橋梁工程斜拉橋?qū)ｎ}

1、第二篇 鋼筋混凝土和預應力混凝土梁式橋武漢理工大學交通學院 制作：雷建平斜拉橋?qū)ｎ} 第二節(jié) 總體布置及結構體系總體布置塔索布置跨徑布置拉索及主梁的關系塔高與跨徑關系一、總體布置1、跨徑布置雙塔三跨 邊跨l1/中跨l2=0.20.5,單塔二跨 邊跨l1/中跨l2=0.51.0輔助墩及外邊孔2、索塔高度索塔高度主跨跨徑索面形式（輻射式、豎琴式或扇式）拉索的索距和拉索的水平傾角雙塔：H/l2=0.180.25單塔：H/l2=0.0.340.453、拉索布置空間布置形式單索面雙索面豎直雙索面傾斜雙索面拉索在平面內(nèi)的布置型式輻射式豎琴式扇式拉索間距早期：稀索混凝土達15m30m鋼斜拉橋達30m50m現(xiàn)代

2、： 密索混凝土達4m12m鋼斜拉橋達8m24m拉索傾角（邊索）輻射式或扇式：260300豎琴式:2103004、主梁的布置二、結構體系按梁體與塔墩的連接分漂浮體系半漂浮體系塔梁固結體系剛構體系按拉索的錨拉體系分類自錨式斜拉橋地錨式斜拉橋部分地錨式斜拉橋錨拉體系與主梁軸力的關系第二章 混凝土斜拉橋的構造一、拉索種類與構造第一節(jié) 拉索的種類、構造及防護每 一 根 拉 索 都 包 括 鋼 索 和 錨 具 兩 大 部 分 。 鋼 索 承 受 拉 力 ， 設 置 在 鋼 索 兩 端 的 錨 具用 來 傳 遞 拉 力 。 鋼 索 作 為 斜 拉 索 的 主 體 主 要 有 如 下 幾 種 形 式 。將7絲

3、鋼絞線平行排列，布置成六腳形截面平行鋼筋索： 高強鋼筋平行布置組成，標準強度不低于1470MPa鋼絲索 平行鋼絲股索： 平行鋼絲索半平行鋼絲索采用鍍鋅高強鋼絲，其標準強度不低于1600MPa，常采用5或 7鍍鋅鋼絲制造鋼絞線 平行鋼絞線索： 半平行鋼絞線索封閉式鋼纜單根鋼纜施工操作過程繁雜，索中鋼筋都有接頭，目前很少使用二拉索端部錨固熱鑄錨墩頭錨冷鑄錨夾片式群錨三、拉索的防護第二節(jié)主梁構造特點第二節(jié)主梁構造特點一、主梁的總體布置結構體系飄浮體系半飄浮體系塔梁固結鋼構體系主梁為多點支承的單跨、連續(xù)、懸臂或剛構；對于密索自錨式斜拉橋主梁為受壓為主的壓彎構件2、主梁的邊跨和主跨比3、主梁端部處理4、

4、主梁高度沿跨長的變化（二）、橫截面形式實體雙主梁截面板式邊主梁截面分離雙箱截面整體箱形截面板式箱形截面二、主要尺寸擬定主梁高度h：h=1/501/200主梁寬度B:主梁寬與主跨的比值宜大于1/30，與主梁高 的比宜大于8主梁各細部尺寸：主要根據(jù)軸力來確定截面調(diào)試三、鋼筋的布置普通鋼筋的配置縱向預應力筋：分段布置，一般在主跨跨中和邊跨端部橫向預應力筋第三節(jié)、塔結構形式和截面尺寸一、索塔的結構形式順橋方向橫橋方向二、塔的組成塔的截面形式矩形截面非矩形截面第四節(jié) 拉索錨固結構拉索與混凝土主梁的錨固構造在主梁頂板設置錨固構造（錨固塊）在箱梁內(nèi)錨固在梁體兩側設錨固、拉索與混凝土塔的錨固構造拉索在塔上交叉

