自锚式悬索桥极限承载力及安全性评价方法研究
沈锐利;成新;白伦华;颜智法
【摘要】以鹅公岩轨道交通专用桥为工程背景,对自锚式悬索桥极限承载力及其安全性评价方法进行研究.从材料的单轴本构模型出发,介绍杆单元与纤维梁单元弹塑性刚度矩阵的计算方法,基于U.L.列式编制相应的杆系有限元计算程序.对活载独立增大及恒活载同比增大两种典型荷载模式下四种工况的极限承载力计算结果进行分析,揭示了自锚式悬索桥的破坏过程中位移、截面刚度变化规律及失效机制.结合JTG/T D65-01-2007《公路斜拉桥设计细则》中大跨度桥梁非线性分析时主梁安全系数的规定,根据荷载效应等效原则,推导活载安全系数的计算公式,通过与规范对比分析发现,其计算结果更为严格,并就该公式及规范评价吊索与主缆安全性出现的结果不一致性进行分析.%Based on the prototype of Egongyan Transit Bridge,the ultimate bearing capacity and safety evaluation method of the self anchored suspension bridge were studied.Based on the uniaxial constitutive model of the material,the calculation methods of the elastic-plastic stiffness matrixs of the rod and fiber beam element were introduced,and the finite element calculation program was developed based on the U.L.formulation.The calculation results of the ultimate bearing capacity of four working conditions under two typical load modes,namely independent increase of live load and joint increase of both live and dead loads were analyzed to study the displacement,section stiffness variation and failure mechanism of the bridge.According to the requirement on the safety factors of the main girder of large span bridges under nonlinear analysis specified by the Guidelines for Design of Highway
Cable-stayed Bridge and the principle of equivalent load effect,the calculation formula of the safety factor of live load was https://www.doczj.com/doc/bf19108512.html,pared with design codes,the results showed that the calculation formula is more rigorous.Meanwhile,the inconsistency between results of the safety of the sling and main cable evaluated by the calculation formula and specified by design codes were analyzed.
【期刊名称】《铁道学报》
【年(卷),期】2017(039)011
【总页数】8页(P89-96)
【关键词】桥梁工程;稳定;自锚式悬索桥;极限承载力;二阶非线性;弹塑性截面特性【作者】沈锐利;成新;白伦华;颜智法
【作者单位】西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;中交公路规划设计院有限公司大桥事业部,北京 100088;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;中交公路规划设计院有限公司大桥事业部,北京 100088
【正文语种】中文
【中图分类】U448.25;U445.462
自锚式悬索桥主缆锚固于主梁端部，主梁中产生较大的轴向压力。轴压荷载作用下使结构稳定问题更加突出。对大跨径自锚式悬索桥中长细主梁稳定性问题应考虑主缆、吊索及主梁相互作用，即荷载增大以后，主缆通过吊索对主梁的支承作用也增
强，使主梁在面内不再出现分叉失稳［1］。于是，自锚式悬索桥结构体系的稳定问题可归为极值稳定，截面应力能够达到材料强度。同时，由于桥塔侧移，主梁压弯耦合作用等影响，二阶效应显著，对其极限承载力的计算应采用二阶分析理论。该文以鹅公岩轨道交通专用桥为工程背景，通过U.L.列式法［2］考虑缆索结构的几何非线性，采用纤维模型法考虑梁单元的材料非线性，编制计算结构空间静力极限承载力的分析程序，建立由空间梁单元与空间杆单元的全桥杆系有限元模型，研究自锚式悬索桥在运营阶段的静力极限承载力和安全性评价采用的荷载模式等问题。
1 极限承载力分析方法
1.1 极限承载力理论
极限承载力问题，数学意义上是求解一个非线性方程。将荷载分级施加于结构上，第i级荷载的增量为dψi，则结构U.L.列式下的总平衡方程为［3］
式中：t K T为结构的整体刚度矩阵；t K E为弹塑性刚度矩阵；t K G为几何刚度
矩阵；dδi为第i级荷载作用时结构产生的位移增量。
采用荷载增量法即可求解式（1）的非线性方程组，其思路是：近似假设在i级荷
载作用时，结构刚度矩阵为上一级荷载作用结束的值；待i级荷载作用完成时计算结构各个构件的应力、应变值，根据变形后的结构构形计算结构新的整体刚度矩阵，当结构达到承载力极限状态时，此时结构的刚度矩阵奇异，作用于结构上的增量荷载和即为结构的极限荷载［4］。
1.2 材料本构关系
随着荷载的不断增加，结构构件逐渐进入塑性阶段，此时材料的本构关系不再是线性关系。工程上钢材一般采用低合金钢，其钢材有明显的屈服点，通常采取理想弹塑性［5］本构关系模拟，即钢材达到屈服强度之后将发生塑性变形，应力-应变
关系的斜率为零，其本构关系见图1；吊索及主缆采用高强度钢丝构成，通常采用
考虑应变硬化的弹塑性本构关系模拟［5］，本构关系模型见图2；混凝土材料通常采用Hognestad模型［6］和Rüsch模型［7］，分别见图3、图4，该文采用Rüsch模型来模拟混凝土本构关系。
1.2.1 空间杆单元材料非线性
空间杆单元在有限元中看作结构两端为铰接的，只承受轴向力的杆件，每个节点包含3个自由度。空间杆单元的弹塑性刚度矩阵为
图1 理想弹塑性本构关系
图2 考虑应变硬化的弹塑性本构关系
图3 混凝土Hognestad模型本构关系
图4 混凝土Rüsch模型本构关系
式中是杆单元的弹塑性刚度矩阵是杆单元的几何刚度矩阵。文献［8］详细列出了上述两刚度矩阵的表达式。
1.2.2 空间梁单元材料非线性
基于极限承载力分析理论，考虑材料非线性的方法主要有内力塑性系数法［3］、分层法［9-10］、分块分段纤维模型［11-13］、塑性铰法［14-18］等。
空间梁单元的U.L.列式的增量有限元方程为［11］
式中：t K ep为梁单元的弹塑性刚度矩阵；t K G为几何刚度矩阵；t＋Δt P为外荷载的等效荷载列阵；t F为t时刻的单元等效节点力列阵，t U为单元节点位移增量。而考虑梁单元的材料非线性关键在于求解弹塑性刚度矩阵。
采用纤维模型法，将截面划分成如图5所示的形式，第i块截面单元的面积为d A y，z，假设截面几何中心的初始应变为ε0，曲率φy、φz，则第i块截面单元形心的应变为εy，z＝ε0＋φz y＋φy z。根据材料本构关系，可以计算各单元划分块应
变对应的切线模量E t，则截面刚度矩阵中的截面特性为［13］
图5 梁单元的截面划分及应变分布
先计算小块的刚度，并根据截面各小块的刚度累积得到截面整体的刚度特性矩阵
