悬索桥的受力分析
一、选题
在前面的PreSentation 部分，我与张玉青同学合作完成了上海东海大桥的建模，在此次的实例分析中，我参考了《ANSYSfc木工程实例应用》中的悬索桥部分，并在建模的基础上对其进行受力分析和施工过程中跨中挠度变化情况的分析。
二、实例
1?问题的描述
材料性能
悬索和吊杆：E=2.5e11, μ=0.1, P g=1e4
梁：E=3.0e11, μ=0.1, P C=Ie4
截面尺寸
悬索：A=I
吊杆：A=0.02
梁：A=0.5, H=1, 1=1/24
几何参数：桥长400m双索塔，自桥面算起塔高20m全桥模型成对称分布。两塔之间
跨度为200m,左右塔距岸边各100m悬索间距为10m
初始条件：悬索和吊杆初应变为ε=1e-5。
边界条件：悬索两端铰支，大梁布置成简支结构。
以上都统一采用国际单位制。
2.悬索桥结构的建模
把悬索体系的主要承重结构模拟为由铰链环组成的在节点上加荷载的悬挂索链。这种模型不但能很好地表现实际节点索链的性质，还能表现由金属丝。股或索组成的缆的性质，由于它不具有抗弯的能力，所以用LINK180单元模拟是非常好的，计算的精度和索长度的选取
有很大的关系，同时要考虑索的应力变化问题。
当给索缆装配加劲梁时，由于加劲梁还只是外荷载，不参与结构受力，所以可以将缆索
结构当成是受集中荷载的体系。荷载按照实际的情况阶段施加。
当桥建成之后，可以将缆索和加劲梁当做一个整体来分析，在条件允许的情况下可以一
次性施加活载在桥上来模拟其受力分析。
三、建模过程及分析过程
1. 设置单元及材料参数
定义单元类型
定义材料属性
实常数
定义截面
2. 建模
生成区段模型
主缆单元类型为1号，材料类型为1,截面实常数R1 ;悬索单元类型为1号，实常数为2,桥面主梁单元类型为2号，材料类型为2号，截面实常数为1。
定义局部坐标
在X=100处生成局部坐标系，新的坐标系代号必须大于10 ,再将局部坐标系设为当前
坐标系，以当前坐标系的YZ面为对称面，镜像生成另一区段模型。再返回到全局笛卡尔坐
标（CSYS=O，再将当前所有模型相对YZ面为镜像生成另一半模型。
再设定当前材料及单元为索塔属性，生成索塔。
悬索桥各部分及整体效果图如下图所示
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图1主缆细部
图2悬索细部
图3
'细部图
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图5整体模型
图6全桥建模完成
2?找形分析
设定边界条件
约束两索塔以及模型左右梁端点的UX,UY自由度，并约束模型正中对称点的UX自由度。然后约束模型的UZ自由度。
*第八节悬索 悬索有许多工程应用，常见的有高压输电线、架空索道、悬索桥等。悬索结构两端固定，它和梁的主要区别在于悬索不能抵抗弯曲，只能承受拉力。在初步的力学计算中，假设悬索具有充分的柔软性，故称为柔索。本节讨论的悬索均为柔索。对于已经处于平衡状态的悬索，根据刚化原理可知，作用在悬索上的力应该满足刚体的平衡条件。同时需要注意的是，绳索不是刚体，平衡方程表示绳索平衡的必要条件但非充分条件。 工程实际中经常碰到的问题是：在给定载荷作用下，求悬索的形状、索内拉力和绳索长度，以及它们与跨度、垂度、载荷之间的关系，以作为设计、校核悬索的根据。 悬索在工作中受到的载荷可以分为两类：（1）集中载荷；（2）分布载荷。其中分布载荷中最常见的是水平均布载荷、沿索均布载荷。当不计钢索自重时，旅游胜地高空缆车的索道受到车厢集中力（即重力）的作用（图8-39a）；装有吊篮的架空索道，同样受吊篮的集中力（即重力）的作用。这些都是悬索受集中载荷作用的例子。悬索直拉桥主索上承受的载荷可看成是水平均布载荷（图8-39b)。高空输电线（图8-39c)和舰船的锚链上承受的载荷可看成是沿索均布载荷。 (a) (b) (c) 图8-39 当悬索两支座A和B高度相同时，两个支承点之间的水平距离称为跨度；在载荷作用下，悬索上每一点下垂的距离称为垂度，由悬挂点到最低点的垂直距离称为悬索的垂度。在悬索计算中，跨度和索上最低点的垂度通常是已知的。 一、集中载荷 设绳索（柔索）连接在两个固定点A和B并有n个垂直集中载荷P1、P2、…、P n，如图8—39(a)所示，绳索的重力与绳索承受的载荷相比可以忽略。因此当绳索系统处于平衡状态时，相邻载荷之间的绳索段AC1、C1C2、C2C3和C3B均被拉紧成直线段，即在集中载荷作用下，绳索成折线状。故绳索段AC1、C1C2、C2C3和C3B均可以当作二力杆，绳索中任
汕头海湾大桥悬索桥主缆施工技术 吴清发石国彬张文忠胡利平 摘要汕头海湾大桥是我国第一座现代悬索桥，主桥结构体系为三跨154 m+452 m+154 m双铰预应力钢筋混凝土加劲箱梁的悬索桥．主缆是悬索桥的主要承重悬索结构．主缆系统的施工主要包括猫道架设、索股架设、索夹吊索安装和防腐等项目. 关键词悬索桥；主缆；钢丝束；索夹；吊索 主缆是悬索桥的主要承重悬索结构．汕头海湾大桥主缆长约1030 m，主缆直径为570 mm，采用预制平行钢丝索股架设方法施工．主缆系统的施工主要包括猫道架设、索股架设、索夹吊索安装和防腐等项目．汕头海湾大桥主缆施工流程如图1所示. 图1 悬索桥上部结构安装流程图 Fig.1 Superstructure erection flow chart of suspension bridge