5、錨固拉索在塔柱上對稱錨固利用鋼錨箱對稱錨固第五節(jié) 斜拉橋的支承一、塔的支承體系塔墩固結，塔梁分離塔梁固結，塔墩分離鉸支承塔梁墩固結二、主梁的支承體系豎向支承主梁與塔飄浮體系支承于橫梁上塔、梁墩固結主梁與輔助墩：豎向支座應設置拉壓支承結構橫向支承主梁與塔：設橫向支承主梁與輔助墩：不設橫向支承順橋向采用一處固定支承，其余可縱向滑動采用多處固定支承采用水平彈性固定支承采用飄浮式第三章、混凝土斜拉橋懸臂施工要點一、受力特點主梁飄浮體系：相當跨內(nèi)具有彈性支承的單跨梁半飄浮體系：相當跨內(nèi)具有彈性支承的連續(xù)梁梁塔梁固結體系：相當于配置體外索的連續(xù)梁剛構體系：相當于配置體外索的連續(xù)剛構（壓彎構件）索（受拉）：

6、為主梁提供彈性支承塔（受壓為主）：承受索力第四章 混凝土斜拉橋的設計與計算第一節(jié) 斜拉橋的靜力分析雙塔斜拉橋與多塔斜拉橋的受力特點二、計算方法概述分析方法一般簡化為平面結構，采用桿系有限元計算直接采用空間桿系有限元方法考慮因素幾何非線性中小跨度索的垂度效應P效應大跨度：大變形理論收縮、徐變、溫度等引起的變形和內(nèi)力重分布錨下局部應力計算:先進行整體分析，然后按圣維南假 定，取出局部進行局部應力分析施工過程計算非常重要三、斜拉索的結構特性索垂度效應混凝土斜拉橋的拉索一般為柔性索，高強鋼絲外包的索套僅作為保護材料，不參加索的受力，在索的自重作用下有垂度，垂度對索的受拉性能有影響，同時索力大小對垂度也

7、有影響。為了簡化計算，在實際計算中索一般采用一直桿表示，以索的弦長作為桿長。關健問題是考慮索垂度效應對索的伸長與軸力的關系影響，這種影響采用修正彈性模量來考慮，其計算思路如下：索在恒載作用下的幾何方程設索無荷載作用時的長度為l，如下圖，由索任意截面彎矩為零有：1、垂度對索軸向變形的影響HFLHFgffLbmmlg=gcos11yxcoscos)()(cos)(122HgdxydHxMyxMyHxMyF對于索的跨中截面 ,有： mxx 對上式積分可得到索的幾何方程為懸鏈線HgLfLlggFHlgFfmm8cos/,coscos812121由可得：323212cosFlgdFldFflm由于：ll

8、dAdF索的伸長與垂度的關系索的幾何形狀為懸鏈線，如近似按拋物線考慮，則索在自重作用下的長度為：223223212124cos24cos)(38FLgHLglLllflLm則索的伸長為：cosFH 等效彈性模量實際上在應力 索的軸向變性由兩部分組成 （1）索自身的彈性變形 ；（2）垂度效應 : 則結構的等效彈性模量可表示為ef則用彈性模量表示有：232323)(12cos12LlAglFldlAdFEfAg /其中為索容重eeefeefeefeffeegEELEEEEEEEEEEE3212)(11lldAdF352223212cos11)(12)(1112)(11HAEGAFLgELeecos

9、FH Ag /coslL lgG四、平面桿系有限元法（直接剛度法）計算斜拉橋內(nèi)力和變形國內(nèi)對于中小跨度斜拉橋一般采用平面桿系有限元計算斜拉橋的內(nèi)力和變形，分析時主梁和塔采用梁單元，而索采用直桿單元，桿單元的彈性模量采用前面推導的修正彈性模量考慮垂度效應。桿單元和梁單元的單剛矩陣分別為：桿單元000000000000lAElAElAElAEKegegegegeij式中A，l分別為斜拉索的鋼絲面積和弦長梁單元及P效應斜拉橋的主梁和塔都是同時存在壓力和彎矩。軸力和彎矩相互作用（如下圖），考慮軸力和彎矩相互作用后彎矩平衡方程為：QMNQMNMxvuvvuiiiiiijjjjjj0)(ijjjivvNM

10、LQMiiiMvvNxQM)(任意截面彎矩在實際中采用穩(wěn)定函數(shù)的概念來考慮彎矩和軸力的相互作用，考慮彎矩和軸力相互作用后的單剛矩陣為：3662654632622561552531525445414362353332322261252231225145110000000000000000SKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKSKKeij上式中： 為未修正的剛度，按結構力學教材計算， 為考慮彎矩、軸力相互作用的穩(wěn)定函數(shù)，可參考有關文獻計算。ijKiS五、斜拉橋的恒載計算成橋狀態(tài)內(nèi)力的初步確定施工時張拉索力及梁段標高：倒退分析根據(jù)施工過程計算恒載收縮、徐變的影響

