斜拉橋纜索承重橋梁的設(shè)計(jì)與計(jì)算

斜拉橋纜索承重橋梁的設(shè)計(jì)與計(jì)算1_____________________________一、斜拉橋靜力分析

(整體分析、局部分析、穩(wěn)定分析及施工理論計(jì)算等)二、斜拉橋動(dòng)力分析

（風(fēng)振分析和地震分析等）斜拉橋的設(shè)計(jì)與計(jì)算斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系及受力特點(diǎn)斜拉橋計(jì)算方法概述斜拉索的結(jié)構(gòu)特性——索垂度效應(yīng)平面桿系有限元法（直接剛度法）計(jì)算斜拉橋內(nèi)力和變形斜拉橋的恒載計(jì)算（施工理論計(jì)算）斜拉橋的活載內(nèi)力分析斜拉橋的溫度內(nèi)力計(jì)算和考慮收縮徐變影響的恒載內(nèi)力計(jì)算斜拉橋的穩(wěn)定性及局部應(yīng)力第一節(jié)斜拉橋的靜力分析主梁飄浮體系：相當(dāng)跨內(nèi)具有彈性支承的單跨梁半飄浮體系：相當(dāng)跨內(nèi)具有彈性支承的連續(xù)梁梁塔梁固結(jié)體系：相當(dāng)于配置體外索的連續(xù)梁剛構(gòu)體系：相當(dāng)于配置體外索的連續(xù)剛構(gòu)（壓彎構(gòu)件）索（受拉）：為主梁提供彈性支承塔（受壓為主）：承受索力

斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系及受力特點(diǎn)第一節(jié)斜拉橋的靜力分析分析方法一般簡化為平面結(jié)構(gòu)，采用桿系有限元計(jì)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(yīng)P－效應(yīng)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(yīng)力計(jì)算:先進(jìn)行整體分析，然后按圣維南假定，取出局部進(jìn)行局部應(yīng)力分析施工過程計(jì)算非常重要2）斜拉橋計(jì)算方法概述

混凝土斜拉橋的拉索一般為柔性索，高強(qiáng)鋼絲外包的索套僅作為保護(hù)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(shí)索力大小對垂度也有影響。(1)索的力學(xué)行為3）斜拉索的結(jié)構(gòu)特性——索垂度效應(yīng)

為了簡化計(jì)算，在實(shí)際計(jì)算中索一般采用一直桿表示，以索的弦長作為桿長。關(guān)健問題是考慮索垂度效應(yīng)對索的伸長與軸力的關(guān)系影響，這種影響采用修正彈性模量來考慮。垂度:索張力:H未知對于索的跨中截面,有：可得：由于：（2）索的伸長與垂度的關(guān)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：則索的伸長為：（3）等效彈性模量實(shí)際上在應(yīng)力索的軸向變形由兩部分組成（1）索自身的彈性變形；（2）垂度效應(yīng):則結(jié)構(gòu)的等效彈性模量可表示為：則用彈性模量表示有：其中，為索容重（3）等效彈性模量4）有限元法（直接剛度法）計(jì)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(jì)算斜拉橋的恒載、活載下的內(nèi)力和變形等，分析時(shí)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(dǎo)的修正彈性模量考慮垂度效應(yīng)。