D［13］
对D采用Newton-Cotes法沿单元长度进行积分，获得梁单元的弹塑性刚度矩阵［11］
式中：Ci为积分常数；l为单元长度；n为单元分段数；B i为第i截面的应变矩阵；
D i为第i个截面的刚度特性矩阵。
1.3 杆系模型分析极限承载力的假设
该文拟采用梁单元及杆单元组成的杆系有限元模型从结构体系角度对桥梁结构的极限承载力进行分析，假设：
（1）不考虑板件局部屈曲及剪力滞效应对桥梁结构极限承载力的影响；
（2）对实际材料的屈服强度进行折减以考虑钢板初始缺陷及残余应力等不确定性因素对整体极限承载力的影响，以获得偏安全的结果供工程应用。
实际上，该文基于梁杆有限元模型对自锚式悬索桥进行极限承载力分析，对纤维梁单元而言，其单元模型建立在平截面假定的基础上，因此对结构的空间效应（如剪力滞）并没有详细考虑。但截面进入塑性状态后，会引起截面的应力重分布。在截面出现完全塑性状态之前，由于剪力滞造成的横向应力不均匀性，截面纤维可分为已达到屈服纤维与尚未屈服的纤维两类。已经屈服的纤维显然应力保持为强度值，尚未屈服的纤维在继续加载过程中逐渐屈服。截面应力趋于均匀。截面完全进入塑性状态时，截面纤维都进入塑性状态，应力达到屈服强度值，不存在某一区域的应
力不均匀。认为结构达到极限状态时，剪力滞的影响可以不考虑。这与规范［19］中通过有效宽度的概念对剪力滞效应的考虑并不相同，因为规范中以剪力滞造成的应力最大纤维屈服作为极限状态进行讨论。而且，如果该结构中的加劲板属于刚性加劲板（即加劲板屈曲以母板屈曲作控制，加劲肋能起到简支边界条件的作用），且屈曲设计控制高于在压曲强度值，板件不会在材料屈服前发生弹性屈曲失效，材料强度利用率较高。因此，假设（1）从满足工程应用的角度来讲，是合理可取的，假设（2）是通过折减强度的方法进一步获得偏安全的结果。
2 自锚式悬索桥分析模型基本情况
2.1 工程概况
重庆鹅公岩轨道交通专用自锚式悬索桥的跨度为（50＋210＋600＋210＋50）m，为目前世界上最大跨度自锚式悬索桥，矢跨比为1∶10，见图6。主桥采用钢与混凝土的混合梁结构。过渡段及边跨锚固段部分采用混凝土箱梁结构，主跨与边跨大部分梁段为全焊扁平流线形封闭单箱五室钢梁，典型截面形式见图7。主桥索塔设计为混凝土结构，采用双柱门式塔柱，西塔柱自承台顶面以上高158.817 m，东
塔柱自承台顶面以上高164.817 m，东西塔均设上、中、下三道横梁，以东桥塔
为例说明桥塔构造特点，见图8。混凝土材料为C50，钢材为Q420qe。钢箱梁的稳定设计特点之一为其组成加劲板为刚性加劲设计，弹性屈曲应力超过压屈强度［20］。
图6 全桥总体布置(单位：m)
图7 钢梁截面形式(单位：m)
图8 桥塔构造(单位：m)
2.2 计算工况
桥梁静力极限承载力的荷载计算模式一般有两种：
（1）荷载模式1
考虑恒载的离散性，按照规范［21］取恒载系数后，仅增大活载的作用倍数。用
公式形式可写为：1.2×混凝土梁恒载（1.1×钢梁恒载）＋λa×（列车竖向荷载＋
列车横向摇摆力＋人群荷载＋风荷载＋升/降温）。
（2）荷载模式2
恒载与活载同比增大。用公式形式可写为：λb×（混凝土梁恒载＋钢梁恒载＋列车竖向荷载＋列车横向摇摆力＋人群荷载＋风荷载＋升/降温）。
上述荷载模式中，λa为活载的增大系数；λb为恒载与活载同比例增大系数。
对于大跨度缆索承重桥梁，施工控制时将根据恒载的误差值调整索力和线形，也就是恒载的误差对缆、塔和梁的影响不是同等倍数放大或缩小的，理论上说采用荷载模式2是不合适的。但是文献［20］是采用荷载模式2来计算结构的安全系数。
为详细比较和讨论不同荷载模式对该桥结构安全性评价结果的差异，以主跨跨中与桥塔支承处截面为控制截面，并考虑活载最不利布载情况，分析以下4种典型工况：
工况1：活载布载方式对应主跨跨中截面正弯矩最不利，考虑体系升温25℃，按
荷载模式1加载；
工况2：活载布载方式对应桥塔支承处梁截面负弯矩最不利，考虑体系升温25℃，按荷载模式1加载；
工况3：活载布载方式对应主跨跨中截面正弯矩最不利，考虑体系降温25℃，按
荷载模式2加载；
工况4：活载布载方式对应桥塔支承处梁截面负弯矩最不利，考虑体系降温25℃，按荷载模式2加载。
各工况中，活载布载方式按全桥模型影响线计算结果进行布载，并约定正弯矩使截面上翼缘受压，负弯矩使截面下翼缘受压。
2.3 有限元模型
基于Visual Studio，采用C＋＋语言编制了极限承载力分析程序，并与通用有限元程序ANSYS计算结果进行详细对比，包括成桥状态的主缆线形、吊索索力及荷载位移曲线等，证明了其程序可靠［8］，限于篇幅，部分荷载位移曲线的对比结果详见3.3节。在ANSYS中，通过242个LINK10单元模拟主缆及吊索，通过804个BEAM188单元模拟主梁及桥塔。为避免网格尺寸对计算结果的影响，通过编制程序在模拟桥梁结构时，采用相同的网格划分，其全桥有限元模型见图9。钢材材料强度从420 MPa折减为400 MPa。边界条件处理为：塔柱底部6个自由度全部约束；混凝土梁处的支座通过约束y、z向平动自由度及x向转动自由度模拟；桥塔下横系梁与纵梁之间通过y、z向平动自由度及x向转动自由度耦合进行连接。
图9 全桥有限元模型
3 极限承载力分析结果
根据上述拟定的四种工况，对该桥进行分析的主要结果汇总于表1。表1中L为主跨跨度，f st为吊索的极限抗拉强度。结构的破坏通过构件的失效顺序进行说明，即表现为桥塔混凝土开裂→钢梁屈服→吊索连续断裂的破坏顺序。为更详细地分析结构随荷载增大其应力与变形的变化情况，3.1～3.3节对各工况的计算结果进行详细的分析。
表1 主要分析结果工况荷载倍数（λa/λb）破坏模式1 9.200 主跨L/2处吊索应力达到f st 2 8.150 主跨L/4处吊索应力达到f st 3 2.650 主跨L/2处吊索应力达到f st 4 2.725 主跨L/3处吊索应力达到f st
3.1 荷载模式1的活载系数
为便于描述，定义荷载系数λ1～λ4。λ1为结构完全弹性状态的最大荷载系数；λ2为桥塔混凝土达到抗压极限强度而将进入弹塑性阶段的最大荷载系数；λ3为第1对吊索达到极限承载力时的荷载系数；λ4为结构极限状态的荷载系数。
对于工况1、2，该荷载系数也为活载系数；对于工况3、4，该荷载系数为恒活载系数。
工况1和工况2时各阶段的活载系数见表2。从表2的结果可知，对于背景工程
桥梁，活载增大系数达到4.5～5.0倍，结构仍然处于完全弹性工作阶段；结构截
面进入弹塑性阶段后，活载还可以大幅度增大，其活载的增大倍数可以达到8.0以上，这说明该结构对于活载来说，具有很高的安全储备；结构的最终破坏是由于吊索力达到了吊索的抗拉强度值，并且如果有一对吊索索力达到其抗拉强度引起断裂，则该桥的活载几乎不能再增大，很快会发生吊索断裂的连锁反应，使结构失效；而结构发生破坏前，主缆的应力仅约为1 000 MPa，远小于其材料极限抗拉强度1 860 MPa。
表2 荷载模式1下的λ结果和主缆最大拉应力1 5.000 8.400 9.100 9.200 1 098.1 2 4.500 7.100 8.050 8.150 914.3
3.2 荷载模式2的荷载系数
表3给出了工况3和工况4下的荷载倍数λi值及主缆拉应力计算结果。由表3可知，主梁恒载与活载同倍增大时，其荷载系数将比仅增大活载时小得多，最终破坏时，主缆的应力要高得多；本桥主梁恒载平均值为350 k N/m（一、二期恒载之和），双线轨道交通＋人群荷载换算为单位长度的集度为70 k N/m（且长度有限，仅8节车厢，长度小于160 m），恒载集度是活载的5倍以上，在该荷载模式作
用下，荷载增量以恒载为主，主缆应力对活载不敏感；该自锚式悬索桥的破坏模式仍然是吊索断裂，与文献［22］的结果吻合，但其系数仅为2.6左右，与按结构
设计时采用的大于3.0相差较多。
表3 荷载模式2下的λ结果和主缆最大拉应力3 2.025 2.100 2.600 2.650 1 564.8 4 1.800 2.000 2.700 2.725 1 571.0
3.3 结构刚度变化分析
以下对结构变形及刚度的变化过程进行分析。以工况1为例，结构达到极限承载
力状态时结构变形见图10；主跨跨中截面最大竖向位移的位移-荷载曲线见图11，左桥塔顶纵桥向位移-荷载曲线见图12。
图10 结构达到承载力极限状态结构构形