11、溫度影響前進分析1、成橋狀態(tài)內(nèi)力的初步確定國內(nèi)成橋狀態(tài)內(nèi)力的初步確定目前有兩種方法：（1）剛性支承連續(xù)梁法；（2）指定主梁應力法。其中剛性支承連續(xù)梁法應用得較多。剛性支承連續(xù)梁法所謂剛性支承連續(xù)梁法就是求一組恒載索力值，使主梁在恒載和索力作用下，成橋后索梁連接點處的位移為零。這時主梁的恒載彎矩即為剛性支承連續(xù)梁的彎矩。具體計算過程如下：首先根據(jù)一次落架，計算在恒載作用下（索力為零）索梁連接點處的垂直位移和塔頂水平位移 （ i=1,2,3）i然后依次計算出拉索為單位力時對這些點的影響量 ，k為節(jié)點編號，i為拉索邊號。于是在恒載和索力共同作用下，以使各節(jié)點豎向位移為零為條件可以寫出如下線性方程組：

12、ki 00021212212222111211NNnnnnnXXX2、倒退分析（計算施工時張拉索力、及施工時梁段標高） 倒退分析法是從斜拉橋成橋狀態(tài)（初始恒載狀態(tài)）出法，按照與實際施工次序相反相反的順序，進行逐步倒退計算而得到各施工階段的控制參數(shù)。結構據(jù)此數(shù)據(jù)按正裝順序施工完畢，在理論上斜拉橋的恒載內(nèi)力和變形便可達到預定的成橋狀態(tài)3、根據(jù)施工過程計算恒載（前進分析預應力混凝土斜拉橋通常采用懸臂施工。懸臂施工可分為懸臂拼裝和懸臂澆筑兩種方法。 其施工過程包括架設梁段、 斜索和預應力筋張拉、 結構體系轉換、施加施工荷載(如移動掛籃、張拉輔助索等)等。在施工過程中，斜拉橋結構體系、內(nèi)力和變形隨施工過

13、程不斷變化，且相互影響。成橋后斜拉橋的內(nèi)力和變形狀態(tài)與施工過程有直接關系，應該根據(jù)施工過程來計算。影響斜拉橋施工過程結構內(nèi)力和變形的因素很多，主要可分為以下幾個方面1)混凝土的收縮、徐變；2)溫度；3)自重和彈性模量的變化；4)預應力筋的張拉及預應力損失；5)索的張拉及幾何非線性；6)施工荷載(掛籃、施工設備以及人員等)。預應力等節(jié)點荷載對各時段結構的內(nèi)力和變形增量進行累積對當前結構求解內(nèi)力和變形增量幾何非線性預應力損失收縮徐變損失其他損失松弛損失彈性壓縮損失結束是否張拉預應力筋混凝土的收縮、徐變考慮收縮徐變結構外載架設新梁段張拉斜索張拉力筋施工荷載形成施工體系時段（工況）劃分對各工況循環(huán)是否

14、否是圖2 斜拉橋施工模擬分析過程圖3、施工空制斜斜拉拉橋橋的的施施工工控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)是是一一施施工工量量測測識識別別修修正正預預告告施施工工的的循循環(huán)環(huán)過過程程，在在現(xiàn)現(xiàn)場場借借助助計計算算機機強強大大的的計計算算能能力力和和信信息息處處理理能能力力來來實實現(xiàn)現(xiàn)的的。它它應應具具備備以以下下基基本本要要求求：1 1) ) 控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)應應具具備備良良好好的的適適應應性性，對對施施工工可可能能出出現(xiàn)現(xiàn)的的各各種種情情況況和和誤誤差差，能能夠夠正正確確迅迅速速的的處處理理；2 2) ) 施施工工過過程程中中對對索索力力和和主主梁梁軸軸線線位位置置都都應應有有一一定定的的寬寬容容度度以以適適應