1 猫道施工 猫道是主缆钢丝束拖拉架设、测量、调索、主缆整圆挤紧直至主缆缠丝涂装等工序施工的空中走道和作业平台，在悬索桥的施工中占有很重要的地位．本桥猫道由猫道承重索及其锚头锚固件、猫道面网、防护栏、猫道面滚筒、拖拉主缆锚头的小平车支承索、横向天桥及抗风索组成．考虑主缆架设的需要，设计要求猫道与主缆的空缆线形一致．猫道布置如图2所示. 图2 猫道布置示意图 Fig.2 Layout of catwalk
1.1 导索架设 导索是悬索桥上部结构施工的第一根过海架空索，本桥导索为跨越主跨的φ22 mm往复式牵引钢丝绳，用于拖拉架设猫道承重索的支承索和猫道承重索．导索的架设过程：导索过海前将两塔、两锚的门架安装好并安装必要的滑轮；导索自南主塔承台卷扬机经塔顶转向轮转向后牵拉到南主塔旁边的拖轮上锚固，在封航的条件下以拖轮拖拉，按半空中渡海法驶向北主塔，再提升到北塔顶与事先准备好的φ22 mm转向牵引绳对接，形成跨越主跨的往复式导索. 1.2 猫道架设 猫道承重索是猫道的承重结构，为φ45 mm的钢丝绳．主跨猫道承重索的架设方法是以滑钩组将其吊挂于φ33 mm支承索上，从南主塔由φ22 mm导索于空中拖拉过海，到达北主塔塔顶后以牵引器将承重索锚固在猫道锚固件上，通过测量监控、调节猫道锚固件调节螺杆的长度使承重索的垂度达到空载时的设计垂度．为了确保猫道线形，在猫道承重索下料、制作锚头之前，对猫道承重索钢丝进行预拉，并持荷2 h以消除其非弹性变形. 绳按60% p s 猫道面为4 m宽的钢丝网．为了作业方便，先在地面上将大、小方眼的猫道面网预制成30 m长一节并卷成盘，然后起吊放在主塔顶卷盘支架上，将猫道面网卷一边放开一边沿承重索下滑到位，安装护手、栏杆网、抗风索及横向天桥．当猫道面网由于坡度变小在重力作用下无法自行下滑时，可采用卷扬机施加适当的拉力帮助其下滑. 2 主缆架设 大桥两条主缆各由110束平行钢丝组成，钢丝束由91根φ5.1 mm高强镀锌钢丝按正六角形平行编制而成，全长约1029.6 m，钢丝束两端嵌固于热铸锚头内，主缆结构如图3所示.
MIDAS做悬索桥分析(一) 一悬索桥初始平衡状态分析 悬索桥主缆在加劲梁的自重作用下产生变形后达到平衡状态，在满足设计要求的垂度和跨径条件下，计算主缆的坐标和张力的分析一般称为初始平衡状态分析。这是对运营阶段进行线性、非线性分析的前提条件，所以应尽量使初始平衡状态分析结果与设计条件一致。使用midas Civil中“悬索桥建模助手”功能，可以很方便的完成悬索桥的初始平衡状态分析。 1 建模助手 悬索桥建模助手图1 掌握各参数含义及使用注意事参考帮助说明文档，1是悬索桥建模助手设置对话框，图项。在使用该建模助手时，经常碰到如下疑问：）对于小跨径的人行索桥，没有边跨如何建模？1 ）桥面系荷载如何正确定义？2 ）横向内力如何计算？3 解决了上述疑问，才能正确的使用悬索桥的建模助手。 2的结构布置：1对于问题，即要实现如图 图2 无边跨悬索桥布置
在建模助手对话框中，通过设置主梁端点A1的坐标和边跨吊杆间距完成无边跨及吊杆的布置。 图3 无边跨悬索桥设置 有边跨无吊杆：A1的x坐标为a，左跨吊杆间距为a的绝对值； 无边跨：A1的x坐标为a，但a输入非常小的数值，例如-0.01，左跨吊杆间距为a的绝对值；对于问题2，定义桥面荷载有2种方法，如下图所示： 图4 单位重量法 图5 详细设置 方法1，定义单位重量荷载值，荷载类型为等效均布荷载，大小等于除主缆和吊杆自重外成桥恒荷载，主缆和吊杆自重程序会自动考虑。 方法2，勾选详细设置，荷载类型有点荷载和均布荷载，可以分别定义桥面左、中、右跨的成桥恒荷载（不含主缆和吊杆自重）。当使用点荷载时，程序将桥面恒荷载集中到吊杆上，每根吊杆承担的荷载值为相邻吊杆间距范围内的桥面恒载加上吊杆两端锚固处的恒荷载；当使用分布荷载时，分别定义桥面左、中、右跨等效均布荷载，对于不同跨径范围内，桥面恒荷载变化比较大能准确定义。 对于问题3，在视图选项中，点击实际形状时，程序输出横向内力（主缆水平分力），如下图：
悬索桥主缆紧缆机的研究与开发 摘要：在悬索桥上部结构施工过程中，紧缆是一道关键工序。主缆索股架设之后，各索股之间、索股内部都存在空隙，必须将其紧固成圆形，并且紧实到一定的空隙率才能安装索夹与缠丝作业。紧缆机就是用来将悬索桥主缆进行紧实的一种专用设备。我司针对中小型自锚式悬索桥主缆紧缆施工而研究开发了一种紧缆机，该机结构简单，使用方便，紧缆效果好。 1.紧缆机主要技术指标及参数 1.1适用主缆直径ф300-ф500mm 1.2紧实后主缆空隙率K≤18% 1.3紧固力T=4х1000KN 1.4液压站流量：低压60L/min，高压8L/min 1.5液压系统工作压力：低压 2.5MPa，高压32MPa 1.6液压千斤顶行程：100mm 1.7液压千斤顶活塞直径：200mm 1.8设备尺寸（长х宽х高）： 1.9整机重量：4.7t 2.紧缆机总体结构 紧缆机主要有主体框架、紧固装置、液压系统、行走机构、以及附属机构5部分组成。见示意图1： 图1