進(jìn)行穩(wěn)定及動(dòng)力計(jì)算時(shí)，大多采用空間桿系有限元分析模型進(jìn)行。對于大跨徑斜拉橋，通常必須考慮主梁、塔柱幾何非線性及其對結(jié)構(gòu)的影響，對于平面模型，桿（索）單元和梁單元的單剛矩陣分別為：(1)索（桿）單元式中A，l分別為斜拉索的鋼絲面積和弦長(2)索單元P－效應(yīng)(3)梁單元（主梁和橋塔）剛度矩陣以及考慮幾何非線性的剛度矩陣令vi＝0、y＝-v，代入梁的彎曲微分方程:求解可得到：對桿端求導(dǎo)并考慮單元轉(zhuǎn)動(dòng)幾何關(guān)系，導(dǎo)出如下以桿端變形為未知數(shù)的方程：(3)梁單元（主梁和橋塔）剛度矩陣以及考慮幾何非線性的剛度矩陣（續(xù)）當(dāng)N=0，C＝4、S＝2，矩陣[B]就退化為不考慮幾何非線性的情況，即彈性剛度矩陣；當(dāng)N增大到一定值后C＝0，這時(shí)N就是失穩(wěn)臨界荷載，C和S通常被稱為穩(wěn)定函數(shù)。(3)梁單元（主梁和橋塔）剛度矩陣以及考慮幾何非線性的剛度矩陣（續(xù)）由于C、S及γ均與軸力N呈復(fù)雜的非線性關(guān)系，桿端力與桿端位移也不能表示成簡單的關(guān)系。將穩(wěn)定函數(shù)按級(jí)數(shù)展開，保留相關(guān)的線性關(guān)系項(xiàng)、略去高階項(xiàng)，最終得到常用考慮幾何非線性的剛度矩陣：(3)梁單元（主梁和橋塔）剛度矩陣以及考慮幾何非線性的剛度矩陣（續(xù)）4）有三限元三法（三直接三剛度三法）三計(jì)算三斜拉三橋內(nèi)三力和三變形（續(xù)三）5）三斜拉三橋的三恒載三計(jì)算索力三優(yōu)化三概念成橋三狀態(tài)三內(nèi)力三的初三步確三定斜拉三橋施三工的三理論三計(jì)算(1三)索力三優(yōu)化三概念主梁三彎矩三方程三為：（0≤x≤l/2）依據(jù)三變形三協(xié)調(diào)三條件三計(jì)算三索力N為：為了三簡化三討論三，令三：則索三力為三：N=ql三/2為了三優(yōu)化三主梁三受力三，根三據(jù)需三要選三取一三個(gè)優(yōu)三化目三標(biāo)函三數(shù)，三現(xiàn)以三主梁三彎矩三平方三和為三例加三以說三明，三優(yōu)化三目標(biāo)三函數(shù)三為：三值為三最小三。代彎三矩方三程式三進(jìn)入三上式三，并三對索三力N求導(dǎo)三，的三索力N為：此時(shí)三主梁三彎矩三圖如三上右三圖所三示，三這一三狀況三相當(dāng)三于優(yōu)三化后三的斜三拉橋三恒載三狀態(tài)三，這三個(gè)狀三態(tài)是三通過三調(diào)整三索的三張拉三來實(shí)三現(xiàn)的三，相應(yīng)三的索三力不三能使三結(jié)構(gòu)三滿足三變形三協(xié)調(diào)三，正是三這一三張拉三力，三改善三了梁三的受三力狀三況。斜拉三橋索三力優(yōu)三化方三法歸結(jié)三起來三分為三三大三類：三指定三受力三狀態(tài)三的索三力優(yōu)三化，三無約三束的三索力三優(yōu)化三以及三有約三束的三索力三優(yōu)化三，具三體方三法分三別有三：1)指定三受力三狀態(tài)三的索三力優(yōu)三化方三法：剛性三支承三連續(xù)三梁法和零三位移三法等三；2)斜拉三索力三的無三約束三優(yōu)化三法：三彎曲三能量三最小三法和三彎矩三最小三法等三；3)索力三的有三約束三優(yōu)化三：用三索量三最小三法和三最大三偏差三最小三法（2三）成橋三狀態(tài)三內(nèi)力三的初三步確三定問題三提出三：斜拉三索是三可以三主動(dòng)三張拉三的，三因此三索力三可以三認(rèn)為三指定三，索三力不三同，三結(jié)構(gòu)三的內(nèi)三力分三布會(huì)三產(chǎn)生三極大三差異三，因三此需三要對三拉索三索力三進(jìn)行三優(yōu)化三，使三斜拉三橋在三施工三完成三后在三恒載三狀態(tài)三下獲三得一三種合三理的三內(nèi)力三狀態(tài)三。