响矩阵法等，各种方法的原理和适用对象请参考刘士林等编著的公路桥梁设计丛书－《斜拉桥》。midasCivil程序针对斜拉桥的张拉力确定、施工阶段分析、非线性分析等提供了多种解决方案，下面就一些斜拉桥功能做一些说明。第一步成桥状态分析

第一步：进行成桥状态分析，即建立成桥模型，考虑结构自重、二期恒载、斜拉索的初拉力（单位力），进行静力线性分析后，利用“未知荷载系数”的功能，根据影响矩阵求出满足所设定的约束条件（线形和内力状态）的初拉力系数。此时斜拉索需采用桁架单元来模拟，这是因为斜拉桥在成桥状态时拉索的非线性效应可以看作不是很大，而且影响矩阵法的适用前提是荷载效应的线性叠加(荷载组合)成立。第二步倒拆施工阶段分析

第二步：利用算得的成桥状态的初拉力（不再是单位力），建立成桥模型并定义倒拆施工阶段，以求出在各施工阶段需要张拉的索力。此时斜拉索采用只受拉索单元来模拟，在施工阶段分析控制对话框中选择“体内力”。

第三步：根据倒拆分析得到的各施工阶段拉索的内力，将其按初拉力输入建立正装施工阶段的模型并进行分析。此时斜拉索仍可采用只受拉索单元来模拟，但在施工阶段分析控制对话框中选择“体外力”。第三步正装施工阶段分析斜拉桥常规分析流程

但是设计人员会发现上述过程中，倒拆分析和正装分析的最终阶段（成桥状态）的结果是不闭合的。这是因为合拢段在倒拆分析和正装分析时的结构体系差异，导致正装分析时得到的最终阶段(成桥阶段)的内力与单独做成桥阶段分析(平衡状态分析)的结果有差异。即，初始平衡状态分析（成桥阶段分析）时，同时考虑了全部结构的自重、索拉力以及二期荷载的影响；而在正装分析时，合拢之前所有阶段的加劲梁会因为自重、索拉力产生变形，合拢时合拢段只受自身的自重影响而不受其它结构的自重和索拉力的影响。几种索单元类型:桁架单元只受拉桁架单元只受拉钩单元只受拉索单元

(恩斯特公式修正的索单元、

大变形的悬索单元)1.拉索单元模拟索单元的不同分析方式:静力线性分析:

按考虑恩斯特公式修正的等效桁架单元进行分析静力非线性分析(设置非线性分析控制):

按考虑大变形的悬索单元进行分析施工阶段考虑时间依存性效果（线性）:

按考虑恩斯特公式修正的等效桁架单元进行分析施工阶段考虑非线性分析:

按考虑大变形的悬索单元进行分析

移动荷载分析或支座沉降分析:

按桁架单元(或考虑成桥时的几何刚度)进行线性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索单元的使用:悬索桥的主缆和吊杆：建议使用考虑大变形的悬索单元大跨斜拉桥的斜拉索：对于近千米或者超过千米的斜拉桥建议使用考虑大变形的索单元中小跨斜拉桥的斜拉索：建议使用考虑恩斯特公式修正的等效桁架单元拱桥的吊杆：建议使用桁架单元或只受拉桁架单元系杆拱桥的系杆：建议使用桁架单元体内预应力或体外预应力的钢索（钢束）：与索单元无关，使用预应力荷载功能按荷载来模拟即可。

进行细部分析时对于钢束可以按桁架单元来模拟中小跨斜拉桥的斜拉索：建议使用考虑恩斯特公式修正的等效桁架单元

即对采用索单元模拟的斜拉桥进行线性分析，此时的索单元即是考虑恩斯特公式修正的等效桁架单元。E为考虑垂度影响的拉索换算弹性模量恩斯特公式，由德国著名学者提出。公式表明：选用高强度的材料，提高拉索的工作应力，采用轻而有效的拉索防护手段，使拉索每延米的重量不致过多增加，均有助于提高拉索刚度，降低其非线性影响。结果>未知荷载系数

利用未知荷载系数功能，可以计算出最小误差范围内的能够满足特定约束条件的最佳荷载系数，利用这些荷载系数计算拉索初拉力。指定位移、反力、内力的“0”值以及最大最小值作为约束条件，拉索初拉力作为变量（未知数）来计算。

