大跨度桥梁中几何非线性综述
摘要：随着桥梁跨度的不断增加，非线性因素对结构的影响也越来越大。本文首先对三种非线性因素进行了较为详细的介绍，并且对斜拉桥、悬索桥和拱桥等受非线性影响较为明显的三种桥梁进行了非线性分析。文章的最后介绍了目前通用的七种有限元程序对于非线性问题的考虑程度。
关键词：大跨度桥梁、非线性、有限元分析
引言
桥梁(指悬索桥和斜拉桥)的几何非线性源于四个方面：1、恒载初始内力；2、斜缆垂度效应；3、梁一柱效应；4、大变形效应。
普通的结构计算位移和内力时并不需要考虑自重的影响，但是对于这两种桥梁，恒载作用下，在索中产生巨大的拉力，对结构的整体刚度影响较大，从而对结构的位移、内力有影响，解决方法是：在刚度矩阵中考虑几何刚度项。
单元初内力对单元刚度矩阵的影响。一般情况下是指单元轴力对弯曲刚度的影响，有时也考虑弯矩对轴向刚度的影响，常通过引入稳定函数或单元几何刚度矩阵的方法来考虑。在大跨径桥梁结构分析中遇到的初应力（或初应变）问题，就是结构现有内力引起的结构刚度变化对本期荷载响应的影响问题。[1]
关于缆索的垂度效应，它也是一种大变形效应，目前，一般都采用厄恩斯特(Ernst)公式来修正单元的弹性模量，用一等效的杆单元来模拟斜缆索；也有采用多根直连杆或曲线单元来模拟，曲线单元精度较高，但较复杂。
关于粱一柱效应，较精确的方法是用稳定函数法，它能考虑弯矩对轴力、轴力对弯矩、弯矩对扭转、剪力对轴力等影响。通常计人几何刚度的方法是稳定函数法的一阶近似。
关于大变形效应，采用T．L．法或U．L．法。
对桥梁的材料非线性动力问题研究得较多，但是对几何非线性的动力问题研究得较少且不成熟。[2][3]
目前，对于悬索桥、斜拉桥的几何非线性动力问题的处理。只限于恒载初始内力和缆索垂度效应，即考虑恒载产生的初始内力对刚度项的修正后，其它仍按线性分析计算。这样处理的原因在于：1、计算简单，动力问题的时程分析可以看作有限多个静力问题的集合，如果每个静力问题都按非线性处理，计算量将非常大；2、精度较好，恒载在结构外荷载中所占比例较大，桥梁在恒载作用下，缆索已被拉紧，再产生大的变形可能性较小。
但是，随着跨度的增加，结构柔性的增大，这种近似的处理方法有可能出现问题。如在
进行悬索桥和斜拉桥的动力特性分析时，悬索桥考虑其恒载初始内力的影响，而斜拉桥则不考虑，但是当斜拉桥跨度超过500m 时，若其主梁采用混凝土材料，结构自重将在桥塔内产生非常大的轴压力，忽略其影响，将可能造成对结构抗震验算很重要的前几阶频率产生较大的误差。目前对于缆索非线性采用等效弹性模量法，随着缆索长度的增大，误差也会越来越大。另外，在时程分析中，忽略大变形的影响，将造成误差累计，最终计算结果可能偏离很大。这些问题都需要进一步研究。[4]
1. 桥梁结构几何非线性分析
桥梁结构几何非线性分析一般采用有限位移理论，在建立以杆系结构有限位移理论为基础的大跨径桥梁结构几何非线性分析平衡方程时，一般考虑以下三方面的几何非线性效应：（1）杆端初内力对单元刚度矩阵的影响。一般情况下是指单元轴力对弯曲刚度的影响，有时也考虑弯矩对轴向刚度的影响，常通过引入稳定函数或单元几何刚度矩阵的方法来考虑。结构分析中的初应力（或初应变）问题，就是结构现有内力引起的刚度变化对本期荷载响应的影响问题。
（2）大位移对建立结构平衡方程的影响。此问题有两种考虑办法，一是将参考坐标选在未变形的结构上，通过引入大位移单元刚度矩阵来考虑大位移问题，称为T.L列式法；另一种是以将参考坐标选在变形后的位置上，让节点坐标跟随结构一起变化，从而使平衡方程直接建立在变形后的位置上，称为U.L列式法。
（3）索垂度效应对单元刚度的影响。此问题亦有两种处理方法，一是引入Ernst公式，通过等效模量法来近似修正垂度效应，而用杆单元近似模拟索类构件；另一种是直接导出索单元切线刚度矩阵。[2]
2. 杆端初内力对单元刚度矩阵的影响。[1] 2.1 轴力对弯曲刚度的影响
如图所示压杆的内力和位移为正，其挠曲平衡微分方程为：
i i i x y N l
x
M l x M y El )(1α-+-??? ??
-
=''- （2-1）
方程的解为：
x l
x
N M l x N M l x k A l x k A y j i α++
??? ?
?
-
-+=1cos sin 21 （2-2）
引入边界条件：l y
y
l
x x α====,
00
N
M A k
N k
M M A i
i j =
+=
21,
sin cos x l x k
l x k N M l x k l x k N M y i
i α+?????