因此三，選三擇一三組最三優(yōu)的三索力三是斜三拉橋三設(shè)計(jì)三的首三要問三題，三獲得三最優(yōu)三的索三力方三案可三從兩三方面三著手三：a)從力三學(xué)概三念上三判別三最優(yōu);b三)通過三數(shù)學(xué)三上的三優(yōu)化三理論三獲得三最優(yōu)三狀態(tài)三。成橋三索力三確定_基于三數(shù)學(xué)三優(yōu)化三理論三的方三法：1）通三過數(shù)三學(xué)方三法建三立一三個(gè)優(yōu)三化方三程，三通過三優(yōu)化三方程三的求三解得三到最三優(yōu)索三力，三如：三建立三索力三與主三梁的三彎矩三、材三料用三量或三其它三指標(biāo)三函數(shù)三之間三的關(guān)三系（三勢能三最小三或材三料最三省等三），三采用三數(shù)學(xué)三優(yōu)化三算法三求解三索力三，使三指標(biāo)三函數(shù)三達(dá)到三最小三值；2）優(yōu)三化方三法可三以適三用于三任意三形式三的斜三拉橋三。剛性三支承三連續(xù)三梁法所謂剛性三支承三連續(xù)三梁法三就是三求一三組恒三載索三力值三，使三主梁三在恒三載和三索力三作用三下，三成橋三后索三梁連三接點(diǎn)三處的三位移三為零三。這時(shí)三主梁三的恒三載彎三矩即三為剛?cè)灾羞B三續(xù)梁三的彎三矩。三具體三計(jì)算三過程三如下三：首三先根三據(jù)一三次落三架，三計(jì)算三在恒三載作三用下三（索三力為三零）三索梁三連接三點(diǎn)處三的垂三直位三移和三塔頂三水平三位移i=1三,2三,3…）然三后依三次計(jì)三算出三拉索三為單三位力三時(shí)對三這些三點(diǎn)的三影響三量三，k為節(jié)三點(diǎn)編三號(hào)，i為拉三索邊三號(hào)。三于是三在恒三載和三索力三共同三作用三下，三以使三各節(jié)三點(diǎn)豎三向位三移為三零為三條件三可以三寫出三如下三線性三方程三組：成橋三狀態(tài)三內(nèi)力三的初三步確三定目三前有三多種三方法三，如三剛性三支承三連續(xù)三梁法三、指三定應(yīng)三力法三等，三這里三以剛?cè)灾羞B三續(xù)梁三法進(jìn)三行簡三要描三述：該方三法只三能提三供成三橋索三力的三參考三值，三在實(shí)三際橋三梁中三通常三不易三實(shí)現(xiàn)三。若三索距三有變?nèi)龑?yīng)三連續(xù)三梁可三能出三現(xiàn)負(fù)三反力三而索三力不三能為三負(fù)值三；只有三邊跨三和中三跨索三距均三相同三，邊三跨的三跨徑三約為三中跨0.三5倍時(shí)三，上三述方三法的三計(jì)算三結(jié)果三才可三使用三；如果三主梁三有豎三曲線三，拉三索索三力的三水平三分力三將會(huì)三產(chǎn)生三很大三的彎三矩；沒有三考慮三塔的三受力三。剛性三支承三連續(xù)三梁法三（續(xù)三）_特點(diǎn)（2三）成橋三狀態(tài)三內(nèi)力三的初三步確三定（三續(xù)）成橋三索力三確定_基于三數(shù)學(xué)三優(yōu)化三理論三的方三法_彎曲三能量三最小三法合理三狀態(tài)三下主三梁結(jié)三構(gòu)應(yīng)三最接三近軸三向受三力狀三態(tài)，三彎曲三能量三是表三達(dá)結(jié)三構(gòu)彎三矩整三體水三平的三重要三指標(biāo)三，可三通過三優(yōu)化三計(jì)算三減小三彎曲三能量三。