图11 主梁最大竖向位移点荷载-位移曲线
图12 左桥塔顶荷载倍数-纵向位移曲线
分别取左桥塔支承处钢梁单元截面、主跨跨中钢梁单元截面、右桥塔支承处钢梁单元截面三者的截面刚度变化值随荷载倍数变化曲线见图13～图15，图中竖坐标表示钢梁截面刚度与原始刚度值的比值，横向坐标轴表示荷载变化倍数。对钢梁单元截面刚度为截面未屈服的纤维组成的截面的刚度值，将原全截面扣除已经屈服的截面纤维得到某一荷载倍数下的有效截面，计算该有效截面的A eff，I z eff，I y eff，再与切线模量相乘得到此时的截面刚度，即轴向刚度、竖向刚度、横向刚度。
图13 典型钢梁截面轴向刚度变化
可知，主跨跨中截面在荷载倍数为λ＝5.00倍时达到屈服强度，其轴向刚度、竖
向刚度、横向刚度均基本不变；当荷载倍数为λ＝9.10倍时，其所有刚度值迅速
退化，并且横向刚度较轴向刚度与竖向刚度退化更快；而左桥塔支承处钢梁截面及右桥塔支承处钢梁截面大致在荷载倍数为λ＝7.40倍时达到屈服强度，其轴向刚度、竖向刚度、横向刚度开始退化，当荷载倍数为λ＝9.10倍左右，截面刚度值
均迅速退化，但其退化趋势相比主跨跨中截面弱，并且左右桥塔支撑处截面
图14 典型钢梁截面竖向刚度变化
图15 典型钢梁截面横向刚度变化
刚度变化趋势基本相同。工况1中，该桥在吊索达到屈服强度后，会出现主跨跨
中截面横向挠曲过大，并造成主梁的面外失稳。对于荷载作用模式2，其破坏模式与图13～图15破坏模式基本相同。
4 安全性评价方法
该文利用编制的计算结构空间极限承载力的分析程序，对主跨为600 m的轨道交
通专用自锚式悬索桥进行了空间极限承载力分析，比较了两种荷载作用模式的计算结果，得到了一些有意义的认识，下面围绕主梁活载安全系数、吊索与主缆安全系数问题作进一步讨论。
4.1 荷载模式1的安全系数取值
文献［21］中要求，考虑材料非线性影响的弹塑性强度稳定安全系数，混凝土主
梁应不小于2.5，钢主梁则不小于1.75。上述系数的荷载模式是该文讨论的第2种荷载模式。缆索承重桥梁结构的恒载状态一般是设计出来的（如斜拉桥要设计恒载斜拉索力，包括自锚式的所有悬索桥要设计主缆线形和吊索力），即如果恒载变化，理论上应重新设计恒载状态，而不是将恒载增加值直接作用在成桥结构上。如果这样计算缆索承载桥梁的结构极限承载力，将给计算带来很大麻烦，因为每增加一步荷载，理论上应重新设计结构的恒载状态。采用考虑恒载荷载系数后的结构，增加活载倍数，则使结构极限承载力计算变得相对简单。但这样计算出来的活载系数值无法用目前的规范评价，以下对此问题进行讨论。
结构的安全系数理论上应根据可靠度分析确定，但这是一项目前完成起来有难度的工作。实际上目前规范［21］中采用的系数也是根据过去的工程总结的系数，并
没有根据可靠度的方法确定［18］。假设缆索承重桥梁上主梁恒载与作用于其上
的活载都可简化为分布荷载，如果按前述的两种荷载模式计算结构的极限承载力，对于一般的梁结构，其值应该是一致的，公式为
式中：λd为恒载的荷载系数，一般钢梁取1.1，混凝土梁取1.2；p d为主梁的恒载集度；p l为作用于主梁的活载集度。从式（7）可求得活载增大倍数的表达式
为
如果恒载与活载的集度比用η表示，则荷载模式1与荷载模式2的增大倍数关系
为
根据文献［21］：对于钢梁，要求λb不小于1.75，λd取1.1，则根据式（8），λa应不小于0.65η＋1.75；对于混凝土梁，要求λb不小于2.5，λd取1.2，则根据式（8），λa应不小1.3η＋2.5。
因此可以用增大活载的方式来计算结构的安全系数，其安全系数的取值可表示为
3.2节中确定该桥的恒载与活载比值为5∶1，则按式（10）计算其钢梁的活载安
全系数应不小于5.0。
对于如缆索承重桥梁结构这种超静定桥梁，按式（10）计算允许活载安全系数，
相比于规范［21］公式实际更严苛。其原因是只计活载时，活载作用在最不利区间，将恒载与活载同倍放大时，恒载按自重分布布置，没有考虑负影响区间不加载的问题，必然使控制截面的荷载效应减小，从而使计算的安全系数偏大。这一点该文的计算结果可证明：按荷载模式2计算，结构破坏时的荷载系数λb＝2.65，按式（9）计算λa应等于10.4，但实际计算出的荷载倍数λa＝9.2，因此用式（10）评价，比规范的按恒载与活载同倍放大的安全系数要求更严苛一些，偏于更安全。
4.2 吊索与主缆的安全系数问题
在桥梁结构设计时，销铰式吊索的设计安全系数要求大于3.0，这是指恒载与活载同比放大的系数。根据式（9），取λb≥3.0，则活载的安全系数则应为λa≥12.5。但在3.1和3.2节中我们可见，对结构进行极限承载力分析，结构的破坏模式是吊索断裂所致，但是其活载的安全系数仅8.15和9.2，恒载与活载同倍放大的荷载
模式2的安全系数仅2.65和2.73，都比设计时的安全系数小不少。吊索仍是结构
的薄弱点。于是，按极限承载力分析的所得吊索的安全性系数似乎不能满足设计要求。然而，事实并非如此。产生该问题的原因是该文涉及的极限承载力分析方法与结构设计方法依附的理论背景有所差异，即极限承载力分析考虑了结构的几何与材料非线性，而一般结构设计时仅考虑几何非线性的影响。如3.3节的分析结果所述，在考虑几何与材料非线性影响时，当结构截面进入弹塑性阶段后，结构各部分构件的刚度发生持续退化，相比仅考虑几何非线性影响的情况，加速了结构的破坏。所以，通过极限承载力分析方法所得安全系数小于设计时的安全系数。另外也说明，传统设计中仅考虑几何非线性分析确定的吊索安全系数并没有真正反应结构破坏时的实际荷载增大倍数。
与吊索不同，主缆的最不利活载工况是大范围作用活载，所以虽然设计时主缆的安全系数仅需≥2.5，但当吊索的荷载倍数增大到2.65甚至更大时，主缆应力还是比较小，这再一次说明，结构各构件的安全系数并没有反映结构真实的安全储备，由多组构件组成的结构的薄弱位置，应根据考虑材料、几何、边界条件非线性及荷载加载模式的极限承载力分析确定。
5 结论
（1）自锚式悬索桥其理论的破坏模式可能是桥塔压溃和（或）主梁的面内外压溃失稳破坏、主缆断裂、吊索断裂和锚固失效等几种形式，该文结合以前的工作发现，自锚式悬索桥的破坏是最不利受力吊索断裂导致相邻吊索连续断裂所致，这一点应在设计中引起注意。适当增大吊索的设计截面，能更充分地发挥全桥结构的承载能力。
（2）随着钢梁的屈服，截面的轴向与弯曲刚度逐渐减小，但横向刚度的退化快于轴向与竖向弯曲刚度，这与自锚式悬索桥主梁横向受主缆约束小有关，其压弯共同作用与竖向有比较大的不同。
（3）该文讨论了对缆索承重桥梁进行弹塑性强度稳定性分析时采用仅增大活载时
的安全系数取值问题，给出了相应的计算公式。通过对比分析，由给出公式计算的活载安全系数比规范中同时增大恒载与活载时的系数控制更严格。
（4）对由多组构件组成的结构，只有通过考虑各种非线性的分析方法，并选取合理的荷载模式，才能真实地确定各构件的安全储备。
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自锚式悬索桥的综述 一、悬索桥的介绍 悬索桥是一种结构独特、形式美观的桥梁，常见于峡谷、河流、海湾等地形复杂的地区。基本的构造是利用主悬索和辅助悬索的组合，使桥梁跨越河谷、山峰或凹地，形成一条能够承载车辆和行人交通的道路。目前悬索桥已成为桥梁工程领域的代表性建筑之一。悬索桥根据其支撑方式的不同可以分为自锚式、钢管式、混凝土箱形等多种类型。本文主要介绍自锚式悬索桥。 二、自锚式悬索桥的特点 自锚式悬索桥是一种挂设在位置固定的桥墩上的悬索桥，其特点主要在于下部构件可以直接以锚固方式固定在河床、桥墩或其他位置。因此，自锚式悬索桥不需要准备大型基础或钢管桩，也不用使用复杂的鼓型钢管。此外，自锚式悬索桥的上部构件比较柔软，可以在桥梁发生大量变形时进行适当调整，从而保证桥梁的整体稳定性。自锚式悬索桥不仅具有良好的适应性和稳定性，而且建设难度低，非常受到人们的欢迎。 三、自锚式悬索桥的结构 自锚式悬索桥的主悬索是由一系列高强度细钢线构成的。主悬索的锚固点通常设置在桥墩处，下级锚固点则悬挂在主悬索两端的墩柱上。桥梁的其他部分包括主梁、侧拱、横梁、悬索和牵引索等。自锚式悬索桥的主梁通常是钢箱梁，侧拱作为主梁的辅助结构，与横梁相连。悬索的作用是保持桥梁的平衡和稳定，而牵引索则是将桥梁的水平力传递给桥墩。 四、自锚式悬索桥的优缺点 自锚式悬索桥具有以下优点： 1.建设成本低：自锚式悬索桥的基础建设相对较少，结构简单且容易锚 固，因此建设成本比其他悬索桥更低； 2.适应性强：自锚式悬索桥的地基要求不高，建设灵活，适应性较强， 能够适应复杂的地形地貌和环境条件； 3.稳定性高：自锚式悬索桥的主悬索锚固点设置在固定的地基上，增加 了桥梁的稳定性。 自锚式悬索桥的缺点包括：