? ??--????
?
? ?
?+-??? ??-=sin sin 1sin 1sin （2-3）
于是
l x j j x i i y y =='=+='=+=α?θα?θ,0
EI
N l
k =
EI
sM cM l j i i )
(-=
? EI
cM sM l j i j )
(-=
? （2-5）
???
???
????
??-=????
??-=1sin 1tg 1122k k k s k k k c （2-6）
如果轴力为拉力，则：???
?
??
?
??
? ??-=?
?
?
??-=k k k s k k k c sh 111th 122 （2-7）
c 和s 为轴力影响下，杆端单位力矩引起的杆端角形变形，c 为力矩作用端的角变形，s 为另一端的角变形。最后，可导出有初轴力的杆单元刚度方程为：
[]
[]
[]
????????
??
?=-+-++=+-+=+-+=i
j j i i i
j j j i i
Q Q k s c s c l EI Q s c s c l EI M s c s c l
EI M αθθαθθαθθ)22())(()()(22
（2-8） ()?????
??
????????????????
?
??????????+-+++-++-+=??????????????j j i i j j i i u u C l S C l k S C S l S C C l S C l k S C l S C l k S C l EI M Q M Q θθ - 22 - )22(- 22222
222对称 （2-9） 其中：2
222,s c s
S s c c C -=
-=
是轴力N 的函数，称为稳定函数，其值随k 的变化而变化。以稳定函数表达的刚度系数k 包含了轴力对弯曲刚度的影响，相当于切线刚度阵中弹性刚度系数与几何刚度系数之和。 2.2 弯矩对轴向刚度的影响
杆单元的弯曲将引起杆件计算长度（杆件两端节点的距离）的改变，从而影响杆件的轴向刚度。在杆件微段上，弯曲引起的杆件轴线计算长度的改变量δd 为：
x x y x s d d d d d d 22-+=-=δ （2-10）
N
22)(2
1
1)(1d /d y y x '≈-'+=δ
x y d )(2121
'=?δ
在外力作用下，杆件总的缩短量为：?'+
=?l x y EA Nl 0 2
d )(2
1)/( （2-11） ?=
βl
EA
N （2-12）
???
??-+??? ??-+-=
k l kx l
x N M l x k l x k N M y j i sin /sin 1sin )/1(sin （2-13）
Nl
M M l kx n l k N M l kx l k k N M k M y j
i i j i ++-+=
'si cos sin cos （2-14）
将上面两式代入积分公式中得到：（)
)(4/(11
2
3M l N EA ?β-=） 当0>N （压杆）时：
)coth 1(h csc 2)(2)h csc )(coth ()(2222k k M kM k M M k k k M M k M j i j i j i +++-++=?
（2-15） 当0 )cot 1(csc 2)(2)csc )(cot ()(2 22k k M kM k M M k k k M M k M j i j i j i +++-++=?（2-16） 3. 大位移对建立结构平衡方程的影响[2]~[5] 几何非线性理论将平衡方程建立在结构变形后的位置上。事实上，任何结构的平衡只有再起变形后的位置上满足，材质真实意义上平衡的。线性理论之所以能得以广泛应用，是因为一般结构受力状态不因变形而发生明显改变，而有些问题则不然，以桥梁结构为例，由于桥跨的长大化和柔性结构的应用，桥梁在荷载作用下上部结构的几何位置变化显著，从有限元的角度来说，结点坐标随荷载的增量变化较大，各单元的长度、倾角等几何特性也相应产生较大的改变，结构的刚度矩阵成为几何变形的函数，因此平衡方程{F}=[K]{δ}不再是线性关系，小变形假设中的叠加原理不再适用。 解决方法是在计算应力及反力时计入结构位移的影响，即位移理论。平衡条件是根据变形后的几何位置给出的，荷载与位移不再成线性关系，内力与外荷载之间的正比关系也不再存在，由于结构大变位的存在产生了与荷载增量不成正比的附加应力。 大位移对建立平衡方程的影响。在这个问题上。目前流行的T.L列式法和U.L列式法各有不同的处理方法。前者将参考坐标选在未变形的结构上，通过引入大位移单元刚度矩阵来考虑大位移问题；后者将参考坐标选在变形后的位置上，让节点坐标跟随结构一起变化，从而使平衡方程直接建立在变形后的位置上。 任何变形体在空间都占据一定的区域，构成一定的形状，这种几何形状简称为构形。