2.1 主体框架部分 主体框架是由钢板焊接而成，为了方便现场的安装，制作时将其分为3部分，采用轴销连接。主体框架合围之后是一个正八边形的箱体结构，箱体的内部可装4个液压千斤顶。主体框架在设计过程中需要进行计算，校核一下其强度是否能够满足使用要求。 2.2紧固装置 紧固装置由4个液压千斤顶与4个紧固蹄块组成。4个液压千斤顶安装在主体框架上，与紧固蹄块联结在一起，沿主体框架内侧一周均匀对称分布。蹄块的内圆直径与主缆规定的直径尺寸相同，因此不同直径的主缆需要配置不同规格的紧固蹄块。蹄块在加工时，先将内圆直径加工到规定的尺寸之后，再用线切割剖切成四部分。 已知液压千斤顶要求的紧固力为100kN,千斤顶活塞直径为200mm,根据计算公式： F（顶推力）=P（油压）х S（活塞面积） 计算可得P=31.8MPa 经校核，液压系统工作压力32MPa满足设计要求。 2.3 液压系统 紧缆机液压系统原理图如图2所示： 图2
悬索桥的计算方法及其发展 悬索桥是一种古老的桥梁结构形式，也是目前大跨度桥梁的主 要结构型式之一。悬索桥主要是由缆索、吊杆、加劲梁、主塔、锚 碇等构成。从结构形式上看，它是一种由索和梁所构成的组合体系，在受力本质上它是一种以柔性索为主要承重构件的悬挂结构。悬索 桥随着跨度的增大，柔性加大，在荷载作用下会呈现出较强的非线性，所以悬索桥宜采用非线性方法来进行结构分析。 考虑悬索桥非线性因素的结构分析方法主要有挠度理论和有限 位移理论。挠度理论考虑了悬索桥几何非线性的主要因素，可用比 较简便的数值方法来分析，又有影响线可资利用，故很适用于初步 设计阶段的结构设计计算。有限位移理论则全面地考虑了悬索桥几 何非线性因素，计算结果较挠度理论精确，但计算过程复杂，直接 用于设计计算有诸多不便和困难。 悬索桥挠度理论是一种古典的悬索桥结构分析理论。这种理论 主要考虑悬索和加劲梁变形对结构内力的影响，在中小跨度范围内 其计算结果比较接近结构的实际受力情况，具有较好的精度。悬索 桥挠度理论主要分为多塔悬索桥挠度理论和自锚式悬索桥挠度理论。 最初的悬索桥分析理论是弹性理论。弹性理论认为缆索完全柔性，缆索曲线形状及坐标取决于满跨均布荷载而不随外荷载的加载 而变化，吊杆受力后也不伸长，加劲梁在无活载时处于无应力状态。弹性理论用普通结构力学方法即可求解，计算简便，至今仍在跨径 小于200米的悬索桥设计中应用[1]。但弹性理论假定缆索形状在加 载前后不发生变化，显然与悬索桥的可挠性不符，因此发展出计入 变形影响的悬索桥挠度理论。
古典的挠度理论称为“膜理论”。它是将悬索桥的全部近视看成是一种连续的不变形的膜，当缆索产生挠度时，加劲梁也随之产生相同的挠度。由于根据作用于缆索单元上吊杆力与缆索拉力的垂直分力平衡以及作用于加劲梁单元上的外荷载及吊杆力与加劲梁弹性抗力平衡的条件建立力的平衡微分方程而求解。挠度理论和弹性理论的最大区别是摒弃了弹性理论中关于缆索形状不因外荷载介入而改变的假设，相应建立缆索在恒载下取得平衡的几何形状将因外荷载介入而改变及同时计入缆索因外荷载所增索力引起的伸长量的假设，极大的接近悬索桥主索的实际工作状态，对悬索桥的发展起到了很大的推动作用。 悬索桥的挠度理论也是一种非线性的分析方法，至今仍不失为分析悬索桥的较简单实用的手段。但挠度理论在基本假设中忽略了吊杆的变位影响及加劲梁的剪切变形影响等，使分析结果的精度受到限制。随着计算方法、计算手段的发展，悬索桥的计算理论也发展到将悬索桥作为大位移构架来分析的有限位移理论。有限位移理论将整个悬索桥包括缆索、吊杆、索塔、加劲梁全部考虑在内，分析时可以将各种二次影响包括进去，从而使悬索桥的分析精度达到新的水平。 有限位移理论是20世纪60年代提出的计算理论。它是一种精确的理论，不需挠度理论所作的那些假定。其计算值一般要小于挠度理论[3]。根据参考文献，主跨为380m时，用有限位移理论计算的内力、挠度值，比挠度理论小10﹪；主跨768m时，在半跨加均
文章编号:1003-4722(2005)03-0021-04 大跨度悬索桥主缆线形主要参数的影响性分析 王戒躁,钟继卫 (中铁大桥局集团桥科院有限公司,湖北武汉430034) 摘 要:采用非线性有限元分析软件,对千米级悬索桥线形影响较大的8个参数进行主缆跨中标志点标高的分析,得到了各个参数在单位变化量时,产生主缆跨中标志点标高的影响值,并根据实际可能发生程度,提出主缆架设前和架设中需重点关注的参数。 关键词:悬索桥;主缆;线形影响量;索长;有限元法;分析中图分类号:U448.25 文献标识码:A Analysis of Major Parameters Having Influences on Geometry of Main Cables of Long -Span Suspension Bridge W ANG Jie -zao,ZHONG Ji -wei (Bridg e Science Research Institut e L td.,China Zhong tie M ajor Bridg e Eng ineering Gro up,Wuhan 430034,China) Abstract:By m eans of so ftw are fo r nonlinear finite elem ent analy sis,this paper analyzes the elevation of m ar k po ints at midspan of the main cables of suspensio n bridg e for the eig ht m ajo r parameters that have consider able influences on the g eom etry of the cables