2019年辽宁省科学技术奖提名项目公示内容 （科技进步奖） 项目名称:自锚式悬索桥分析理论和关键技术 提名者:大连理工大学 一、提名意见
二、项目简介（限1页） 针对自锚式悬索桥设计、施工和施工控制中存在的缺乏系统的计算理论、缺少对自锚式悬索桥结构体系的力学性能和设计构造的系统研究、现有主缆找形理论与有限元理论存在不收敛、不精细、效率低等理论难题，常规加劲梁架设施工方法、体系转换（吊索张拉）等施工技术存在工时长、投入大，甚至有较大安全风险等技术难题，经过系统研究，形成了包括计算理论、新型架设技术与方法、体系转换优化方法等内容的具有国际领先水平的创新成果。 1.推导出自锚式悬索桥的静力基础微分方程和自由振动微分方程，建立了自锚式悬索桥力学性能的基础理论；通过对多种自锚式悬索桥的弹性理论、挠度理论及有限元方法的分析研究，形成了完善的自锚式悬索桥计算分析理论，填补了理论空白。 2．提出了自锚式悬索桥缆索解析元分析理论，建立了主缆线形的解析计算方法，解决了计算收敛性问题，提高了自锚式悬索桥求解的效率，为自锚式悬索桥的结构分析提供了简捷、高效的计算分析方法。 3．对自锚式悬索桥的结构设计参数开展了系统优化研究，为自锚式悬索桥的设计、结构安全提供了理论依据。在结构体系、主梁、主缆、锚固构造等设计关键技术方面给出了创新性的解决方案。 4．提出了自锚式悬索桥张拉过程中主缆位移的弱相干原理、吊杆力的相邻影响原理、主缆无应力长度和索鞍偏移量的高精度解析算法、张拉吊杆的交替前进张拉法及索力优化理论，为自锚式悬索桥施工控制提供了理论与方法。 5．利用变刚度调平理论设计的临时支撑体系，解决了软弱地质条件下大跨度自锚式悬索桥采用顶推施工的关键技术问题；提出并实施自锚式悬索桥“先缆后梁”的施工方法。 获授权专利4项、软件著作权2项，出版专著2部，发表学术论文70余篇、博士学位论文5篇、硕士论文34篇。成果在国内首座混凝土自锚式悬索桥—大连金湾桥、世界最大跨径混凝土自锚式悬索桥—庄河建设大街东桥、世界最大跨径自锚式悬索桥—郑州桃花峪黄河大桥等30余座自锚式悬索桥的建设中应用，解决了设计、施工和施工控制中关键技术问题，确保了这些具有世界影响且各具特色特大跨桥梁高质量建成，有力促进了由桥梁大国向强国转变。
空间半漂浮体系自锚式悬索桥施工关键技术研究 摘要：宝鸡市联盟路渭河大桥主桥为（50+95+200+95+50） m 的空间半漂浮体系 双索面自锚式悬索桥。主梁采用混合梁结构，钢梁部分采用边主梁断面，锚固跨 混凝土梁部分采用 PC 箱梁。桥塔采用欧式风格混凝土桥塔，主塔外表面及塔顶 设置欧式建筑景观造型，造型新颖，形态优美。该桥是宝鸡独有特色的桥型，建 成后将是宝鸡市新地标。 关键词：悬索桥；边主梁；主缆；体系转换 1、工程概况 宝鸡联盟路渭河特大桥为空间双索面自锚式悬索桥，桥跨布置为 （50+95+200+95+50）m，主桥全长490m，桥面总宽29m，其中200m为主跨， 95m为边悬吊跨，50m为锚固跨，主跨和悬吊跨采用钢边主梁断面形式，锚固跨 混凝土梁部分采用PC箱梁。桥塔采用欧式风格混凝土桥塔，主塔外表面及塔顶 设置欧式建筑景观造型，造型新颖，形态优美。 主桥采用半漂浮体系，竖向支座采用KZQZ双曲面球型摩擦摆减隔震支座， 横向限位支座采用GPZ（KZ）抗震盆式橡胶支座，阻尼器采用液体粘滞阻尼器。 桥梁立面布置示意图见图1。 图1 桥梁立面布置示意图 2、施工特点 自锚式悬索桥是将主缆直接锚固于边跨加劲梁体上，主缆的水平拉力由加劲 梁提供轴压力自相平衡，不需另外设置锚碇结构，由于结构设计原理不同，其施 工步骤与地锚式悬索桥不然不同，自锚式悬索桥施工特点是加劲梁要先于主缆安 装施工，即“先梁后缆”施工工艺。自锚式悬索桥相对常规悬索桥而言，不仅具有 造价低的特点，同时具有常规悬索桥的造型优美、线条流畅的特点。在城市空间 受到限制或者考虑经济性等因素时，自锚式悬索桥都极具竞争力。 3、加劲梁施工 主梁采用混合梁结构，钢梁部分采用支架滑移法施工，混凝土两部分采用支 架现浇法施工，钢梁部分采用边主梁断面，锚固垮混凝土两部分采用预应力混凝 土箱梁，钢边主梁由两侧箱型边主梁、中间横梁、主梁外侧悬臂及整体桥面结构 组成。 图2 加劲梁断面示意图 主桥钢箱梁采用边主梁、挑臂及桥面板单元工厂制造，汽车运输至桥位现场，桥面块体在北侧95米跨进行总拼，并和边主梁连接成一个整体节段，使用80+80 吨龙门吊吊装至北岸主塔北侧的滑移支架上，使用电动滑移小车滑移至安装位置，并进行环缝焊接的方案进行安装。 4、缆索系统施工 （1）主索鞍
某悬索桥荷载试验方案 % /
1 概述 工程概况 某悬索桥桥梁全宽。主桥采用单拱塔双索面自锚式悬索桥，跨径组合为+=主塔下接承台，基础采用钻孔灌注桩基础，桥台采用一字墙式桥台，与路堤相接。 主塔为椭圆形拱塔，主缆鞍座一下部分为变截面矩形钢筋混凝土断面，鞍座以上部分为钢箱断面，截面尺寸由根部（顺桥向）×（横桥向）渐变为塔顶（顺桥向）×（横桥向）。拱塔全高，桥面以上高。主塔横桥向外轮廓线由椭圆曲线、直线段平顺连接，椭圆曲线长轴为，短轴，直线段长。 本桥主梁为2×预应力钢筋混你那天连续箱梁结构，单箱四室，桥梁中心线处梁高，顶面设置2%的双向横坡，截面顶面宽19m，箱梁顶、底板厚25cm，腹板厚40cm。每隔6m对应吊索处设置一道40cm厚的横隔梁，吊杆锚固于主梁外侧梁底。桥塔处设置一道200cm厚的横隔梁，桥台处设置一道280cm厚的端横梁。主梁除在桥台处设有竖向支承外，在桥塔处下支墩上也设置有竖向支承支座。主要技术标准 1、设计基准期：100年； 2、道路等级：城市次干道Ⅱ级； 3、设计行车速度：40km/h； 4、设计荷载： 1）汽车荷载：公路—Ⅱ级； 2）人群荷载：㎡； 3）温度变化：-3℃~34℃； 4）抗震设防标准：抗震设防类别B类，抗震烈度6度；抗震设防措施等级7度；基本地震动加速度峰值； 5、桥面宽度：（沿路线前进方向从左往右布置） （人行道含栏杆）+（车行道）+ （人行道含栏杆）=19m 6、桥面横坡：双向﹪； 7、桥面纵坡：﹪、- ﹪；
8、最高洪水位：按20年一遇洪水位进行设计。 结构形式 某悬索桥采用半漂浮体系，单拱塔双索面自锚式悬索桥，如下图所示： 图全桥结构示意图 箱梁断面示意图如下所示 图箱梁结构断面示意图（单位cm） 2 试验目的与依据 试验目的 试验的主要目的有以下几个方面： （1）检验设计、施工质量，确定工程的可靠性，为交（竣）工验收提供技术依据； （2）验证悬索桥结构设计的合理性，为设计积累科学资料； （3）直接了解悬索桥结构承载能力情况，以判断实际承载能力，评价其在
自锚式悬索桥极限承载力及安全性评价方法研究 沈锐利;成新;白伦华;颜智法 【摘要】以鹅公岩轨道交通专用桥为工程背景,对自锚式悬索桥极限承载力及其安全性评价方法进行研究.从材料的单轴本构模型出发,介绍杆单元与纤维梁单元弹塑性刚度矩阵的计算方法,基于U.L.列式编制相应的杆系有限元计算程序.对活载独立增大及恒活载同比增大两种典型荷载模式下四种工况的极限承载力计算结果进行分析,揭示了自锚式悬索桥的破坏过程中位移、截面刚度变化规律及失效机制.结合JTG/T D65-01-2007《公路斜拉桥设计细则》中大跨度桥梁非线性分析时主梁安全系数的规定,根据荷载效应等效原则,推导活载安全系数的计算公式,通过与规范对比分析发现,其计算结果更为严格,并就该公式及规范评价吊索与主缆安全性出现的结果不一致性进行分析.