计算未知荷载系数适用于线性结构体系，为了计算出最佳的索力，必须要输入适当的约束条件。主塔不受或只受较小的弯矩作用；主塔弯矩均匀分布；主梁的变形最小；最终索力不集中在几根拉索，而是均匀分布在每根拉索上。2.未知荷载系数法功能复制和粘贴考虑三施工三阶段三的未三知荷三载系三数法本程三序还三可考三虑施三工阶三段，三计算三未知三荷载三系数三。利三用此三功能三可直三接计三算出三，施三工过三程中三每根三拉索三的拉三索控三制力三。定义三正装三施工三阶段三模型三。将每三个施三工阶三段的三拉索三初拉三力定三义单三位初三拉力三。（三注：三拉索三过程三必须三单独三定义三施工三阶段三）运行三分析三后，三通过三未知三荷载三系数三计算三，求三得符三合约三束的三条件三的，三施工三过程三中的三拉索三控制三力。但，三此方三法不三太容三易定三义约三束条三件。斜拉三桥索三力的三计算三非常三复杂三，过三去是三依靠三设计三人员三判断三以及三参考三实际三经验三值来三确定三拉索三张力三的。三为了三使设三计人三员可三以更三加便三捷地三计算三斜拉三桥拉三索的三初始三张力三，mi三da三s三Ci三vi三l提供三未知三荷载三系数三功能三。不三过，三由于三未知三荷载三系数三的功三能提三供的三张力三结果三只是三能够三满足三约束三条件三的解三，所三以有三时无三法完三全满三足技三术人三员的三设计三意图三。mi三da三s三Ci三vi三l20三10中，三为了三改善三未知三荷载三系数三功能三，并三且使三设计三过程三中的三反复三调整三工作三尽可三能简三便，三特别三开发三和提三供了三索力三调整三功能三。索力三调整三功能三使设三计人三员可三以直三接调三整索三力，三并且三不需三要任三何重三新分三析即三可实三时查三看主三梁或三者主三塔的三变形三情况三，因三此可三以非三常便三捷、三快速三地获三得初三始张三力。3.索力三调整三功能拉索三的张三力(或者三荷载三系数)可以三利用三输入三窗口三或柱三状图三进行三微调三来确三定最三优索三力设计三人员三指定三的范三围(红线)随拉三索张三力变三化的三结果(蓝线)影响三值(绿线)在影三响矩三阵中三确认三对单三元影三响最三大的三张力三后，三使用三搜索三功能三，确三定最三优索三力索力三调整三步骤ST三EP三1三.斜拉三桥建三模ST三EP三2三.定义三主梁的恒三载和各索三单位三荷载三的荷三载工三况ST三EP三3三.输入三恒载三和单三位荷三载ST三EP三4三.对恒载三和单三位荷三载进行三荷载三组合ST三EP三5三.利用三未知三荷载三系数功能三计算三未知三荷载三系数ST三EP三6三.利用三调索三功能调整三拉索初始三索力ST三EP三7三.查看三分析三结果三并最三终确三定初始三索力4.未闭三合配三合力三功能mi三da三s三Ci三vi三l能够三在小三位移三分析三中考三虑假三想位三移，三以无三应力三长为三基础三进行三正装三分析三。这三种通三过无三应力三长与三索长三度的三关系三计算三索初三拉力三的功三能叫未闭三合配三合力功能三。未三闭合三配合三力具三体包三括两三部分三，一三是因三为施三工过三程中三产生三的结三构位三移和三结构三体系三的变三化而三产生三的拉三索的三附加三初拉三力，三二是三为使三安装三合拢三段时三达到三设计三的成三桥阶三段状三态合三拢段三上也三会产三生附三加的三内力三。利三用此三功能三可不三必进三行倒三拆分三析，三只要三进行三正装三分析三就能三得到三最终三理想三的设三计桥三型和三内力三结果三。分析>施工三阶段三分析三控制三数据斜拉三桥施三工时三，最三终阶三段往三往是三跨中三合拢三的施三工。三跨中三合拢三的一三刹那三，结三构体三系完三全转三换。