o f the bridg e w ith span longer than 1000m,obtains the influence values o f the elevatio n at unit variatio n of each of the parameters,and also points out the parameter s that need special concern before and during er ec -tion o f the cables in accordance w ith the actual po ssibility of the influence occurrence. Key words:suspension bridg e;main cable;influence amount of geometry;cable leng th;f-i nite elem ent method;analy sis 收稿日期:2005-04-26 作者简介:王戒躁(1967-),男,高级工程师,1989年毕业于西南交通大学工程力学专业,工学学士,1994年毕业于西南交通大学工程力学专业,工学硕士。 1 前 言 随着综合国力及桥梁整体设计、建造水平的提高,千米级大跨度悬索桥越来越成为跨越长江及海湾主桥的首选桥型,随着大跨度悬索桥的设计、建造及施工控制技术的提高,对桥梁结构线形控制精度的要求亦不断提高。在以往许多中小跨径桥梁中不需要考虑的因素,在千米级桥梁中必须加以考虑。本文主要从对线形影响相对较大的参数中选择较为关键参数进行参数影响量分析,提出悬索桥施工控制中需进行重点关注的影响参数。以阳逻长江大桥为主要分析研究对象,该桥为主跨1280m,主 塔高166.5m,矢跨比1/10.5,单跨地锚式钢箱梁悬索桥。 2 主要影响参数的选取 影响悬索桥主缆线形的因素很多,主要可以分为计算分析理论和结构几何材料参数两个方面。 现阶段,大跨度悬索桥均采用非线性有限元计算分析理论[1]。由于非线性计算理论和大量商业计算软件的完善,只要选用成熟的非线性求解器并按合理的假设建立计算模型,计算结果的差异均不会太大。而结构几何参数、材料特性参数往往与施工
在学**阶段的各种设计练**及实际工作中，可能会经常遇到悬索桥的设计计算。本文结合笔者自身体验，叙述Midas/Civil计算悬索桥的基本步骤及使用中的心得技巧和注意事项。注：本文以Midas/Civil 2012为参照版本。 Midas/Civil计算悬索桥中的关键问题在于初始成桥线性的确定，这是由于悬索桥为大变形二阶柔性结构决定的。其分析过程及每步中的要点如下： 1.建立新文件，为了便于区分和查找，建议命名时加入文件创建日期及文件主要特征等信息； 2.按照初步设计，定义主缆、桥塔、横梁、加劲梁、横隔板等部件的材料及截面特性值； 3.在结构-悬索桥按钮点出“悬索桥建模助手”，在其中输入相关信息，利用建模助手功能生 成初步模型以便后续修改。在此需指出，利用悬索桥建模助手可以确定索单元大致的初始内力，利于后面的精细分析。实际上也完全可以自行建立悬索桥的全部梁、索单元，再进行非线性分析控制和迭代，但该步骤比较繁琐，因此一般推荐采用悬索桥建模助手生成初步模型； 在建模助手中有几个要点和技巧： 1）建模助手采用的默认对象是双塔三跨悬索桥。当建立的模型为双塔单跨悬索桥时，可以在边跨长度框内输入一个很小的数值（如1e-6），一般在Midas/Civil中，距离小于1e-5的节点将被合并，从而达到实际只建立了中跨的效果； 2）桥面系宽度，在桥塔竖直、索面竖直时指的是桥塔间距，也即主缆间距、吊杆吊点间距，在索面倾斜或桥塔倾斜时，一般理解为吊杆在加劲梁上的吊点间距更加方便； 3）桥面系单位重量，此处输入的单位重量必须等于加劲梁的自重加上二期恒载等以梁单元均布荷载形式施加给加劲梁单元的梁单元荷载的和，否则后面难以计算收敛。另外，当建立的模型为双塔单跨悬索桥时，应勾选此处“详细”对话框，并在对话框中分别设置边、中跨桥面系荷载集度，为了便于收敛，可以将实际不存在的边跨设置一个非常小的集度，如1e-6； 4）其余各项按照对话框要求及初步设计填写即可，点击“实际形状”，会给出初步计算的主缆横向内力，该值应该记下，以便在后面悬索桥分析控制中使用； 5）填写完成后建议命名并保存该wzd文件，以便后面再修改或重复利用。 4.建模助手填写完毕后，点击“确定”，即开始进行第一轮悬索桥生成时的初步非线性分析 计算，根据悬索桥复杂程度不等，通常该过程会持续数秒到数十秒，此时宜耐心等待。该过程运行结束后，程序会自动生成几何刚度初始荷载，并自动生成“自重”荷载工况； 5.悬索桥建模助手生成的是程序默认形式的地锚式竖直索面悬索桥，此时我们需根据实际桥 梁情况进行修改：比如自锚式悬索桥、空间主缆悬索桥、单塔悬索桥等，修改的内容包括节