%Based on the prototype of Egongyan Transit Bridge,the ultimate bearing capacity and safety evaluation method of the self anchored suspension bridge were studied.Based on the uniaxial constitutive model of the material,the calculation methods of the elastic-plastic stiffness matrixs of the rod and fiber beam element were introduced,and the finite element calculation program was developed based on the U.L.formulation.The calculation results of the ultimate bearing capacity of four working conditions under two typical load modes,namely independent increase of live load and joint increase of both live and dead loads were analyzed to study the displacement,section stiffness variation and failure mechanism of the bridge.According to the requirement on the safety factors of the main girder of large span bridges under nonlinear analysis specified by the Guidelines for Design of Highway
自锚式悬索桥的综述 摘要：介绍自锚式悬索桥的特点、历史及国内外发展情况。重点分析了钢筋混凝土桥的设计和发展，并对其施工工艺做了简单介绍。总结展望了自锚式悬索桥的发展空间及其需进一步研究的问题。关键词：悬索桥；自锚式体系；施工；实例一、前言一般索桥的主要承重构件主缆都锚固在锚碇上，在少数情况下，为满足特殊的设计要求，也可将主缆直接锚固在加劲梁上，从而取消了庞大的锚碇，变成了自锚式悬索桥。过去建造的自锚式悬索桥加劲梁大多采用钢结构，如1990年通车的日本此花大桥，韩国永宗悬索桥、美国旧金山——奥克兰海湾新桥、爱沙尼亚穆胡岛桥墩等。2002年7月在大连建成了世界上第一座钢筋混凝土材料的自锚式悬索桥——金石滩金湾桥墩，为该类桥墩型的研究提供了宝贵的经验。此后在吉林、河北、辽宁又有4座钢筋混凝土自锚式悬索桥正在设计和设计和建造中。自锚式悬索桥有以下的优点：①不需要修建大体积的锚碇，所以特别适用于地质条件很差的地区。②因受地形限制小，可结合地形灵活布臵，既可做成双塔三跨的悬索桥，了可做成单塔双跨的悬索桥。③对于钢筋混凝土材料的加劲梁，由于需要承受主缆传递的压力，刚度会提高，节省了大量预应力构造及装臵，同时也克服了钢在较大轴向力下容易压屈的缺点。④采用混凝土材料可克服
以往自锚式悬索桥用钢量大、建造和后期维护费用高的缺点，能取得很好的经济效益和社会效益。⑤保留了传统悬索桥的外形，在中小跨径桥梁中是很有竞争力的方案。⑥由于采用钢筋混凝土材料造价较低，结构合理，桥梁外形美观，所以不公局限于在地基很差、锚碇修建军困难的地区采用。自锚式悬索桥也不可避免地有其自身的缺点：①由于主缆直接锚固在加劲梁上，梁承受了很大的轴向力，为此需加大梁的截面，对于钢结构的加劲梁则造价明显增加，对于混凝土材料的加劲梁则增加了主梁自重，从而使主缆钢材用量增加，所以采用了这两种材料跨径都会受到限制。②施工步骤受到了限制，必须在加劲梁、桥塔做好之后再吊装主缆、安装吊索，因此需要搭建大量临时支架以安装加劲梁。所以自锚式悬索桥若跨径增大，其额外的施工费用就会增多。③锚固区局部受力复杂。④相对地锚式悬索桥而言，由于主缆非线性的影响，使得吊杆张拉时的施工控制更加复杂。二、历史回顾19世纪后半叶，奥地利工程师约瑟夫。朗金和美国工程师查理斯。本德分别独立地构思出自锚式悬索桥的造型。本德在1867年申请了专利，朗金则在1870年在波兰建造了一座小型的铁路自锚式悬索桥。到20世纪，自锚式悬索桥已经在德国兴起。1915年，德国设计师在科隆的莱茵河上建造了第一座大型自锚式悬索桥——科隆-迪兹桥，当时主要是因为地质条件的限制而使工程师们选择了这种桥型，该桥主跨185m，用木脚手
自锚式悬索桥的风稳定性研究综述 摘要：自锚式悬索桥因其独特的主缆锚固方式，在承受竖向荷载方面表现突出，但承受横向荷载（主要是风荷载）能力较弱。桥梁承受风荷载主要分为静风荷载和近地紊流风荷载两种。本文主要综述了自锚式悬索桥的静风稳定性分析和动力失稳中的颤振分析的研究进展。 关键词：自锚式，悬索桥，静风稳定性，颤振 前言 悬索桥是常用的四种桥之一，是利用主缆和吊索作为加劲梁的悬挂体系，其主要结构由主缆、索塔、锚碇、吊索和加劲梁组成[1]。悬索桥的最大特征就是能够实现大跨距建造。悬索桥按照锚固方式分为自锚式和地锚式悬索桥。自锚式悬索桥同一般悬索桥相比，其主缆直接锚固在加劲梁的两端，省去了锚定结构，利用加劲梁直接承受主缆传递的水平分力，具有不需要锚碇和主梁承受较大轴力的特点，既节省了昂贵的锚碇费用，造型更简洁美观，又改善了主梁的受力[2]。 因自锚式悬索桥独特的主缆锚固，其静动力性能同地锚式悬索桥有较大区别。静立方面，自锚式悬索桥的结构的竖向刚度随着主缆矢跨比、主缆抗拉刚度的增加而增大，加劲梁拱度的设置可以降低加劲梁跨中的弯矩，提高结构的竖向刚度。随着加劲梁竖向抗弯刚度的增大，结构的竖向刚度逐渐增大，加劲梁轴向刚度、主塔纵向抗弯刚度和吊索抗拉刚度变化对自锚式悬索桥的静力学性能无明显影响[3]。周绪红等人[4]针对主缆索的几何非线性，采用分段悬链线法计算其空缆线形、成桥线形及无应力索长，对自锚式悬索桥的受力特性进行了研究，设置预拱度和采用合理的吊杆间距可有效改善桥梁的受力性能。动力学方面，自锚式悬索桥具有同地锚式悬索桥相同的特点，即自振周期长、阵型密集。 Gimsing N J．[5]认为传统竖向平行的缆索体系对承受竖向荷载是非常适合的，但是对于横向荷载(主要是风荷载)的承受能力则较弱。对于大跨度悬索桥而言，桥面的使用宽度是有限的，随着跨径的不断增大，桥梁宽跨比不断减小，这使得桥梁的横向和扭转刚度及承受横向荷载的能力不断减小，桥梁结构的横向稳定性降低，抗风荷载能力得到削弱。大跨距悬索桥在受横向荷载时，会发生振动等现象，严重时桥面甚至会出现扭转，影响了桥的稳定性。 大跨距自锚式悬索桥的静风研究进展 1940年以来，人们普遍认为大跨径桥梁的空气动力失稳临界风速一般都低于空气静力失稳临界风速，大跨桥梁的抗风研究主要集中在结构的动力失稳问题上。1967年，Hirai[6]在研究悬索桥的风稳定性时，发现悬索桥的全桥模型在风洞中发生了静力扭转发散现象，空气静力稳定性问题才逐渐引起各国桥梁界的重视。1997年，同济大学风洞实验室在汕头海湾二桥的风洞试验中发现了斜拉桥
自锚式悬索桥的力学特性分析自锚式悬索桥是一种利用悬挂和锚固联合原理,利用钢丝绳、球墨 铸铁结构件悬挂桥梁来形成的桥梁形式。它具有安装简便、自重轻、 抗震性能优良、维护维修方便、适应性强等优点，经常用于山谷和山 地地形较复杂地区建设的小型临河索道或者公路桥梁结构。 自锚式悬索桥的力学特性由悬索桥的基本机构获得，悬索桥的主 要组成部分包括悬挂组件、节点部件、立柱、悬索架及桥型等，悬挂 组件是桥梁主要构件，节点部件是桥梁接受和施加荷载、转移荷载的 环节，立柱是悬索桥的坚固支撑，而悬索架则是节点部件的垂直支撑，同时也是荷载的垂直传递手段。 悬索桥的主体结构中，节点部件的组合及悬索架的拉力对悬索桥 的力学性能有重要的影响，尤其是悬挂部分的扭转荷载和锚固部分的 轴力的拉力影响更为明显，因此，考虑悬挂部分的内力和轴力荷载以 及悬索架、立柱等结构件的抗力，进行结构整体力学分析，以确定桥 梁的受力特性，以明确桥梁的荷载性能、抗震能力等特点。
自锚式悬索桥要求工作时无外力作用，否则它的运动学参数将会 发生变化，影响到桥梁的稳定性，发生破坏。因此，应该分析悬挂组 件的拉力及其整体效应，以确保桥的可使用性；同时，应考虑桥架位 变影响的结构框架的受力变化以及桥梁横向偏移对悬挂和锚固结构的 影响。 此外，需考虑自身的重量和气温变化对悬索架施加的拉力变化， 要及时检修，以确保构件健康状态，避免严重影响桥梁受力性能，以 及维持悬挂架及其锚固处的拉力分布均匀，确保桥梁的稳定和安全性。 综上所述，自锚式悬索桥的力学特性是桥梁的重要性能指标，它 的抗力能力的优劣关系到桥梁的设计、施工质量及使用寿命等重要性 能因素。
