斜拉桥的计算理论.

第十三章斜拉桥的计算理论(同济大学博士、硕士研究生课程)肖汝诚(同济大学桥梁工程系)本章主要内容概述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。第十三章斜拉桥的计算理论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活载的线性二阶理论近似计算法;偏心增大系数修正法。小结本章主要内容(续)本章主要参考文献1.李国豪:桥梁与结构理论研究,上海科技文献出版社19832.李国豪：桥梁结构稳定与振动.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:NonlinearStaticAnalysisofCable-StayedBridgeStructures,Inter.J.Computers&Structures,Vol.10,1979.5.TanakaHiroshi,K.MasahiroandK.Masakatsa:NewCableTensionAdiustmentMethodforSuspended-SpanBridge,TheSecondEast-PacificConf.onStructuralEngineering&Construction,ChiargMai,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第十三章斜拉桥的计算理论斜拉桥诞生于十七世纪。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.概述1.概述(续)1938年，德国Dishinger提出现代斜拉桥设计概念1956年,德国Dishinger在瑞典成功地建造了第一座现代斜拉桥,主跨182.6米的Strömsund桥1960年，德国KölnSeverin桥，主跨301米的独塔斜拉桥1962年，意大利Morandi设计了第一座混凝土斜拉桥，主跨235米的委内瑞拉马拉开波桥1.概述(续)1986年，加拿大Annacis桥，第一座结合梁桥面斜拉桥，主跨465米1991年，挪威Skarnsundet桥,主跨530米,是世界最大跨度P.C.斜拉桥1993年，中国上海杨浦大桥,主跨602米结合梁斜拉桥,是当时世界最大跨度斜拉桥1.概述(续)1995年，法国诺曼第大桥,主跨856米,混合梁斜拉桥，大大推进了斜拉桥大跨化1998年，瑞典厄勒松海峡大桥，主跨490米，世界最大跨度公铁两用斜拉桥；采用9000t巨型浮吊整孔架设技术1999年，日本多多罗桥，主跨890米，是世界最大跨度斜拉桥1.概述(续)五十年斜拉桥跨径增长1.概述(续)排名桥名主跨（米）国家修建完成年代1多多罗大桥890日本19992诺曼底大桥856法国19953南京长江二桥南汊桥628中国20004武汉白沙洲大桥618中国20005青州闽江大桥605中国19966杨浦大桥602中国19937名港中央大桥590日本19978徐浦大桥590中国19969斯卡恩圣特桥530挪威199110礐石大桥518中国1994世界大跨径斜拉桥一览表1.概述(续)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，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，主梁或主塔的构件刚度对整体刚度贡献不大。Normandy桥主跨856m，梁高3.05m；Tatara桥主跨890m，梁高2.7m。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。1.概述(续)结构形式多样化结构体系纵向→独塔、双塔、多塔1.概述(续)结构体系横向→独柱、双柱、多柱1.概述(续)结构体系协作体系→梁-斜拉、悬索-斜拉、刚构-斜拉等1.概述(续)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。我国跨径414m的郧阳汉江大桥，边跨43m，另设43m地锚。边跨与主跨之比，不包括地锚时为0.104。主跨中部设钢箱结构的无轴力接头。西班牙跨径440m的Luna桥，边跨67m，另设35m地锚。边跨与主跨之比，不包括地锚时为0.152。主跨中部设剪力铰。1.概述(续)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：叠合梁斜拉桥、混合梁斜拉桥其它矮塔斜拉桥(部分斜拉桥)花色斜拉桥1.概述(续)叠合梁斜拉桥、复合梁斜拉桥与混凝土斜拉桥相比，叠合梁斜拉桥跨度大、自重轻、安装节段长、施工速度快；与钢斜拉桥相比，叠合梁斜拉桥刚度大、造价低、桥面养护容易。叠合或复合梁形式主要有三种方式：(1)竖向结合：混凝土桥面板和钢梁结合，即所谓的叠合梁。如Annacis桥、南浦大桥、杨浦大桥；(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，即所谓的复合梁，如徐浦大桥、Normandy大桥、Tatara大桥；(3)横向结合：混凝土边主梁和钢横梁组成格构体系，上面覆盖混凝土桥面板；（用于梁高较小、桥面较宽的结构中）1.概述(续)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，与常规斜拉桥相比它有以下特点：(1)桥塔较矮。桥塔高与跨径之比一般为1/12~1/8。(2)斜拉索集中在塔顶鞍座上通过。(3)没有端锚索。(4)主梁无索区较长。(5)边跨与主跨的跨度之比较大。(6)梁高与跨度之比较大，一般为1/40～1/20。(7)部分斜拉桥的拉索应变幅一般只有斜拉桥的1/3左右。(8)经济性能好，拉索安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，从刚度和疲劳考虑，它更适用于铁路桥或双层桥面。1.概述(续)花色斜拉桥西班牙Alamillo桥捷克Marian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、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，人们评说不一。无背索斜拉桥1.概述(续)曲线斜拉桥1.概述(续)大跨化1999年建成的日本多多罗桥大桥，主跨达890米，是当今世界上最大跨度斜拉桥。即将修建的中国苏通长江大桥和中国香港昂船舟大桥的主跨都将突破1000米大关。1.概述(续)规划中的上海-崇明通道，斜拉桥主跨将达到730。1.概述(续)1995年建成的主跨856米的法国Normandy混合梁斜拉桥，采用许多新技术，将斜拉桥跨进推进42%。Normandy大桥的建成充分展示了斜拉桥的巨大潜力，使斜拉桥进入以前悬索桥独占的跨径领域。1.概述(续)1999年5月1日，位于日本Nishi-Seto高速公路上的Tatara斜拉桥建成，其主跨长达890米，超过了1995年建成的主跨为856米的法国Normandy斜拉桥，成为当今世界上主跨最大的斜拉桥。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式和计算理论。1.概述1.概述(续)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.概述(续)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)空间杆系模式b)块、壳、梁组合模式图13-1斜张桥计算模式1.概述(续)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、合理，并能抓住主要矛盾。1.概述(续)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。1.概述(续)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前期结构有着密切联系因此，施工阶段的结构分析一般采用有限位移理论。1.概述(续)斜拉桥的设计自由度很大。可以通过斜拉索力的调整来改变结构的受力分配，优化结构的受力。合理确定成桥索力是斜拉桥结构分析中一项十分重要的工作。斜拉桥的静力计算可归结为图13.2所示的流程。本章采用杆系结构模式，根据斜拉桥设计计算的要求，阐述斜拉桥的计算理论和方法。　　　　　　　　　　　　　　开　始　　结构总体布置　　初拟构件尺寸　　　决定恒、活载集度　　　　恒载分析、调索初定恒载索力修　　改修正斜拉索截面积　　截　　面活载、附加荷载计算　　参　　数荷载组合，梁体配索　　　　索力优化　　　　N强度、刚度验算通过否？Y　　　构件无应力尺寸计算　　　　　对施工阶段循环倒退分析修　　改　　计算斜拉索初张力索　　张　　斜拉桥预拱度拉　　方　　强度验算通过否?N案　　Y　　前进分析验算　　结束图13-2斜拉桥静力设计流程图