悬索桥主缆防护施工工艺流程图A主缆缠丝部位的施工工艺流程 用丙酮或二甲苯清除缆索索股表面的油污、脂等用高压淡水加清洁 剂清洗缆索表面的 锌盐及其它污物 用高温高压淡水清 洁缆索表面 用棉质碎布去除清洗 过索股部位的水分 缠丝刮涂不干性封闭剂 最小厚度2700μm 涂环氧磷化底漆一 道10μm 必要时用洁净的冷风 去除冷凝水干燥缆索 清除缠丝表面杂物 及污染物涂环氧磷化底漆一 道10μm 涂环氧云铁底漆二 道80μm 刮涂聚硫密封剂最小 厚度1200μm 主缆顶部宽300mm 部位撒防滑砂喷涂第二道聚氨酯 面漆 主缆顶部宽300mm 部位撒防滑砂 喷涂第一道聚氨酯 面漆60μm 喷涂第三道聚氨酯 面漆 完工报验B散股部位工艺流程 用丙酮或二甲苯清除缆索索股表面的油污、脂等用高压淡水加清洁 剂清洗缆索表面的 锌盐及其它污物 用高温高压淡水 清洁缆索表面 用棉质碎布去除清洗 过索股部位的水分 涂环氧云铁底漆二 道80μm 喷涂第一道聚氨酯 面漆60μm 必要时用洁净的冷风 去除冷凝水干燥缆索 喷涂第二道聚氨酯面漆60μm 喷涂第三道聚氨酯 面漆60μm 完工报验 喷涂第一道聚氨酯 面漆60μm C主缆未缠丝(主鞍座至第一索夹和锚室外18.5长)部位防护工艺流程
用丙酮或二甲苯清除缆索索股表面的油污、脂等用高压淡水加清洁 剂清洗缆索表面的 锌盐及其它污物 用高温高压淡水清 洁缆索表面 用棉质碎布去除清洗 过索股部位的水分 刮涂聚硫密封剂平 均厚度400μm涂环氧云铁底漆二 道80μm 涂环氧磷化底漆一 道10μm 必要时用洁净的冷风 去除冷凝水干燥缆索 缠玻璃丝布一层刮涂聚硫密封剂 平均厚度400μm 缠玻璃丝布一层刮涂聚硫密封剂平均 厚度400μm 缠防水胶带三层喷涂第三道聚氨酯 面漆60μm 喷涂第二道聚氨酯面 漆60μm 喷涂第一道聚氨酯面 漆60μm 完工报验 D索夹间对接缝及索夹与缆索间的环缝防护工艺流程 用丙酮或二甲苯清除对接缝内及环缝的油污、脂等用高压淡水加清洗 剂清洁对接缝和环 缝内部 用高温高压淡水清 洁对接缝和环缝内 部 用聚光照明检查对接缝内 及环缝内索股及缝内壁 锈蚀和破损情况 涂环氧云铁底漆二 道80μm缆索部位涂环氧磷 化底漆一道10μm 必要时用洁净的冷 风去除对接缝内和 环缝冷凝水 用棉质碎布清除对接 缝内和环缝内的水分 填涂聚硫密封剂对接缝达到饱满、环缝密封剂斜面与索夹端面成45o角刷涂第一道聚氨酯 面漆60μm 刷涂第二道聚氨酯 面漆60μm 刷涂第三道聚氨酯面 漆60μm 完工报验 E鞍座处裸露索股的密封工艺流程
自锚式悬索桥的计算 北京迈达斯技术有限公司 2004.12
目 录 1.使用精确分析方法确定自锚式悬索桥三维形状 2.三维悬索桥建模助手(索体系平衡状态) 2.1简化的索体系平衡状态分析方法(Ohtsuki方法) 2.1.1竖向平面内分析 2.1.2水平面内分析 2.2精确的索体系平衡状态分析方法 3.悬索桥分析控制(整体结构体系平衡状态)
1. 使用精确分析方法确定自锚式悬索桥三维形状 决定自锚式悬索桥形状的精确分析一般分为两个阶段。如下列流程图所示，第一个阶段确定整体结构形成前状态(无应力索长状态)，第二个阶段确定包含加劲梁、索塔墩等全部结构体系形成后的状态。
2. 三维悬索桥建模助手(索体系平衡状态) 图1. 悬索桥建模助手 MIDAS/Civil的悬索桥建模助手用于前面所述的确定整体结构形成前状态(无应力索长状态)的程序，建模助手内部又经历了两个步骤的分析过程。第一个步骤使用Ohtsuki博士的简化计算方法进行简化的初始平衡分析，在此阶段通过输入的加劲梁的均布荷载和Y、Z方向的垂度确定主缆的水平力和其三维坐标。第二个步骤为精确的初始平衡分析阶段，是使用前一步骤得到的主缆坐标和水平张力，通过非线性分析计算准确的索无应力长状态。 图2. 悬索桥建模助手
2.1 简化的索体系平衡状态分析方法(Ohtsuki方法) 下面介绍悬索桥建模助手的第一个步骤中使用的Ohtsuki方法。 该方法采用了日本Ohtsuki博士使用的计算索平衡状态方程式，其基本假定如下： (1) 吊杆仅在横桥向倾斜，始终垂直于顺桥向。 (2) 主缆张力沿顺桥向分量在全跨相同。 (3) 主缆与吊杆的连接节点之间的索呈直线形状，而非抛物线形状。 (4) 主缆两端坐标、跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置、加劲梁的恒荷载等为已 知量。 吊杆间主缆的张力分布如下图所示。 图3. 主缆张力 一般来说将索分别投影在竖向和水平面上，利用在各自平面上张力和恒荷载的平衡关系进行分析，下面分别介绍竖向和水平面的分析过程。
MIDAS/Civil悬索桥分析功能使用说明 资料制作日期：2006-8-9 对应软件版本：Civil 2006 1．使用MIDAS/Civil分析悬索桥的基本操作步骤 A.定义主缆、主塔、主梁、吊杆等构件的材料和截面特性； B.打开主菜单“模型/结构建模助手/悬索桥”，输入相应参数（各参数意义请参考联 机帮助的说明以及下文中的一些内容）； C.将建模助手的数据另存为“*.wzd”文件，以便以后修改或确认； D.运行建模助手后，程序会提供几何刚度初始荷载数据和初始单元内力数据，并自动 生成“自重”的荷载工况； E.对模型根据实际状况，对单元、边界条件和荷载进行一些必要的编辑后，将主缆上 的各节点定义为更新节点组，将塔顶节点和跨中最低点定义为垂点组； F.定义悬索桥分析控制数据后运行。运行过程中需确认是否最终收敛。运行完了后程 序会提供平衡单元节点内力数据； G.删除悬索桥分析控制数据，将所有结构、边界条件和荷载都定义为相应的结构组、 边界组和荷载组，定义一个一次成桥的施工阶段，在施工阶段对话框中选择“考虑 非线性分析/独立模型”，并勾选“包含平衡单元节点内力”； H.运行分析后查看该施工阶段的位移是否接近于0以及一些构件的内力是否与几何刚 度初始荷载表格或者平衡单元节点内力表格的数据相同； I.