物体在问题求解开始的构形称为初始构形，在任一瞬时的构形称为现时构形，物体位移的改变叫运动。 3.1 总体拉格朗日列式法 在整个分析过程中，以t=0时的构形作为参考，且参考位形保持不变，这种列式称为总体拉格朗日列式法。 对于任意应力—应变关系与几何运动方程，杆系单元的平衡方程可由虚功原理推导得到：错误！未找到引用源。(3-1) 式中：错误！未找到引用源。——单元的应力向量； 错误！未找到引用源。——单元杆端力向量； 错误！未找到引用源。——单元体积分域，对T.L列式，错误！未找到引用源。是变形前的单元体积域； 错误！未找到引用源。——应变矩阵，是单元应变与节点位移的关系矩阵，即： 错误！未找到引用源。(3-2) 错误！未找到引用源。——杆端位移向量。 在有限位移情况下错误！未找到引用源。是位移错误！未找到引用源。的函数。后面将看到，错误！未找到引用源。矩阵可分解为与杆端位移无关的部分错误！未找到引用源。和 与杆端位移有关的部分错误！未找到引用源。两部分，即： 错误！未找到引用源。(3-3) 直接按式(3-1)建立单元刚度方程并建立结构有限元列式，称为全量列式法。在几何非线性分析中，按全量列式法得到的单元刚度阵和结构刚度阵往往是非对称的，对求解不利，因此多采用增量列式法。 将(3-1)写成微分形式： 错误！未找到引用源。(3-4) 或 错误！未找到引用源。(3-5) 根据式(11-3)和(11-5)等式左边第一项可写成： 错误！未找到引用源。(3-6) 另一方面，单元的应力、应变增量关系可表示成： 错误！未找到引用源。(3-7) 式中：错误！未找到引用源。——弹性矩阵。 当材料满足线弹性时： 错误！未找到引用源。(3-8) 式中：错误！未找到引用源。——单元初应变向量； 错误！未找到引用源。——单元初应力向量。 将式(3-2)、(3-3)带入(3-7)得： 错误！未找到引用源。(3-9) 于是，式(3-5)左边第二项可表示为： (3-10)记：错误！未找到引用源。(3-11) 错误！未找到引用源。(3-12) 则式(3-5)最后可表达为： 错误！未找到引用源。(3-13) 式(3-13)就是增量形式T.L列式的单元平衡方程。 式中错误！未找到引用源。是三个刚度阵之和，称为单元切线刚度矩阵，它表示荷载增量的位移增量之间的关系，也可以理解为单元在特定应力、变形下的瞬时刚度错误！未找到引用源。与单元节点位移无关，是单元弹性刚度矩阵。错误！未找到引用源。称为单元初位移刚度矩阵，或单元大位移刚度矩阵。是由大位移引起的结构刚度变化，是错误！未找到引用源。的函数。错误！未找到引用源。称为初应力刚度矩阵，它表示初应力对结构刚度的影响。 当应力为压应力时，单元切线刚度减小，反之单元切线刚度增加。将各单元节线刚度方程按节点力平衡条件组集成结构增量刚度方程，即有： 错误！未找到引用源。(3-14) 式中：错误！未找到引用源。——结构切线刚度矩阵，可以由单元切线刚度矩阵按常规方法进行组集形成； 错误！未找到引用源。——荷载增量。 由于荷载增量一般取为有限值而不可能取成微分形式，结构在求得的位移状态下，抗力与总外荷载之间有一定差量，即失衡力，结构必须产生相对位移以改变结构的抗力来消除这个失衡力。在计算中，一般通过迭代法来求解。 3.2 更新的拉格朗日列式法(U.L列式) 在建立错误！未找到引用源。时刻物体平衡方程时，如果我们选择的参照构形不是未变形状态t=0时的构形，而是最后一个已知平衡，即以本增量步起时的t时刻构形为参照构形，这种列式法称为更新的拉格朗日列式法(U.L列式) 由于采用了U.L列式，平衡方程式(11-5)的积分需在t时刻单元体积内进行，且错误！未找到引用源。的积分式是错误！未找到引用源。的一阶或二阶小量，因此，代表错误！未找到引用源。的积分式可以略去。这是U.L列式与T.L列式的一个重要区别。最后增量形式的U.L列式结构平衡方程可写成： 错误！未找到引用源。(3-15) 3.3 T.L列式与U.L列式的异同即适用范围 T.L列式与U.L列式是不同学派用不同的简化方程及理论导出的不同方法，但是它们在相同的荷载增量步内其线性化的切线刚度矩阵应该相同，这一点已的到多个实际例题的证明。T.L列式与U.L列式的不同点表11-2给出。 从理论上讲，这两种方法都可以用于各种几何非线性分析，但通过表11-2的对比可以发现，T.L列式适合用于大位移、中等转角和小应变的几何非线性问题，而U.L列式除了适应于上述问题外，还适用于非线性大应变分析、弹塑性徐变分析，可以追踪变形过程的应力变化。目前，国内使用的桥梁非线性分析程序，一般都采用U.L列式方法。 4. 垂度效应[2] 在大跨径的桥梁中，一般是斜拉桥和悬索桥，由于斜拉索或缆索较长，索自重产生的垂度较大，索的伸长量与索内拉力不成正比关系，造成了大跨度桥梁的几何非线性影响。 