自锚式悬索桥的综述 构建拥有一定规模的桥梁工程是城市化进程中的必要组成部分，而自锚式悬索桥，在工程技术上具备了一定的发展前景。因此，本文将从建筑专家的角度，对自锚式悬索桥进行综述。本文将从以下五个方面进行分析： 一、自锚式悬索桥的概述 自锚式悬索桥属于现代化悬索桥的一种类型，建造时可以脱离传统锚具的使用。它是一种连结两边大陆的现代桥梁工程，主跨向形为悬索，以悬挂索的方式连接于下放缆，并由自锚装置和主塔的承载力共同支撑，支撑物的内容质调配要求较高。 自锚式悬索桥是一种跨度较长的桥梁，其制造需要更高的技术和材料。由于其结构特性，使得该类桥梁能够承受较大的荷载，并且在不牺牲桥梁的整体强度情况下，可以达到优秀的流畅性和结构简单性。 二、自锚式悬索桥的优点 自锚式悬索桥具有以下优点： 1. 结构简单通常自锚式悬索桥只有一至两个塔，整体结构简 单明了，操作简洁，维护也方便； 2.纤维混凝土是一种有效的材料，不仅强度和韧性都很高，并 且可以使悬索桥的跨度实现大规模的变化； 3. 确保桥梁强度，减少维护成本； 4. 具有良好的自锚定能力，降低了工期，省去了锚具的使用，减少了成本；
5. 对于环境遮挡物的压力较强，在自锚式悬索桥的支撑下，协同优化来使对气象条件的自适应性更强； 三、自锚式悬索桥的缺点 1. 建造难度大，需要高精度的制造过程； 2. 需要高质量材料，建造成本较高； 3. 需要对环境条件进行严格的考虑和设计，如风、雨、地震等灾害； 四、自锚式悬索桥的工程实例分析 1. 汉江大桥（中华人民共和国第一长跨钢斜拉桥），主跨 1104米，总长1670米，建于1993-1995年间，位于中国河南 省郑州市新郑市汝河之下。 2. 宝华山双塔拱桥，是中国目前仅存的悬索桥桁架结构的一座大跨度悬索桥，主跨660米，总长1299.5米，位于四川省巴 中市南江县。 3. 大澳大桥，位于香港新界西贡区，是一座容纳行人、自行 车和车辆的悬索桥，主跨180米，总长610米，建于1997年。 4. 天际线桥，位于瑞士的卡夫鲁恩，是一座跨越胡龙湾的悬索桥，主跨1104米，总长1670米，建于2010年。 5. 草巷大桥，位于福建省福州市福清市，是一座足以容纳车辆通行的悬索桥，主跨1388米，总长2880米，建于2008年。
自锚式悬索桥的力学特性分析 自锚式悬索桥是一种重要的桥梁结构，它具有轻巧的桥墩、优良的抗震性能、通高、高过行限制车辆的受限空间，以及在工况等方面具有良好的可行性，在各种地质环境中具有广泛的应用前景。然而，自锚式悬索桥本身具有复杂的力学结构，研究其力学特性分析对于它的研究和应用具有重要意义。 一、自锚式悬索桥的结构特征 自锚式悬索桥的结构主要包括桥面系统、桥墩系统和支撑系统，其结构特征是桥面只有两条悬索索绳，桥墩只有两个大型节点和几个小型节点，而支撑系统可以表示为支撑桁架。桥墩由双T型混凝土壁板组成，桁架由钢柱、钢架、橡胶弹簧和其他配件组成，两条悬索索绳分别由桥墩上固定的支撑系统把桥面拉起，使它得以实现。 二、自锚式悬索桥的力学特性分析 1.桁架的振动特性 桥墩的支撑系统是自锚式悬索桥的关键，它们是结构的支撑点，支撑系统的振动特性是自锚式悬索桥力学特性分析的基础。因此，桁架的振动特性是自锚式悬索桥安全性的重要指标，它可以从两个方面进行分析，一是桥梁自身振动，即桁架因结构自身强度不足而引起的结构局部振动；二是桁架对其他结构的影响，即桁架影响其他结构的振动，从而影响桥梁的安全性。 2.悬索索绳的受力特性 悬索索绳是自锚式悬索桥的重要结构构件，其受力特性是悬索桥
力学特性分析的重要指标。索绳的受力特性不仅受桥梁的荷载影响，还受线材质量、设计参数等因素的影响，因此对索绳的受力特性进行全面分析，是研究自锚式悬索桥力学特性的重要环节。 三、自锚式悬索桥的力学性能分析 1.线杆弯曲变形分析 悬索桥的支撑系统不仅需要承受自身重量和桥面荷载，还要承受索绳的力，悬索桥的支撑系统受线杆弯曲变形是比较明显的。当桁架受压时，会出现弯曲变形，这种变形可以分解为两个部分：一是支撑系统的位移变形，即线杆本身的弯曲变形；二是桁架自身的变形，即桁架体系在整体受力作用下产生的变形。 2.悬索索绳的应力分析 悬索索绳是自锚式悬索桥的重要结构构件，它的受力状况直接影响着桥梁的安全性。当桥面受到荷载作用时，悬索索绳会受到双向拉力，从而产生应力，这些应力不仅受桥面的荷载影响，还受索绳的材料质量、桁架的弯曲变形等因素影响，因此只有精确分析悬索索绳的受力状况，才能保证桥梁的安全性。 结论： 自锚式悬索桥是一种重要的桥梁结构，它具有轻巧的桥墩、优良的抗震性能、通高和高过行限制车辆的受限空间，以及在工况等方面具有良好的可行性。研究其力学特性对于自锚式悬索桥的研究和应用具有重要意义。本文重点针对自锚式悬索桥的结构特征、桁架的振动特性、悬索索绳的受力特性以及线杆弯曲变形分析和悬索索绳的应力
自锚式悬索桥施工技术研究 作为一种刚发展起来不久的桥型，自锚式悬索桥在建設工程中得到了越来越广泛的应用，虽然拥有美观的外形，施工起来也比较方便，但是其致命的弱点在于跨度的局限性。本文通过对自锚式悬索桥的结构特点，施工工艺及施工控制方法和它的技术创新等方面做了简单描述，为以后的悬索桥发展打下基础。 标签：自锚式悬索桥;施工工艺;技术创新 自锚式悬索桥不需要庞大的锚锭，它是在桥面或加劲梁的两端锚固主缆，这样既节省了费用，又使得外形简洁美观。与一般的悬索桥相比，自锚式悬索桥是诸多悬索桥中的一种特殊形式，除此之外，自锚式的悬索桥的主梁承受较大的轴力，从受力角度来说，主梁的受力得到了改善，但从施工角度来看，因为受轴力影响，悬索桥的跨度不能过大，适合于中等跨度的桥梁。 一、自锚式悬索桥的结构特点和优点 和地锚式相比，自锚式结构体系可以完全不用考虑地质条件对结构的影响，而且自锚式不需要巨大的锚锭，使得工程造价大大地降低。自锚是将主缆锚固于加劲梁之上，和同等跨径的其他桥型相比，其曲线线形更加明显，外观优雅大方。自锚式悬索桥的加劲梁都采用的是混凝土，混凝土虽然重，但同时也提高了体系的刚度，在跨度的允许范围内，使桥梁的各项指标得到了完美的统一。从受力角度出发，由于自锚体系是将索锚固在主梁上，然后利用主梁来抵抗轴力，现在运用了混凝土加劲梁，由于混凝土的抗压性能好，所以轴力就可以由混凝土来承担了。因此，普通钢筋混凝土结构可以节省大量的预应力器具，而且混凝土比钢材的价格低很多，这样使得工程造价大大减少。但由于混凝土的抗拉、弯能力较差，对结构进行受力分析时应综合考虑这个特点。 与地锚式悬索桥相比，自锚式悬索桥有着很多优点，主要包括以下几方面：（1）不需要大面积的锚碇，所以地质条件对它的影响不大，可以建造于地质条件较差或者不宜修建锚碇的城市地区;（2）基本不受地形限制，可以根据地形灵活布置悬索桥的形式，既可建成双塔三跨的，也可修成单塔双跨的;（3）保留了传统悬索桥的外形，具有美观性，在中小跨径桥梁中竞争力很强;（4）由于加劲梁由混凝土材料制作而成，因此可以减少用钢量和工程造价费用，取得很好的经济效益。 二、自锚式悬索桥的施工工艺 1.主塔施工 一般悬索桥的主塔都比较高，塔身大多情况下采用翻模法进行分段浇筑，施工时在主塔连结板的部位要特别注意预留钢筋及模板支撑预埋件的位置。主缆架设完成后，方可浇筑位于索鞍孔道顶部的混凝土，这样方便索鞍及缆索的施工。
自锚式悬索桥发展现状与施工技术创新 段向虎 【摘要】系统地介绍了近年来自锚式悬索桥在国内外的发展情况,从主跨跨径、加劲梁结构、主缆形式、施工工艺等方面进行了技术总结.以世界首座主跨600 m且承载双线城市轨道交通的自锚式悬索桥——重庆鹅公岩轨道专用桥为实例,总结了该桥的设计和施工特点,并重点介绍了该桥采用斜拉法建造的施工工艺和技术,为跨越航运繁忙河道的自锚式悬索桥建设提供参考. 【期刊名称】《铁道建筑》 【年(卷),期】2018(058)011 【总页数】6页(P32-37) 【关键词】城市桥梁;施工技术;自锚式悬索桥;斜拉法;加劲梁;垂跨比 【作者】段向虎 【作者单位】中国铁建投资集团有限公司,北京 100855 【正文语种】中文 【中图分类】U448.25 自锚式悬索桥将主缆锚固在自身加劲梁上，既不需要庞大的锚碇结构，又具有传统悬索桥造型美观的优点，因而在城市桥梁中得到广泛应用[1]。自锚式悬索桥早在19世纪后半叶就已出现，进入20世纪后首先在德国兴起。1915年建成的跨越莱茵河的科隆—迪兹桥，主跨达185 m，施工时采用木脚手架支撑钢梁直至主缆就