各项结果都满足要求后即可进行倒拆施工阶段分析或者成桥状态的各种分析； J.详细计算原理请参考技术资料《用MIDAS做悬索桥分析》。 2．建模助手中选择三维和不选择三维的区别？ A.选择三维就是指按空间双索面来计算悬索桥，需要输入桥面的宽度，输入的桥面系 荷载将由两个索面来承担； B.不选择三维时，程序将给建立单索面的空间模型，不需输入桥面的宽度，输入的桥 面系荷载将由单索面来承担。 3．建模助手中主梁和主塔的材料、截面以及重量是如何考虑的？ A.因为索单元必须考虑自重，因此建模助手分析中对于主缆和吊杆的自重，程序会自 动考虑； B.但在建模助手中主梁和主塔的材料和截面并不介入分析，程序只是根据输入的几何 数据，给建立几何模型，以便进行下一步的悬索桥精密分析。即，程序不会根据定
悬索桥的受力分析 一、选题 在前面的PreSentation 部分，我与张玉青同学合作完成了上海东海大桥的建模，在此次的实例分析中，我参考了《ANSYSfc木工程实例应用》中的悬索桥部分，并在建模的基础上对其进行受力分析和施工过程中跨中挠度变化情况的分析。 二、实例 1?问题的描述 材料性能 悬索和吊杆：E=2.5e11, μ=0.1, P g=1e4 梁：E=3.0e11, μ=0.1, P C=Ie4 截面尺寸 悬索：A=I 吊杆：A=0.02 梁：A=0.5, H=1, 1=1/24 几何参数：桥长400m双索塔，自桥面算起塔高20m全桥模型成对称分布。两塔之间 跨度为200m,左右塔距岸边各100m悬索间距为10m 初始条件：悬索和吊杆初应变为ε=1e-5。 边界条件：悬索两端铰支，大梁布置成简支结构。 以上都统一采用国际单位制。 2.悬索桥结构的建模 把悬索体系的主要承重结构模拟为由铰链环组成的在节点上加荷载的悬挂索链。这种模型不但能很好地表现实际节点索链的性质，还能表现由金属丝。股或索组成的缆的性质，由于它不具有抗弯的能力，所以用LINK180单元模拟是非常好的，计算的精度和索长度的选取 有很大的关系，同时要考虑索的应力变化问题。 当给索缆装配加劲梁时，由于加劲梁还只是外荷载，不参与结构受力，所以可以将缆索 结构当成是受集中荷载的体系。荷载按照实际的情况阶段施加。 当桥建成之后，可以将缆索和加劲梁当做一个整体来分析，在条件允许的情况下可以一 次性施加活载在桥上来模拟其受力分析。 三、建模过程及分析过程 1. 设置单元及材料参数 定义单元类型 定义材料属性 实常数 定义截面 2. 建模 生成区段模型 主缆单元类型为1号，材料类型为1,截面实常数R1 ;悬索单元类型为1号，实常数为2,桥面主梁单元类型为2号，材料类型为2号，截面实常数为1。 定义局部坐标 在X=100处生成局部坐标系，新的坐标系代号必须大于10 ,再将局部坐标系设为当前 坐标系，以当前坐标系的YZ面为对称面，镜像生成另一区段模型。再返回到全局笛卡尔坐 标（CSYS=O，再将当前所有模型相对YZ面为镜像生成另一半模型。
悬索桥主缆及吊索施工技术方案 主缆采用预制平行索股(PPWS)，单根主缆中含67股平行钢丝索股，每股含127丝直径φ5.2mm的镀锌高强钢丝，单根主缆共8509丝。紧缆后，主缆直径为526mm(索夹处)和533mm(索夹间)。单根索股重约24t（主缆尺寸仅供参考，以设计为准）。 吊索采用垂直吊索形式，每个吊点共2根，采用预制平行钢丝束股(PWS)，钢丝采用直径φ5.2mm的镀锌高强钢丝，每根吊索含73根钢丝。 1..6.1施工设备布置 为架设鞍体、主缆、索夹及吊索、钢桁架等永久性结构和施工猫道、牵引系统、索股张拉系统等临时设施，以及紧缆机、缠丝机、跨缆吊机等施工设备安装，拟在塔顶安装门架，在索塔上横梁顶安装1台250t.m塔吊、在塔侧安装供人员和小型机具运输的电梯，在锚碇散索鞍墩顶部安装门架，北锚碇位置安装塔吊。
1..6.2索鞍吊装 全桥共有4套主索鞍、4套散索鞍。主、散索鞍陆上运输至现场，采用塔顶(或散索鞍墩顶)设置门式吊机安装。为确保施工安全，索鞍选择在无雨、风速不超过10m/s时吊装。 (1)索塔、锚碇门吊设计 A塔顶门架 塔顶门架采用桁架式结构，在设计中应充分考虑主鞍及其构件的吊装(如保证格栅板及下承板能顺利通过等)、牵引系统及索股牵引设施布置(如滚轮组、提索入鞍的设施、卷扬机布置等)、与猫道的关系(猫道承重索、门架承重索等锚固方式)。门架驻脚螺栓预埋在塔顶混凝土中。门架采用塔吊分片安装，片与片之间栓焊连接。门吊设计吊重能力为50t。塔顶门架结构示意见下图：
6000 2300 4000 3500 3500 2500 7000 15800工作平台 6000 4000 158001500 173001700 1700 74 00格栅板范围在主索鞍吊装完成后安装工作平台 2300 4000 3500 3500 2500 7000 15800工作平台 6000 400015800 1500 17300 17001700 7400 格栅板范围 在主索鞍吊装 完成后安装 工作平台 塔顶门架结构示意图（尺寸mm ，仅做参考） B 锚碇墩顶门架 锚碇散索鞍墩顶门架主要用于散索鞍及其附属构件的安装、牵索过程中导轮组固定、提索入鞍、以及其他设备的安装固定等。门架分片制作，现场组装。门吊设计吊重能力为50t 。 (2)主索鞍吊装 主索鞍吊装采用2组卷扬机滑车组系统进行。两台15t
一、主缆索股生产工艺流程图