索两端的相对运动受到索本身三个因素的影响： （1）索受力后发生的弹性应变受索材料的弹性模量控制。 （2）索的垂度变化与材料应力无关，完全是几何变化的结果，受索内张力、索的长度和重力控制。抗拉刚度随轴力的变化而变化，索的拉力若为零或受压，则抗拉刚度变为零。垂度变化与索的拉力不是线性关系。 （3）在荷载作用下，索中各股钢丝作相对运动，重新排列的结果使横截面更为紧密。这种变形引起的伸长叫构造伸长，大部分是永久持续的，它发生在一定的张力以下，所以，可在缆索的制作过程中，采用预张拉的办法予以消除。而非永久性的伸长可以通过折减的有效弹性模量E eff来考虑，E eff是独立于索内张力的量。 在分析斜拉桥的垂度效应引起的非线性影响中，考虑斜拉索非线性变化的简便方法是把 它视为与它的弦长等长度的桁架直杆，如下图4-1所示。其等效弹性模量包括材料变形、构造伸长和垂度变化三个因素的影响，其表达式称为Ernst 公式。即： 2 3 ()112eff eq eff E E WL AE F = + （4-1） 图4-1 斜拉索 式中：E eff —为包括钢束压密影响在内的有效弹性模量； W —单位长度斜拉索的重里； L —索的水平投影长度； A —索的横截面面积； F —索内的张力。 经过这样处理后，斜拉索的单元刚度矩阵和平面杆件系统的单元刚度矩阵基本一致，唯斜拉索单元采用的是等效弹模E EQ ，长度则取为L c 。 对于悬索桥，以上三种因素中，第三项构造伸长可以在缆索制造安装时采用预先超张拉方法来消除而不予考虑，主要要考虑的是自重垂度变化的影响。如同在斜拉桥分析中一样，处理这一非线性影响的简便方法就是对缆索材料的弹性模量进行修正，将非线性的自重垂度影响问题转化成线性问题来分析。 用杆单元近似模拟索类构件有索垂度引起的单元刚度变化，也可以通过倒出索元切线刚度矩阵，用索单元直接描述索类构件。斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆、施工中用的缆风和扣索等都可抽象成柔索。柔索的特点是抗弯刚度小，索的自重对结构平衡影响不可忽略，用拉杆模拟柔索会引起误差，因此，有必要建立柔索单元刚度矩阵。为讨论方便，且不影响计算精度，作如下假定： （1）柔索仅能承受张力而不承受弯曲内力（抗弯刚度为0）； （2）柔索仅受索端集中力和沿所长均匀分布的荷载作用，荷载合力效应力为q; （3）柔索材料符合虎克定律； （4）局部坐标系取在柔索荷载合力平面内。 考察下图中所示柔索，无应力索长为S 0，索的荷载集度q 向下为正。 图4-2 柔索单元 上图中参变量之间有如下关系： 0,i j j i j i j i X X Y Y i j l x x h y y F F H F F qS T T =-=--===-+==? ???????? （4-2） 易导得各力素与几何变量之间的关系如下： ()0 0022 1ln 212i i j i i Y X j Y j i Y j i j i T F S l F EA q T F T T S qS h F EA q T T T T EAq q ???+? ?=-+ ?+? ? ?? -???=--? ???? ?-=-+?? ? （4-3） 对式（4-3）取全微分有： i i i i i i i i X Y X Y X Y X Y l l l F F F F h h h F F F F ??? ?= ?+????? ???? ?=?+????? （4-4） 于是，i 端力和位移的增量关系可写成： 2211i i X Y B A F l h C C B A F l h C C -??= ?+?? ??-? ?=?+??? （4-5） j 端力和位移的增量关系可写成： 2211j j X Y B A F l h C C B A F l h C C -? ?= ?+?? ??-? ?=?+??? （4-5） 式中： j i j i l u u h v v ?=?+??? ??=?+??? （4-6） 121021221 11111j i i i j i Y Y X j i X j i Y Y j i F F A F q T T F A B q T T F F S B EA q T T C A B A B ???=++? ? ??????? ?==- ?? ???? ????=--+ ?? ?????=+? （4-7） 将式（4-1）～（4-7）合并整理后写成矩阵形式： {}[]{}e e T F k δ?=? （4-8） 式中： {}( ) i i j j T e X Y X Y F F F F F ?=???? （4-9） []1112131422232433 3444e T k k k k k k k k k k k ??????=??? ??? 