位[2]。在科隆—迪兹桥建成后的35年间，自锚式悬索桥在美国、日本、英国、法国等国家得到较快发展。1929年，德国建成跨莱茵河的科隆—米尔海姆桥，该桥主跨315 m，保持自锚式悬索桥的跨径记录达78年之久。进入21世纪，我国自锚式悬索桥的建设进入发展高峰期，短短十余年间建成的自锚式悬索桥数量已超过50座，在结构体系、缆索形状、索塔形式、加劲梁结构等方面均有创新，同时在主跨跨径上也取得较大突破。如2006年9月建成的长沙湘江三汊矶大桥为主跨328 m的双塔自锚式悬索桥，打破了科隆—米尔海姆桥的主跨记录[3]；2006年11月建成的佛山平胜大桥为自锚式独塔悬索桥，主跨达350 m，主塔采用整体三柱式框架结构，加劲梁为钢-混凝土混合梁[4]； 2013年9月建成的郑州桃花峪黄河大桥，为整体钢箱梁双塔三跨自锚式悬索桥，主跨达406 m[5]。在建的重庆鹅公岩轨道专用桥，主跨达600 m，为双塔五跨钢-混凝土混合梁自锚式悬索桥，建成后将成为世界上主跨跨径最大的自锚式悬索桥，实现该类桥主跨由400 m级向600 m级的跨越[6]。由此可见，自锚式悬索桥在近年来取得了很大突破和发展，有必要对其设计和施工关键技术特别是创新技术进行系统总结。 本文首先总结自锚式悬索桥的技术发展现状，其次以重庆鹅公岩轨道专用桥为例，对该桥设计和施工特点，特别是首次采用的斜拉法建造技术进行重点介绍。最后对自锚式悬索桥的发展方向进行展望。 1 国内外自锚式悬索桥技术发展现状 1.1 国外自锚式悬索桥技术发展现状 国外自锚式悬索桥的发展可分为3个阶段：①从19世纪60年代至20世纪50年代，为自锚式悬索桥的早期发展阶段，主跨跨径从22.8 m发展到 315.0 m，垂跨比1/9～1/7，加劲梁以钢梁为主，截面形式包括钢桁梁、钢板梁和钢箱梁；②从20世纪60年代到80年代，国外自锚式悬索桥的发展缓慢，仅建成几座以混凝土箱梁为加劲梁的自锚式悬索桥；③从20世纪90年代到现在，可以视为自锚式悬
自锚式悬索桥体系转换过程的精细控制研究与参数敏感 性分析 自锚式悬索桥体系是一种独特的桥梁结构，可以有效解决大跨度桥梁的建设和维护难题。但是，自锚式悬索桥体系的转换过程需要进行精细控制，以确保桥梁结构的平稳转换和稳定运行。本文将研究自锚式悬索桥体系转换过程的精细控制，并进行参数敏感性分析，以探讨关键参数对桥梁转换过程的影响。 自锚式悬索桥体系的转换过程可以分为两个阶段：初始转换阶段和稳定转换阶段。初始转换阶段是指起始时刻到桥梁自重产生的临界转换矩阵稳定的时间段。在这个阶段，需要对桥梁的转换速率、初始拉索张力和悬索倾角等参数进行精细调控，以保证转换过程的平稳进行。稳定转换阶段是指转换过程进入稳定状态后的时间段，这个阶段需要对桥梁的节点位移和应力进行精细控制，以确保悬索和桥面板在正常运行状态下工作。 首先，对于初始转换阶段，关键参数包括转换速率和初始拉索张力。转换速率是指桥梁从悬挂系统到悬索系统的转换过程中，引起转换矩阵变化的速度。过快的转换速率可能导致系统失稳，而过慢的转换速率会延长转换时间。因此，需要通过控制液压系统的工作速度来精确控制转换速率。初始拉索张力是指桥梁最初转换至悬索系统时所受拉索的初始张力。初始拉索张力的大小直接影响到节点位移和应力的大小，因此需要进行精细控制。可以通过调整液压系统的工作压力和控制液压缸的伸缩长度来控制初始拉索张力的大小。 其次，对于稳定转换阶段，关键参数包括悬索倾角、节点位移和应力。悬索倾角的大小与节点位移和应力密切相关。较小的悬索倾角会导致节点位移较大，从而增加桥梁的应力。因
此，需要在稳定转换阶段通过控制液压系统的工作压力和悬索系统的倾斜角度来调整悬索倾角的大小。同时，还需要对桥面板的位移和应力进行控制，以确保桥梁在转换过程中不会受到过大的应力和变形。 最后，本文通过参数敏感性分析探讨了关键参数对桥梁转换过程的影响。结果表明，不同参数的变化对转换过程的影响程度不同。转换速率的变化对转换过程的影响较大，过快或过慢的转换速率都可能导致桥梁失稳。初始拉索张力的变化对桥梁的节点位移和应力有较大影响，过大或过小的初始张力都会导致桥面板和悬索出现异常变形。悬索倾角的变化对节点位移和应力有显著影响，较小的悬索倾角可以减小节点位移和应力。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些参数的变化对桥梁转换过程的影响，并通过精细调控来实现良好的桥梁转换效果。 综上所述，自锚式悬索桥体系转换过程的精细控制是确保桥梁平稳转换和稳定运行的关键。通过对关键参数的精细调控和参数敏感性分析，可以实现自锚式悬索桥体系转换过程的精细控制，为桥梁建设和维护提供技术支持 综上所述，悬索倾角的大小与节点位移和应力密切相关。较小的悬索倾角会导致节点位移较大，增加桥梁的应力。因此，在稳定转换阶段需要通过控制液压系统的工作压力和悬索系统的倾斜角度来调整悬索倾角的大小。同时，还需要对桥面板的位移和应力进行控制，以确保转换过程中不会受到过大的应力和变形。参数敏感性分析结果显示，转换速率、初始拉索张力和悬索倾角的变化对转换过程有显著影响。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些参数的变化，并通过精细调控来实现桥梁转换的良好效果。自锚式悬索桥体系转换过程的精细控制是
《桥梁结构的极限承载力分析与安全性评估》 摘要：也就是说，不同施工方法、不同荷载形式和加载路径，桥梁结构极限承载力不同，即极限承载力不是一个定值，塑性极限荷载是指结构丧失工作能力情况下的荷载，如果能够科学地计算工程的极限荷载，那么就可以明确各种情况下的安全情况，从而对结构进行科学的评估，极限状态是指在结构分析和设计中，需要明确规定结构状态的界限 陈德浦 摘要：桥梁是公路交通运输的咽喉和枢纽，对公路交通运输起着越来越重要的作用。不仅拉 动了国民经济的建设，而且推动了社会的稳步发展。任何一个桥梁都有其极限的承载能力和服役时间，随着服役时间的不断增长，桥梁的结构以及相关材料的性能在外界环境和内部因素的交互作用下将不可避免地发生劣化衰变，无法避免地出现承载力的下降，从而影响桥梁的安全工作。文章以桥梁结构为中心，因而需要对桥梁结构的承载力和安全性进行相关问题展开探讨。安全评价的重要内容是分析桥梁结构的整体安全性和控制截面的安全性。 关键词：桥梁结构；极限承载力；分析 随着国内经济的飞速发展，交通动输业也越来越繁荣。因此，对交通运输的咽喉—桥梁提出了更高的要求。桥梁是地面交通的枢纽，有着投资密集，技术难度大的特点。尽管在桥梁的设计和建造阶段能够保证工程质量，但是由于外部环境和材料老化等因素，桥梁结构的性能会逐渐下降。相对的承载能力也会降柢，影响桥梁的使用和安全，甚至由于承载力不足引发严重事故。因此，对桥梁结构的极限承载力有正确分析，对人民的生命财产安全和社会的发展都有十分重要的意义。 1 结构极限分析的相关理论 1.1 桥梁结构极限承载力的概念 传统的强度设计以构件最大工作应力乘以安全系数不大于材料的屈服应力为依据，一般情况下，构件某截面开始屈服（或者局部屈曲）并不代表结构完全破坏，结构所承受的荷载通常较构件开始屈服（或者局部屈曲）时的荷载为大，为了利用这一强度富裕度，提出了极限设计和极限荷载的概念。极限荷载即引起结构“完全崩溃”的荷载；极限设计将结构的工作荷载取为极限荷载的一个部分。所以说，结构的极限承载力是从“极限设计”的思想中引出的概念。
南京小龙湾混凝土自锚式悬索桥吊索张拉过程研究 史松磊 【摘要】不同于地锚式悬索桥,自锚式悬索桥先梁后缆的施工方式,使其张拉过程具有显著的可优化性.依托小龙湾自锚式悬索桥工程实例,对自锚式悬索桥张拉过程控制原则、控制目标进行了分析,在满足桥梁结构受力安全的前提下,尽量减少接长杆数量、索鞍顶推次数、千斤顶数量和张拉批次,以较少的人力物力财力和时间来完成吊索张拉方案.建立有限元模型,模拟分析小龙湾大桥张拉全过程,根据吊索张拉安全系数、桥塔及加劲梁允许最大压应力、最小拉应力等指标,提出适用于该桥的张拉控制方案.对比分析了成桥状态与张拉过程中吊索的最大索力,发现在跨中14～16号吊索索力较成桥状态索力有所增加,但均能满足张拉过程吊索安全要求.对吊索张拉过程中桥塔及加劲梁的应力变化规律进行了总结,发现在张拉14～17号吊索时,桥塔、加劲梁等混凝土构件应力发生显著变化. 【期刊名称】《城市道桥与防洪》 【年(卷),期】2015(000)009 【总页数】3页(P104-106) 【关键词】自锚式悬索桥;吊索张拉;有限元分析;全过程分析;施工控制 【作者】史松磊 【作者单位】南京市市政设计研究院有限责任公司,江苏南京210008 【正文语种】中文 【中图分类】U448.25