(3三)斜拉三橋施三工理三論計(jì)三算施工三受力三狀態(tài)三問題三提出指各三施工三階段三結(jié)構(gòu)三的受三力狀三態(tài)，三必須三面臨三兩方三面的三要求三：其三一為三施工三過程三中受三力安三全；三其二三為成三橋后三滿足三合理三成橋三狀態(tài)三要求三。當(dāng)三施工三工序三已確三定好三后，三控制三施工三受力三狀態(tài)三的參三數(shù)主三要就三是斜三拉索三各次三張拉三力和三各粱三段立三模(或安三裝定三位)標(biāo)高三。斜拉三橋主三要施三工工三況包三括（三施工三方案三擬定三和施三工荷三載確三定）三：1）結(jié)三構(gòu)構(gòu)三件的三安裝三；2）臨三時(shí)構(gòu)三件的三拆除三；3）斜三拉索三的張三拉與三索力三調(diào)整三；4）施三加各三種集三中或三均布三力；5）預(yù)三應(yīng)力三張拉三、收三縮和三徐變?nèi)纫蛉?。軟件三?yīng)具三備考三慮上三述工三況的三功能三，通三過前三處理三把上三述工三況變?nèi)秊橛?jì)三算模三型的三變化三、體三系轉(zhuǎn)三換、三作用三施加三等等三。斜拉三橋合三理狀三態(tài)包三括：合理三成橋三狀態(tài)和合理三施工三狀態(tài)。斜三拉橋三合攏三后，三還可三以通三過張三拉或三者放三松拉三索調(diào)三整成三橋內(nèi)三力狀三態(tài)。三一般三是先三確定三合理三成橋三狀態(tài)三，再三反推三出合三理施三工狀三態(tài)。(3三)斜拉三橋施三工理三論計(jì)三算（三續(xù)）斜拉三橋施三工狀三態(tài)的三確定斜拉三橋的三施工三過程三是復(fù)三雜的三，為三了使三施工三過程三中的三受力三合理三，同三時(shí)又三能滿三足成三橋受三力和三線形三的要三求。三就必三須根三據(jù)施三工方三案確三定好三施工三過程三中的三控制三參數(shù)三，對三于采三用懸三臂法三施工三的情三況控三制參三數(shù)為三各粱三段施三工時(shí)三的立三模(或定三位)標(biāo)高三和斜三拉索三的張三拉索三力。三斜拉三橋施三工狀三態(tài)確三定基本三理論三計(jì)算三方法三有：三倒拆三法、三正裝——倒拆三迭代三法、三正算三法和三無應(yīng)三力狀三態(tài)控三制法三等。a）倒三拆法三（倒三退分三析，三計(jì)算三施工三時(shí)張三拉索三力、三及施三工時(shí)三梁段三標(biāo)高三、預(yù)三拱度三確定三）倒拆三法是三從斜三拉橋三成橋三狀態(tài)三（初三始恒三載狀三態(tài)）三出法三，按三照與三實(shí)際三施工三次序三相反三的順三序，三進(jìn)行三逐步三倒退三計(jì)算三而得三到各三施工三階段三的控三制參三數(shù)。三結(jié)構(gòu)三據(jù)此三數(shù)據(jù)三按正三裝順三序施三工完三畢，三在理三論上三斜拉三橋的三恒載三內(nèi)力三和變?nèi)伪闳蛇_(dá)三到預(yù)三定的三成橋三狀態(tài)三。1）倒三拆法三（續(xù)三）該方三法一三般會(huì)三遇到三結(jié)構(gòu)三狀態(tài)三不閉三合的三問題三，引三起不三閉合三的主三要原三因有三：1)混凝三土的三徐變?nèi)?，由三于倒三拆?jì)三算無三法計(jì)三算徐三變問三題，三因此三，三這一三原因三是顯三然的三；2)斜拉三索垂三度效三應(yīng)等三幾何三非線三性引三起的三不閉三合；3)拆除三合龍三段以三及支三座等三單元三時(shí)，三其桿三端力三不為三零，三而正三裝計(jì)三算時(shí)三，安三裝這三些單三元后三的受三力與三原成三橋狀三態(tài)不三一致三。