对称 （4-10） 其中： {}()2 1144332121423341 222442i i j j B k k k C A k k k k C A k k k C u v u v δ?==-= ???=-=-==???===-?? ??=????? （4-11） 式（4-8）即为柔索单元切线刚度方程，在索端平衡力已知的情况下，可直接计算柔索切线刚度矩阵。在索端平衡力未知的情况下，首先按单根柔索计算索端力，求解时先初估一个F xi 和F yi ，若式（4-3）自然满足，初估值即为真实值；否则，设估算值使式（4-3）产生的误差为： 00x y e l l e h h =-?? ?=-?? （4-12） 式中：l 0—由估算的F xi 和F yi 计算出的柔索水平投影长； h 0—由估算的F xi 和F yi 计算出的柔索垂直投影长； 下一次计算希望通过l ?和h ?的修正，使误差趋于零，即： 00x y l e h e ?+=?? ??+=?? （4-13） 将式（4-4）代入式（4-13）易得: 2211i i y x X x y Y e A e B F C e B e A F C -??=???-??= ?? （4-14） 用i X F ?，i Y F ?修正i X F 和i Y F ，再按照图4-3所示的流程迭代，就可以在已知l,h,q,E,A,S 0的情况下，求出所有索端力。最后，计算切线刚度阵流程见图4-4。 用直杆代替柔索计算是常用的近似方法，柔索的垂度效应可用Ernst 公式对弹性模量进行修正，这种方法在小位移、高应力水平下，具有较高精度。但如果索工作在大位移状态或应力水平不高的情况下，就会出现很大的误差，因此，采用近似方法计算时需谨慎。 图4-3 求索端力的计算流程 图4-4 柔索单元切线刚度矩阵计算流程 5. 斜拉桥、悬索桥、拱桥等大跨度桥梁的非线性分析[6]~[16] 5.1 斜拉桥 斜拉桥主要组成部分是主梁、斜拉索及索塔。因此其结构形式也主要是以这三部分的布置为标推来划分。按主梁所用的材料来划分，斜拉桥可分为:钢斜拉桥，混凝土斜拉桥、结合梁（叠合梁）斜拉桥、混合梁斜拉桥。按照斜拉索组成的平面的多少，通常分为单索面和双索面；按索的形状可分为放射形、扇形和竖琴形。在密索体系的前提下，按塔、梁和墩的相互连接方式，可分为塔墩固结、塔梁固结、塔梁墩固结和漂浮体系。 斜拉桥的结构分析与传统的连续梁和桁架桥的结构分析相比较，几何非线性的影响尤为突出，影响因素也多。特别是大跨径的斜拉桥，由于斜拉索较长，索自重产生的垂度较大，索的伸长量与索内拉力不成正比关系。整个结构的几何变形也大，大变形问题很突出，加上弯矩和轴向力的相互作用等影响因素，使得大跨径斜拉桥的几何非线性分析显得较为复杂。 斜拉桥几何非线性影响因素概括为三个效应，在前面的章节里已经详细介绍。 斜拉桥非线性简化分析程序 斜拉桥非线性简化分析程序NACSB全面考虑了他的三个主要的几何非线性因素，即斜拉索的垂度效应、结构大变形效应及弯矩和轴向力的组合效应，可以对单索面斜拉桥体系在恒载、斜拉索初始拉力、集中荷载和分布荷载等的作用下进行内力分析，计算出结点位移、杆端力、斜拉索最终拉力、稳定性函数和支反力。 非线性的处理方法采用混合法，即在每次迭代循环中，不平衡荷载均以增量的形式逐级加上去，而每次加载后都要根据杆端力和结点位移的变化对结构刚度矩阵进行修正，直到不平衡荷载小于某个限值时终止迭代。 1.计算图示与假定 图5-1所示为一座典型的单索面斜拉桥的计算简图。对斜拉桥结构构造与构件连接形式作如下假定： 图5-1 单索面斜拉桥的计算简图 （1）索塔与桥墩采取固结或铰接形式连接； （2）主梁在全桥长度内连续； （3）斜拉索直接锚固在索塔上而不是在塔上连续通过索鞍；（4）在边跨的端支点设置拉力支座。 2.程序NACSB结构框图 根据结构优化原理编制的程序NACSB的结构框图见图5-2。 图5-2 NACSB结构框图 5.2 悬索桥 悬索桥的承重结构主要为主缆、塔桥及锚碇构成的大缆系统, 其次为加劲梁, 吊索用来连接主缆和加劲梁. 主缆为几何可变体系, 主要靠其自重及恒载产生的初始拉力以及改变几何形状来获得结构刚度, 以抵抗荷载产生的变形, 缆索受力呈明显的几何非线性性质. 目前对于大跨悬索桥,通用的计算方法是以有限位移理论为基础的几何非线性有限元法. 关于缆索的单元有杆单元、曲线单元、悬链线单元及抛物线单元. 但由于主缆取很多个单元, 若采用铰接的缆索单元, 则整个结构成为几何可变体系, 无法求解。[12] 关于悬索桥的分析理论, 主要有不计几何非线性影响的线弹性理论, 以及恒载初内力和结构竖向位移影响的挠度理论和充分考虑各种非线性影响的有限位移理论。有限位移理论是目前悬索桥结构分析中, 理论上最严密精确和适用性好的、较为完善的理论。在采用有限位移理论对悬索桥进行空间分析时, 一般将悬索桥结构离散为空间杆单元、索单元和梁单元, 并常用能量法推导单元切线刚度矩阵。