15、應施施工工的的需需要要，此此外外，一一定定要要保保證證施施工工的的安安全全；3 3) ) 能能迅迅速速制制定定出出最最佳佳的的索索力力調(diào)調(diào)整整方方案案，使使索索力力調(diào)調(diào)整整方方便便且且在在施施工工中中調(diào)調(diào)整整次次數(shù)數(shù)最最少少。 檢檢 測測 方方 法法為為 了了 反反 應應 實實 際際 結結 構構 的的 情情 況況 ， 必必 須須 通通 過過 量量 測測 手手 段段 來來 達達 到到 。 在在 斜斜 拉拉 橋橋施施 工工 過過 程程 中中 一一 般般 主主 要要 的的 量量 測測 內(nèi)內(nèi) 容容 有有 ： 主主 梁梁 標標 高高 、 索索 力力 、 應應 力力 以以 及及材材 料料 設設 計計 參參

16、 數(shù)數(shù) 的的 實實 測測 。 現(xiàn)現(xiàn) 有有 的的 大大 多多 數(shù)數(shù) 量量 測測 方方 法法 基基 本本 上上 能能 滿滿 足足 施施 工工控控 制制 的的 需需 要要 ， 但但 混混 凝凝 土土 的的 收收 縮縮 、 徐徐 變變 系系 數(shù)數(shù) 及及 索索 力力 的的 檢檢 測測 還還 需需 進進 一一部部 完完 善善 。 前進和倒退分析前進和倒退分析倒退分析是根據(jù)設計的斜拉橋成橋狀態(tài)按與實際施工次序相反的倒退分析是根據(jù)設計的斜拉橋成橋狀態(tài)按與實際施工次序相反的方向進行倒拆分析以初估各梁段的標高和斜拉索的張拉力；而前進分方向進行倒拆分析以初估各梁段的標高和斜拉索的張拉力；而前進分析是根據(jù)斜拉橋現(xiàn)場施

17、工環(huán)境、過程、模擬實際施工過程，以較為準析是根據(jù)斜拉橋現(xiàn)場施工環(huán)境、過程、模擬實際施工過程，以較為準確并及時預告下一梁段的標高和索力。在倒退分析和前進分析時，應確并及時預告下一梁段的標高和索力。在倒退分析和前進分析時，應對于斜拉橋整個施工過程，根據(jù)實際施工時間和工況對于斜拉橋整個施工過程，根據(jù)實際施工時間和工況（澆筑混凝土或（澆筑混凝土或拼裝預制梁段、斜拉索張拉、預應力筋張拉、體系轉換等）劃分時段拼裝預制梁段、斜拉索張拉、預應力筋張拉、體系轉換等）劃分時段（工況），對于每一工況利用桿系有限元考慮結構幾何非線性，分析（工況），對于每一工況利用桿系有限元考慮結構幾何非線性，分析由于施工過程中梁段自

18、重、施工荷載、斜拉索張拉、預應力筋張拉、由于施工過程中梁段自重、施工荷載、斜拉索張拉、預應力筋張拉、收縮徐變、溫度及結構體系轉換等引起的斜拉橋索力、塔和主梁變形收縮徐變、溫度及結構體系轉換等引起的斜拉橋索力、塔和主梁變形和應力變化：和應力變化：誤差分析和參數(shù)識別誤差分析和參數(shù)識別主要是為提高模擬實際施工過程跟蹤分析的計算精度，以確保前進分析的正確性和及時修正計算所選取參數(shù)及施工誤差。誤差分析主要是分析產(chǎn)生誤差的因素以及這些因素對斜拉橋內(nèi)力和變形的影響。產(chǎn)生誤差的原因有多種，如材料的設計參數(shù)與實際不符、施工中索力張拉的索力值與要求值之間的誤差、主梁制作尺寸誤差以及測試系統(tǒng)的誤差等。在初步確定誤差的因素后，對這些誤差因素引起斜拉橋內(nèi)力和變形的變化進行定量分析，即靈敏度分析。六、斜拉橋的活載內(nèi)力分析在成橋狀態(tài)利用影響線加載求活載內(nèi)力索彈性模量僅考慮恒載修正剛度矩陣的P-效應僅考慮恒載七、斜拉橋的穩(wěn)定性及局部應力穩(wěn)定性斜拉橋平面穩(wěn)定塔墩面內(nèi)穩(wěn)定塔墩面外穩(wěn)定第二節(jié) 斜拉橋的動力分析一、概述引起振動的主要因素車輛引起振動地震風振雨振結構自振頻率與周期及振型hEm(a) (tg dFs dzFI dzFD dz(b)