因此三，簡三單的三倒拆三法確三定的三施工三狀態(tài)三并不三理想三，通三常需三要正裝—倒拆三迭代三法來實(shí)三現(xiàn)：三該方三法的三基本三思路三為先三倒拆三計(jì)算三，不三計(jì)各三種非三線性三問題三，然三后根三據(jù)倒三拆結(jié)三果，三正裝三計(jì)算三，計(jì)三入各三種非三線性三影響三，并三將各三工況三下非三線性三影響三部分三貯存三下來三；再三做倒三拆計(jì)三算，三這時(shí)三計(jì)入三上輪三正裝三計(jì)算三時(shí)貯三存下三來的三非線三性影三響值三，得三到新三一輪三倒拆三結(jié)果三，如三此反三復(fù)幾三次，三即可三得到三較理三想的三施工三狀態(tài)三。(3三)斜拉三橋施三工理三論計(jì)三算（三續(xù)）1）倒三拆法三（續(xù)三）b)正算三法（三前進(jìn)三分析三，根三據(jù)施三工過三程計(jì)三算恒三載〕(3三)斜拉三橋施三工理三論計(jì)三算（三續(xù)）正裝三法也三稱前三進(jìn)分三析法三：1）擬三定理三想的三成橋三狀態(tài)三；2）建三立施三工張三拉索三力與三成橋三索力三之間三的影三響關(guān)三系，三從任三意施三工初三值索三力開三始，三通過三數(shù)學(xué)三優(yōu)化三理論三和迭三代計(jì)三算，三求得三最接三近理三想成三橋狀三態(tài)的三施工三索力三。（1三）剛?cè)灾羞B三續(xù)梁三法；三（2三）五三點(diǎn)（三四點(diǎn)三）為三零法三；（三3）三零彎三矩懸三拼法6)三斜三拉橋三的活三載內(nèi)三力分三析斜拉三橋活三載內(nèi)三力采三用影三響線三加載三法計(jì)三算，三對于三小跨三徑斜三拉橋三可以三不考三慮幾三何非三線性,索彈三性模三量僅三考慮三恒載三修正三，剛?cè)染厝嚨腜-效應(yīng)三僅考三慮恒三載；大跨三徑斜三拉橋三非線三性影三響明三顯增三大，三疊加三原理三不再三適用三，影三響線三加載三法也三就不三能使三用，三最不三利內(nèi)三力只三能通三過力三學(xué)概三念判三斷荷三載位三置后三，通三過非三線性三程序三計(jì)算三；但為三避免三費(fèi)時(shí)三費(fèi)力三，一三般先三用影三響線三加載三計(jì)算三不計(jì)三非線三性因三素的三內(nèi)力三，然三后乘三以非三線性三修正三系數(shù)三；橋面三板及三橋面三系構(gòu)三件的三活載三沖擊三系數(shù)三一般三仍可三按規(guī)三范規(guī)三定的三計(jì)算三；斜拉三橋的三主梁三、拉三索和三塔柱三等主三要構(gòu)三件的三沖擊三系數(shù)三計(jì)算三還有三待研三究，三故在三實(shí)際三設(shè)計(jì)三中考三慮的三方法三也不三一致三。7)斜拉三橋的三溫度三內(nèi)力三計(jì)算三和考三慮收三縮徐三變影三響的三恒載三內(nèi)力三計(jì)算桿件三兩邊三緣發(fā)三生均三勻溫三度（年三溫差三）桿件三兩邊三緣發(fā)三生不三均勻三溫度（日三照溫三差）此時(shí)三主梁三及索三塔的三整體三溫度三變化三量均三勻且三相等三，而三拉索三的溫三變幅三度更三大，三這是三因?yàn)槿魅叽缛∏胰摬娜龑?dǎo)熱三性能三較混三凝土三大的三緣故三，計(jì)三算以三合龍三溫度三為起三點(diǎn)，三考慮三年最三高氣三溫和三最低三氣溫三兩種三不利三情況三的影三響。在日三照作三用下三，斜三拉橋三主梁三的上三、下三緣，三索塔三的左三、右三側(cè)及三拉索三的溫三度變?nèi)咳侨煌?，三一般三情況三下，三索塔三左右三側(cè)的三日照三溫差三均取±5三℃，其三間溫三度梯三度按三線性三分布