然而能量法在应变与位移的函数式中通常忽略了位移二次以上的高阶项, 使精度受到一定影响。[10] 现在常采用反映杆单元初始状态变至任意状态下杆端力与杆件张力间关系的状态平衡方程, 在整体坐标系下直接推导出空间杆单元切线刚度矩阵的精确表达式。在Oran等人研究的基础上通过引人空间梁柱理论, 建立了空间梁单元切线刚度矩阵的精确表达式；把杆单元切线刚度矩阵中弹性模量用著名的Ernst公式修正后即得到索单元的切线刚度矩阵。 有限位移理论可以较全面的考虑结构位移引起惫索桥几何非线性的影响，不仅包含了挠度理论的假设，而且考虑了值级初始内力对主缆刚度的形响，使计算结果更接近结构实际受力，并可以采用计算机进行准确计算。其主要影响因素有：[11] 恒载作用下的结构位移、恒载作用初始内力下的结构位移、恒载初始内力对主缆刚度的影响。 其基本假定为： (1)主缆的无应力长度不变； (2)保持索塔在成桥状态下不承受不平衡水平力； (3)主缆在索鞍的永不脱离点之间及锚锭处的主缆锚固点间的无应力长度保持不变； (4)任何时候结构的任何位置保持平衡状态； 大跨度桥梁实用几何非线性分析 一.引言．现代大跨度桥梁等工程结构的柔性特征已十分明显，对于这些结构考虑几何非线性的影响己必不可少。并且，计算机能力的大大提高也使得分析大型复杂结构的非线性问题成为可行。80年代国外对几何非线性问题的发展已相当完善［1，2］，国内在这方面也做了不少的工作［4－6］在工程结构几何非线性分析中，按照参考构形的不同可分为TL（Total Lagranrian) 法和UL（Updated Lagrangian)法[1]。后来，引入随转坐标系后又分别得出 CR（Co-rotational)-TL法和CR－LU法[2,3]，在工程中UL（或CR-UL）法应 用较多。以前的文献大都对结构的几何刚度矩阵进行了复杂而详细的推导。从文中的分析可以发现，结构几何刚度矩阵的精确与否并不实质性地影响迭代收敛的最终结果，求解几何非线性问题的关键在于如何由节点位移增量准确地计算出单元的内力增量，而这一点以前文献都没有提到过。因此，本文的重点放在论述单元内力增量的计算上。工程上很早就开始使用拖动坐标系来求解大跨度桥梁结构的大挠度问题，本文则把它应用到单元内力增量的计算中。从实质上说，这里的拖动坐标系与上面提到的随转坐标系没有区别。因此，在理论方法上，目前文中的方法可以归类到CR－UL法。但由于本文重点不在于详细介绍这种方法的理论体系，所以论述中均不再使用该名词。本文的目的主要是通过简化复杂的几何非线性分析方法，推广该方法在实际工程中的应用。二、非线性商限元求解过程对于工程结构的非线性问题，用有限元方法求解时的非线性平衡方程可写成以下的一般形式：Fs(δ）-P0（δ）=0 （l）其中，为节点的位移向量；Fs(δ)为结构的等效节点抗力向量，它随节点位移及单元内力而变化；PO（δ）为外荷载作用的等效节点荷载向量，为方便起见，这里暂时假定它不随节点位移而变化。由于式（l）中的等效节点抗力一般无法用节点位移显式表示，故不可能直接对非线性平衡方程进行求解。但实际结构的整体切向刚度容易得到，所以通常应用Newton-Raphson迭代方法求解该问题。结构的整体切向刚度矩阵KT可表示如下dPO＝KTdδ （2）式中，KT＝ KE十KG，其中KE 为结构的整体弹性刚度矩阵，KG为几何刚度矩阵。用混合Newton－Raphson迭代方法求解结构非线性问题的基本过程如下：(1）将等效节点荷载PO分成n 步，ΔP0＝PO／n，计算并组集结构的整体切向刚度矩阵，进入加载步循环；(2)求解节点位移增量；(3)计算各单元内力增量，修正单元内力；(4)更新节点坐标，计算节点不平衡力R；(5)判断节点不平衡力R是否小于允许值，如满足条件，则进入下一个加载步；如不满足条件，重新计算结构的整体切向刚度矩阵，用R代替ΔP0，回到第2步；(6）全部加载步完成之后，结束。从上述求解过程中可见，最为关键的一步是第3步，即由节点位移增量计算单元的内力增量。也可以说是由这一步决定了最终的收敛结果，以下将对此着重论述。其实结构的整体切向刚度矩阵对结果并无实质性的影响，修正的NetwRaphson方法正是利用这一点来节省迭代计算的时间。以前的文献对空间梁单元几何刚度矩阵的推导方面论述较多，都建立在一些假定的基础上，这里就不详细说明。考虑到结构的整体切向刚度矩阵精确与否并不改变最终结果，仅影响迭代收敛的速度，并且不是越精确的整体切向刚度矩阵迭代收敛越快。三、小应变时单元内力增百计算在一般情况下，工程结构的几何非线性都属于小应变大位移（大平移、大转动）问题。对于这类问题，单元内力增量的计算比较简单。平面梁单元是空间梁单元发展的基础，故这里先分析平面梁单元的情况。平面梁 大跨径桥梁施工控制与监测 摘要：本文介绍了大跨径桥梁施工控制的目的、意义、主要内容及原理，并对各控制理论做出简要分析。 