二、主缆索股生产工艺流程主要节点叙述： ◆原材料采购检验及生产准备 按照本桥技术规范要求进行相关的进场验收，严格把关，从原材料保证索股产品的质量。 钢丝备料存放缠包带备料存放 ◆制作标志钢丝 为了便于在制造、架设钢丝索股过程中观察、辨别索股的扭转，在平行钢丝索股六角形截面左上角设一定位标志丝，沿全长涂上红色。 定位标志钢丝制作 ◆制作标准长度钢丝 为保证钢丝索股制作的精度，需要制作精度标准极高的标准钢丝，其测长进度要求一般应在1/15000以内。在通长索股标准长度钢丝上对应于主跨中心点、两侧主索鞍中心点、两侧边跨中心点、两侧散索鞍起弯点、索股两端点等九个位置；按照图纸要求作出明显的标记（如下图）。
标准长度钢丝制作 ◆平行钢丝索股成形 将一定数量的平行钢丝索股制成六角形截面形状的主缆钢丝索股，主缆索股成形后，按设计给定的下料长度，并以标准长度钢丝为基准，进行切断。切断应在基准温度（20℃）及零应力状态下，必须做到索股制作的精度及索股内钢丝间的长度的误差值控制。为保持钢丝索股截面形状，沿其长度方向每1.5m用纤维强力带包扎定型，每处缠4~6圈左右，捆扎带在钢丝索长度方向应交错设置，应在适当的位置临时绑扎钢丝或设置夹具，以保证架设需要。 ◆索股锚头灌注 索股锚头的锚杯、锌铜合金须按图纸要求进行严格检查合格。灌注前，索股端头和锚杯应与浇铸台垂直固定，并将锚杯内钢丝呈同心圆散开，然后先清除其油污、锈蚀，保持均匀间距，同时清洗锚杯内壁。同时应保持丝股中心与锚杯中心完全一致。将锌铜合金加热到熔化温度，同时将锚杯和灌注容器预热预热到一定温度，然后将合金注入锚杯，应避免任何振动，浇注应一次完成，不得中断。待锚头及浇铸的合金完全冷却后，在锚铸体后端顶压，按设计要求的载荷，持续5min以上，并严格控制锚杯内铸体的外移量。锚杯组装完毕后，在其四周及顶，底面进行二度底漆，三度面漆的涂装。 ◆包装储存及运输 为了便于运输、安装，将制成的钢丝索股进行脱胎盘卷，盘卷内径以保证钢盘在收卷或放出平行钢丝索股时不能产生任何阻碍，同时不能损坏平行钢丝索股。成品索股采用不损伤钢丝索股表面质量的材料捆扎结实，然后用防水纺织布紧密包裹；包装好的钢丝索股平衡整齐架空堆垛存放，并做好防雨措施，并保持通风排水良好。运输方式可采用公路、铁路或水路运输，在运输和装卸过程中，确保索股不受损伤和污染，具体情况按照制定操作规程，并报监理工程师批准后，遵照规定要求操作。
悬索桥得受力分析 一、选题 在前面得presentation部分,我与张玉青同学合作完成了上海东海大桥得建模,在此次得实例分析中,我参考了《ANSYS土木工程实例应用》中得悬索桥部分,并在建模得基础上对其进行受力分析与施工过程中跨中挠度变化情况得分析。 二、实例 1.问题得描述 ●材料性能 悬索与吊杆:E=2、5e11,μ=0、1,ρɡ=1e4 梁:E=3、0e11,μ=0、1,ρɡ=1e4 ●截面尺寸 悬索:A=1 吊杆:A=0、02 梁:A=0、5,H=1,I=1/24 ●几何参数:桥长400m,双索塔,自桥面算起塔高20m。全桥模型成对称分布。两塔之间跨 度为200m,左右塔距岸边各100m。悬索间距为10m。 ●初始条件:悬索与吊杆初应变为ε=1e5。 ●边界条件:悬索两端铰支,大梁布置成简支结构。 以上都统一采用国际单位制。 2.悬索桥结构得建模 把悬索体系得主要承重结构模拟为由铰链环组成得在节点上加荷载得悬挂索链。这种模型不但能很好地表现实际节点索链得性质,还能表现由金属丝。股或索组成得缆得性质,由于它不具有抗弯得能力,所以用LINK180单元模拟就是非常好得,计算得精度与索长度得选取有很大得关系,同时要考虑索得应力变化问题。 当给索缆装配加劲梁时,由于加劲梁还只就是外荷载,不参与结构受力,所以可以将缆索结构当成就是受集中荷载得体系。荷载按照实际得情况阶段施加。 当桥建成之后,可以将缆索与加劲梁当做一个整体来分析,在条件允许得情况下可以一次性施加活载在桥上来模拟其受力分析。 三、建模过程及分析过程 1.设置单元及材料参数 ?定义单元类型 ?定义材料属性 ?实常数 ?定义截面 2.建模 ?生成区段模型 主缆单元类型为1号,材料类型为1,截面实常数R1;悬索单元类型为1号,实常数为 2,桥面主梁单元类型为2号,材料类型为2号,截面实常数为1。 ?定义局部坐标 在X=100处生成局部坐标系,新得坐标系代号必须大于10,再将局部坐标系设为当前坐标系,以当前坐标系得YZ面为对称面,镜像生成另一区段模型。再返回到全局笛卡尔坐标(CSYS=0),再将当前所有模型相对YZ面为镜像生成另一半模型。 再设定当前材料及单元为索塔属性,生成索塔。
收稿日期:20020606 作者简介:程维国(1972— ),男,工程师,1993年毕业于石家庄铁道学院机械工程专业。 黄山人行观光悬索桥主缆、索夹及吊索安装施工技术 程维国 (中铁四局集团第五工程公司 江西南昌 330200) 摘 要 人行观光悬索桥以其独特的造型和强大的跨越能力,用于旅游观光建筑中具有光明的发展前景。以黄山观光索桥为例,重点介绍人行观光悬索桥主缆、索夹、吊索安装施工工艺、方法和要点。 关键词 观光悬索桥 主缆 索夹 吊索 安装施工 1 工程概况 黄山市人行观光悬索桥是一座三跨两铰的柔性悬索吊桥,南北向跨越新安江,主塔塔顶高程154.00m ,主塔处索鞍中心高程149.00m ,散索鞍理论中心线交点高程129.967m ,理论锚固中心高程119.235m ,主跨为170m ,两边跨均为60m ,全桥总长290m ,矢跨比f /L =1/11,主缆间距4.5m ,桥面净宽4.3m ,吊索间距4.0m 。