自锚式悬索桥具有景观性强、不需要修建大体积锚碇、受地质条件限制小、桥型可结合地形灵活布置、主缆水平力可为混凝土加劲梁提供压应力等优点,在中小跨径桥梁方案比选中具有较强的竞争力,近年得到了较快的发展。 地锚式悬索桥梁一般先安装吊索,梁段一般从跨中向两端逐段拼装,已安装好的梁段会随着主缆变形,吊索力的大小基本与其承担的梁段重量相等,随其它梁段的吊装变化不大,吊索的长度基本不变,全桥梁段合拢后及二期恒载施加,一般不对吊索索力进行调整。 与地锚式悬索桥不同,自锚式悬索桥一般采用先梁后缆的施工方式,加劲梁先在支架现浇,现浇完成后的位置与成桥状态位置基本一致,而成桥主缆与空缆状态相差很大,一般空缆会上浮1～2 m,因此按照成桥状态下料制作的吊索长度多数小于空缆状态时索夹至加劲梁锚点的长度,吊索张拉施工时,需用接长杆接长吊索。吊索张拉过程中,考虑到加劲梁的承载能力、桥塔的承载能力、吊索的允许承载力以及施工过程中的张拉设备的数量等因素影响,张拉一般需要分批次逐步张拉,以确保张拉过程中加劲梁、桥塔、吊索的安全。但为了减少时间、人力及财力的消耗,在满足桥塔、加劲梁、吊索等构件安全的情况下,一般应尽量减少吊索的张拉次数,使吊索拉力尽早达到设计状态。 1.1 主桥总体布置 主桥采用双塔双索面自锚式悬索桥,跨径组合为44 m+96 m+44 m=184 m,道路与现状河道斜交,斜交角度为5°,桥梁为正桥。主桥主塔总高为35.4 m,桥面以上塔高22.6 m,主缆成桥线形采用二次抛物线,中跨矢跨比为1/5.5,主缆横桥向中心距18 m。加劲梁采用现浇预应力混凝土箱梁,梁高1.74～2.0 m。吊索标准间距为5 m,箱梁每5 m设置一横梁与吊索对应。主塔基础采用直径为1.5 m的钻孔灌注桩群桩基础。 主桥桥面为双向4车道,并设置非机动车道及人行道,其断面布置为：3.5 m(人行道
自锚式悬索桥桥塔钢-混结合段受力的试验研究 刘迎倩 【摘要】The low part of the tower of the main bridge of Jianghan Sixth bridge is a steel-concrete combined segment. Simulation and model test are conducted in this paper to study the stress performance,stress distribution and safety margin of this segment. The results show that,during construction under the combination of loads,the maximum measured compressive stress in concrete is 6.44 MPa while the maximum tensile stress is 4.27 MPa,and the maximum compressive stress in steel column is 112.8 MPa while the tensile stress is small. Due to the overloading,the maximum compressive stress in concrete is 7.74 MPa while the maximum tensile stress is 5.47 MPa,and the maximum compressive stress in steel column is 159.8 MPa. In the test,the measured stress linearly varied with the load,the residual stress after unloading is small. The model is elastic,and no crack is detected in concrete during loading. The measured stresses in concrete and in steel are close to the corresponding calculated stresses in the model for different loading cases.The steel-concrete combined segment is safe and reliable.The safety margin is satisfying under the given loading.%以武汉市江汉六桥主桥的下塔柱为例对桥塔钢-混结合段进行数值模拟和模型试验,研究钢-混结合段各部位在施工阶段和运营阶段的受力性能、应力分布及安全储备.结果表明:施工过程中及荷载组合作用下,混凝土实测最大压应力为6.44 MPa,最大拉应力为4.27 MPa,钢塔柱最大压应力为112.8 MPa,拉应力较小;超载工况下,混凝土实测最大压应力为7.74 MPa,最大拉应
乌鲁木齐经济技术开发区二期延伸区域北一路桥梁工程科研专题北一路桥梁工程抗震性能研究
目录 1工程概况 (1) 1.1工程介绍 (1) 1.2建筑场地条件 (2) 1.3计算分析依据 (2) 1.4本报告研究内容 (2) 2北一路桥梁工程动力性能研究 (4) 2.1有限元模型 (4) 2.1.1建模思路 (4) 2.1.2建模原则与主要参数 (4) 2.1.3有限元模型的建立 (6) 2.2北一路桥梁工程动力特性研究 (7) 2.2.1北一路桥梁工程自振频率与振型 (7) 2.2.2北一路桥梁工程动力特性评价 (12) 3北一路桥梁工程抗震性能研究 (13) 3.1研究概述 (13) 3.2北一路桥梁工程地震响应反应谱分析法 (13) 3.2.1设计反应谱与反应谱组合 (14) 3.2.2E1地震作用下桥梁响应 (15) 3.2.3E2地震作用下桥梁响应 (16) 3.3北一路桥梁工程地震响应时程分析法 (17) 3.3.1地震波的选取和输入 (18) 3.3.2E1地震作用下桥梁响应 (22) 3.3.3E2地震作用下桥梁响应 (25) 3.4北一路桥梁工程抗震性能评价 (28) 4北一路桥梁工程动力特性与抗震性能综合评价 (29)
北一路桥梁工程抗震性能研究 （2010年01月） 1工程概况 1.1 工程介绍 乌鲁木齐北一路桥梁工程位于乌鲁木齐经济技术开发区二期延伸区域北一路，上跨小绿谷，起点为规划一路，终点为西三路。桥梁起点桩号K0+501.4，中心桩号K0+645.00，终点桩号K0+793.71，全长292.31m。该桥设计桥型采用分离式双幅自锚式单塔悬索连续刚构梁组合桥，主桥桥跨起点K0+507.00，桥跨终点K0+783.00，桥跨布置为55.0+83.0+83.0+55.0m，桥跨总长276.0m，桥型布置如图1所示。 图1乌鲁木齐北一路桥梁桥型布置图 桥梁横向为分离式双幅桥梁，上部构造为四跨一联自锚式单塔悬索预应力混凝土变截面连续刚构梁，单幅桥采用单箱双室截面。箱梁顶板宽16.5m，底板宽11.5m，翼缘悬臂长2.5m，采用C50混凝土。箱梁支点处梁高为4.5m，跨中和边跨现浇段梁高为2.2m，箱梁底板曲线为抛物线。箱梁顶板厚度为25cm；箱梁根部底板厚度为55cm，腹板厚度为55cm；跨中底板厚度为25cm，腹板厚度为45cm。 桥梁2号主墩为钢筋混凝土空心箱形墩，墩高23.323m，墩身尺寸3.8×11.5m，主墩与箱形梁固接，形成刚构体系；1号、3号支墩为钢筋混凝土实心墩，墩高分别为17.873m、11.199m，墩身尺寸2.2×12.3m，为铰接墩，墩上设置支座，两侧设置挡块；各墩承台均厚3.0m，基础采用6Φ1.8m钻孔灌注桩；0号、4号桥台采用桩接盖梁式桥台，基础为3Φ1.8m钻孔灌注桩。墩台帽、墩台身采用C30钢筋混凝土，承台桩基