关键词：大跨径桥梁；施工控制；控制理论 1桥梁施工监控概述 1.1桥梁施工监控的目的 桥梁施工监测与控制是桥梁施工技术的重要组成部分,它以设计成桥状态为实现目标,在整个施工过程中,通过实时监测桥梁结构的实际状态和环境状况,获得桥梁结构实际状态与理想状态之间的差异(误差),运用现代控制理论,对误差进行识别、调整、预测,使桥梁施工状态最大限度地接近理想状态,从而保证桥梁结构在施工过程中的安全,最终达到桥梁结构成桥状态满足设计和施工规范要求。 1.2桥梁施工监控的意义 任何桥梁施工,特别是大跨径桥梁的施工,都是一个系统工程。在该系统中,设计图只是目标,而在自开工到竣工整个为实现设计目标而必须经历的过程中,将受到许许多多确定和不确定因素的影响,包括设计计算、桥用材料性能、施工精度、荷载、大气温度等诸多方面在理想状态与实际状态之间存在的差异,施工中如何从各种受误差影响而失真的参数中找出相对真实的数值,对施工状态进行实时识别(监测)、调整(纠偏)、预测,对设计目标的实现是至关重要的。桥梁施工监控是确保桥梁施工宏观质量的关键。衡量一座桥梁的施工宏观质量标准就是其成桥状态的线形以及受力情况符合设计要求。对于桥梁的下部结构,只要基础埋置深度和尺寸以及墩台尺寸准确就能达到标准要求,且容易检查和控制。而对采用多工序、多阶段施工的桥梁上部结构,要求结构内力和标高的最终状态符合设计要求,就不那么容易了。 桥梁施工监控又是桥梁建设的安全保证。为了安全可靠地建好每座桥,施工监控将变得非常重要。因为每种体系的桥梁所采用的施工方法均按预定的程序进行,施工中的每一阶段,结构的内力和变形是可以预计的,同时可通过监测得到各施工阶段结构的实际内力和变形,从而完全可以跟踪掌握施工进程和发展情况。当发现施工过程中监测的实际值与计算值相差过大时,就要进行检查和原因分析,而不能再继续施工,否则,将可能出现事故。 桥梁施工监控不仅是桥梁建设中的安全系统,也是桥梁运营中安全性和耐久 大跨度桥梁施工技术要点分析 发表时间：2018-05-28T10:26:19.490Z 来源：《基层建设》2018年第10期作者：唐敏付赵明剑 [导读] 摘要：随着我国经济社会的进一步发展，对交通运输业的要求越来越高，大跨度桥梁的应用大大缩短了交通里程，缓解了交通运输压力，提高了交通速度，对促进我国经济发展有着重要的意义。 潍坊市市政工程设计研究院有限公司山东省潍坊市 261061 摘要：随着我国经济社会的进一步发展，对交通运输业的要求越来越高，大跨度桥梁的应用大大缩短了交通里程，缓解了交通运输压力，提高了交通速度，对促进我国经济发展有着重要的意义。由于大跨度桥梁的施工较为复杂困难，因此做好大跨度桥梁的施工技术研究工作对推动其广泛应用有着重要的积极意义，相信随着相关技术的不断完善，大跨度桥梁比较得到更加广泛的应用。所以本文对大跨度桥梁施工技术要点分析进行分析。 关键词：大跨度；桥梁施工；技术要点；分析 大跨度桥梁是桥梁施工中的要点问题，大跨度桥梁可以解决很多传统的建筑工艺中遇到的难以解决的建筑问题，是桥梁技术中的一个非常重要的方面，大跨度桥梁由于自身的特点，在施工过程中就控制了整个桥梁的设计，一个国家要建设大跨度桥梁，就必须在工业技术上取得一定的成绩和前进的专利，研制出一些巨型的设计设备，其次是工业技术上必须取得进步很创新，确保施工的安全和质量，大跨度桥梁的研究和发展是未来土建和桥建中的一个主流发展方向。 1大跨度桥梁工程施工概述 近年来，我国很多城市出现了不同类型的大跨度桥梁，这些大跨度桥梁是我国工业技术水平向高端进军的象征，这些桥都以超大、超长、悬索、承载重量大、地理位置特殊为特征，其建设规模在我国的建桥史上是空前绝后的，也在我国的工业史上开辟了一个全新的建造篇章，大跨度桥梁的施工建设主要包括了基础工程、塔索工程和上部建筑这三个方面。大跨度桥梁在建设中要注意的主要有以下几个方面，混凝土质量控制——别出现孔洞。预应力控制——预应力管道控制不堵塞；预应力张拉力到位（油表数与伸长量）；注浆饱满度控制。桥梁线性控制——控制每个节段的线形，保证顺利合拢。合拢内力控制：保证预压或临时预应力到位，选择有利合拢温度（最好是当天最低温度），防止合拢出现开裂。 2对大跨度桥梁施工技术控制的必要性 大跨度桥梁比一般的桥梁需要更大的强度，由于桥梁的使用以及外界因素的影响，桥梁的质量经受着严峻的考验。施工中由于各种原因导致成桥后，结构、线性等与设计存在偏差，使桥的承载力下降，或者发生局部变形等情况，会影响桥梁的使用以及安全性能。大跨度桥梁的施工控制从桥梁的各环节入手，对各环节予以监测，以及实时的对数据进行分析，对桥梁的整体施工有效的管理，保障施工质量。高质量的桥梁建设为国家发展起着很大的推动作用，其代表着国家的发展水平，也为人们的生产、生活提供保障。 