主缆为外包HDPE 高强度聚乙烯55根 悬索桥结构计算理论 悬索桥结构计算理论 主要内容 ?概述 ?悬索桥的近似分析 ?悬索桥主塔的计算 ?悬索桥成桥状态和施工状态的精确计算 1.概述 1.1悬索桥的受力特征 悬索桥是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚碇、吊索等构件构成的柔性悬吊体系，其主要构成如下图所示。成桥时，主要由主缆和主塔承受结构自重，加劲梁受力由施工方法决定。成桥后，结构共同承受外荷作用，受力按刚度分配。 悬索桥各部分的作用 主缆是结构体系中的主要承重构件，受拉为主； 主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件，受压为主； 加劲梁是悬索桥保证车辆行驶、提供结构刚度的二次结构，主要承受弯曲内力； 吊索是将加劲梁自重、外荷载传递到主缆的传力构件，是连系加劲梁和主缆的纽带，受拉。 锚碇是锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力传递给地基。 1.概述(续) ?悬索桥计算理论的发展与悬索桥自身的发展有着密切联系 早期，结构分析采用线弹性理论(由于桥跨小，索自重较轻，结构刚度主要由加劲梁提供。 中期(1877), 随着跨度的增加，梁的刚度相对降低,采用考虑位移影响的挠度理论。 现代悬索桥分析采用有限位移理论的矩阵位移法。 ?跨度不断增大的同时，加劲梁相对刚度不断减小，线性挠度理论引起的误差已不容忽略。因此，基于矩阵位移理论的有限元方法应运而生。应用有限位移理论的矩阵位移法，可综合考虑体系节点位移影响、轴力效应，把悬索桥结构非线性分析方法统一到一般非线性有限元法中，是目前普遍采用的方法。 ?弹性理论 （1）悬索为完全柔性，吊索沿跨密布； （2）悬索线性及座标受载后不变； （3）加劲梁悬挂于主缆，截面特点不变；仅有二期恒载、活载、温度、风力等引起的内力。 计算结果：悬索内力及加劲梁弯距随跨经的增大而增大。 地锚式钢结构悬索桥施工技术总结 1?工程概况 悬索桥是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁，由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成。悬索桥的主要承重构件是悬索，它主要承受拉力，一般用抗拉强度高的钢材（钢丝、钢缆等）制作。由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，根据神华宁煤400万吨/年间接液化项目澄清文件平面图等相关资料，两座悬索桥分别跨铁路悬索桥、过经四路悬索桥。跨度范围几十米到两百米左右，横跨铁路悬索桥主跨要在100米以上。 悬索桥又分为自锚式与地锚式两大类，本工程的悬索桥主要用于管道的敷设，对于桥面的路面要求不高，但是对钢性有一定要求。地锚式钢结构悬索桥的施工工艺与自锚式混凝土悬索桥及重力式悬索桥有很大区别，其施工重点在于钢结构梁的曲线挠度控制，及各种预埋件、构件的精度控制，难点是悬索桥张拉过程中的索力调整及主缆、索鞍的防腐处理，地锚式钢结构悬索桥具有造价高，跨度小，但外型曲线优美结构线条透明，适用景观工程等特点，本方案为地锚式钢结构悬索桥安装。 图1结构示意图 2.编制依据 1.《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001 2.《公路工程质量检验评定标准》JTGF80/1-2004, 3.《公路桥涵施工技术规范》JTT041-2000 4.《简易架空缆索吊》北京 3施工要点： 悬索桥的主梁由吊杆支撑，主梁弯矩与跨度关系不大。钢梁组成平面梁格和后期铺 设的混凝土桥面板构成。2道纵梁的横向位置与吊杆的横向位置相同，吊杆直接锚固在 纵梁上。 自锚式悬索桥采用先缆后梁施工方案的施工顺序如下： (1) 在桥墩上架设第一段主梁，与桥墩临时链接，该链接可传递较大的水平力; (2) 把猫道主缆锚固在墩顶主梁上； (3) 分步架设主梁：先吊装边上的压力之前，主缆和临时连接系梁，形成能够承受轴 力的钢骨架，然后在钢骨架上施工主梁的其他部分。纵梁承受压力之前，主缆和猫道承 重索的水平力由桥墩承受，大缆水平力从桥墩转移到纵梁，可用图 2所示的临时固结装 置解决。图2所示为广州鹤洞大桥斜拉桥临时固结装置，可方便进行系统转化 施工过程中，边墩最不利的受力工况为吊装最后阶段纵梁：纵梁不能承受压力，主缆 受自重、吊杆拉力(承受纵梁及连接系的重力)和猫道自重作用，其水平力全部由边墩 承受 次方法实施需要着重考虑的问题包括桥墩的设计尺寸、 工字型主梁的稳定性和大缆与 桥墩的临时固结等，需要进行计算制定详细的施工方案。 3.1桩基施工 由于没有设计相关内容，根据现场地质条件桥塔桩基设计采用钻孔桩基础，桩基类 型均为摩L 30.0 m || 1 Hi r 1」 I 1 -* ?刀 ■ 桃删m 盛眾戟曲 图1 Fig. 1 主蝶示It Main prdei 主SL 桥强示盍 Fi 曲 2 The of nuin cable ffld pier悬索桥结构计算理论
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