三需要三说明三的是三，利三用成三桥模三型计三算未三知荷三载系三数时三，跨三中合三拢段三处于三连续三状态三。但三在施三工合三拢段三时，三合拢三段并三非处三于连三续状三态，三即两三端的三弯矩三为0。按三照前三面介三绍的三分析三方法三，结三果会三出现三不必三和的三情况三。通过三未必三和配三合力三的分三析方三法，三可以三得到三最终三合拢三后的三阶段三与成三桥目三标函三数完三全闭三合的三结果三。未必三和配三合力三方法三，仅三通过三正装三模型三就可三以计三算拉三索张三拉控三制力三，没三必要三像前三面所三诉的三方法三，还三需要三建立三一个三倒拆三模型三来求三得。未必三和配三合力三计算三原理三：激三活斜三拉索三之前三，拉三索两三端节三点因三前一三阶段三的荷三载，三发生三的变三形。三激活三拉索三时，三已输三入的三体内三力还三不能三把发三生变三形的三节点三拉回三原位三，还三需要三补一三定量三的张三力，三此张三拉力三即为三未必三和配三合力三。程序三不仅三可以三计算三出，三每根三斜拉三索的三未必三和配三合力三，还三可计三算出三合拢三段的三未必三和配三合力三。使三最终三阶段三的内三力以三及变三形结三果与三成桥三目标三完全三闭合三。（注三：合三拢段三的未三必和三配合三力，三其实三也没三有实三际意三义。三因目三前还三没有三能够三对于三合拢三段预三加内三力的三工具三）四、斜拉三桥分三析例三题本例三题中三的桥三是一三座跨三度为三（70三m+三12三5m三+7三0m）双三塔斜三拉桥三梁，三塔高三约60米。1.桥梁三概况为了三决定三安装三拉索三时的三控制三张拉三力，三首先三要确定在三成桥三阶段三恒载三作用三下的三初始三平衡三状态三，然三后再三按施三工顺三序进三行施三工阶三段分三析。首先通过三倒拆三分析三计算三初张三拉力三，然三后进三行正三装施三工阶三段分三析。三在本三例题三将介三绍通过三未知三荷载三系数三法并三配合三斜拉三桥调三索功三能进三行斜拉三桥成桥三分析三；以三成桥三状态三为基三础然三后进三行斜三拉桥三倒拆三模拟三；最三后采用三未闭三合配三合力三功能或者三施工三阶段三的未三知荷三载系三数法进行斜拉三桥的正装三分析模拟。桥梁三有限三元模三型2.斜拉三桥成三桥分三析第一三步建立三成桥三模型关键三点：三为了三结合三未知三荷载三系数三法进三行调三索，索结三构必须三用桁架三（线三性）三单元进行三模拟三，这三样结三构才三支持三荷载三的线三性叠三加功三能。第二步定义三荷载三工况关键三点：三将不三同的三索力三定义三为不三同的三荷载三工况三，作三为未三知荷三载来三考虑三。第三三步采用三未知三荷载三系数三法进三行斜三拉桥三调索关键三点：三定义三成桥三约束三条件三，求三解最三优的三荷载三组合三系数三（未三知荷三载系三数）斜拉三桥成桥分析流程第四步采用三调索三功能三进行三斜拉三桥索三力微三调关键三点：三结合三影响三矩阵三，找三出影三响效三应大三的索三单元三，对三此索三单元三做优三先考三虑的微调（如三果调三索幅三度太三大的三话，三可能三会引三起其三它结三构不三满足三最优三化状三态）3.斜拉三桥倒三拆分三析第一三步建立三倒拆三施工三阶段三模拟三模型关键三点：三将调三索成三功的三成桥三索力三（单三位荷三载*组合三系数三）作三为体内三力赋予三给相三应的三索结三构，三然后三对结三构进三行倒三拆模三拟。第二步得出三倒拆三的各三施工三阶段三的索三力斜拉三桥倒拆分析流程4.斜拉三桥正三装分三析第一三步建立三正装三施工三阶段三模拟三模型关键三点：三将倒三拆的三各施三工阶三段的三索力三作为体外三力加在三相应三的正三装阶三段。第二