3大跨度桥梁施工技术要点 3.1对桥梁软基进行优化处理 桥梁的软土地基部分过渡段与桥台地基的软基处理方法不同，若处理不好就容易导致两者出现沉降差。桥台地基的软基处理常用刚性钻孔灌注桩技术，经这种技术处理后，桥台地基的软基稳定性高，基本不会发生沉降；但软土地基处理方法不同，一般经常使用换填法、深层搅拌桩法、排水固结法等，在处理完成后需要经过较长时间，其沉降情况才能稳定，并且其地基固结度难以达到100%，整个变形比桥台要大得多，很容易影响使用期间的道路行驶安全。所以，一定要根据现场情况，结合设计要求对桥梁软基进行优化处理，保证工程质量。 3.2沉井施工要点 沉井基础工程主要分为进行地基基础处理、加工与安装钢壳沉井、浇筑混凝土、下放混凝土沉井、清理基底、封闭基底几个部分，多采用空气幕、降排水、射水等技术来辅助下沉施工，并以空气幕、吸泥取土进行纠偏施工，以推动工程的顺利建设。为做好这一部分的施工，设计人员应当为其设计合理的着床时机、高度与状态，同时采用岸边锚地的临时锚固结构作为钢沉井的接高，并对养护人员要经常进行业务知识培训，例行的桥检把伸缩装置检测作为一个重要项，保洁人员及时清理缝隙间的杂物，做好日常管理巡查记录，尤其是雨雾天气。对已经出现病害的伸缩缝要查明原因根据破损程度给予及时维修或彻底更换。 3.3横梁施工要点 施工人员在对塔柱进行施工时，主要应当采取抗倾斜的措施，对具体的工程进行辅助，以避免塔柱出现倾斜。具体来讲，大悬臂施工状态下，塔柱必会受到自重及其他外部的影响，出现倾斜问题，进而在过大的倾斜拉应力影响下，造成开裂问题，所以，施工人员必须采用约束结构或水平支撑等措施，对其倾斜问题加以全面控制，以尽可能地推动其倾斜柱在受力与变形方面的稳定性。目前，施工人员可以使用的抗倾斜技术主要为主动支撑的逐段设置技术，在施工完成之后，将主动支撑拆除，若塔身出现向外倾斜的问题，还应当根据其具体的高度，设置受压支架或受拉拉杆。同时，施工人员还可以追踪棱镜的技术，对索塔的中心位置进行修正，并以测量机器人以及自动检测软件，对索塔进行线形测量与监控。 3.4索塔工程施工技术 3.4.1钢塔 钢塔的构建无论在尺寸还是自重上都较大，塔柱阶段要高空吊装，为了保证整个钢塔的质量安全，必须要求结构连接处要极为紧密。因此，在通常情况下，钢结构连接完成后，都会采取一定程度的加固措施。 3.4.2混凝土塔 施工中充分考虑其塔身高度、安装定位难度等因素，选择同步或异步衡量施工，而且要以横梁尺寸为依据分层施工、分块浇筑，尽量借助合理的张拉预应力完成一次浇筑和张拉，为避免塔柱开裂，应设置一定的水平约束或支撑，以此使其受力合理，减小变形，保持稳定。 3.5超长斜拉索施工 大跨度斜拉桥斜拉索最长索的长度达到500m左右，单根索重达到50t左右。因此，斜拉索的施工根据索长的变化，采用不通达牵引、张拉方式。通常在梁段安装完毕，第一次张拉，桥面吊机行走到下一节段后，第二次张拉。 大跨度桥梁的发展趋势 随着人类交往的日益增加，人类文明成果更快更广泛的传播，加快了桥梁技术的进步，19世纪钢筋混领土的发明应用，使桥梁技术产生的革命性的飞跃，综观大跨径桥梁的发展趋势，可以看到世界桥梁建设必将迎来更大规模的建设高潮。 在中国国道主干线同江至三亚就有5个跨海工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程，以及琼州海峡工程。其中难度最大的有渤海湾跨海工程，海峡宽57公里，建成后将成为世界上最长的桥梁；琼州海峡跨海工程，海峡宽20公里，水深40米，海床以下130米深未见基岩，常年受到台风、海浪频繁袭击。 大跨度桥梁向更长、更大、更柔的方向发展 1、研究大跨度桥梁在气动、地震和行车动力作用下其结构的安 全和稳定性，拟将截面做成适应气动要求的各种流线型加劲梁，以增大特大跨度桥梁的刚度。 2、采用以斜缆为主的空间网状承重体系；采用悬索加斜拉的混合体系。 3、采用轻型而刚度大的复合材料做加劲梁，采用自重轻、强度高的碳纤维材料做主缆。 新材料的开发和应用 新材料应具有高强、高弹模、轻质的特点，研究超高强硅粉和聚合物混凝土、高强双相钢丝纤维增强混凝土、纤维塑料等一系列材 料取代目前桥梁用的钢和混凝土。 在设计阶段采用高度发展的计算机 计算机作为辅助手段，进行有效的快速优化和仿真分析，运用智能化制造系统在工厂生产部件，利用GPS和遥控技术控制桥梁施工。桥梁建成交付费用 使用后将通过自动监测和管理系统保证桥梁的安全和正常运行，一旦发生故障或损伤，将自动报告损伤部位和养护对策。 大型深水基础工程 目前世界桥梁基础尚未超过100米深海基础工程，下一步须进行100—300米深海基础的实践。 重视桥梁美学及环境保护 桥梁是人类最杰出的建筑之一，闻名遐尔的美国旧金山金门大桥、澳大利亚悉尼港桥、英国伦敦桥、日本明石海峡大桥、中国上海杨浦大桥、南京长江二桥、香港青马大桥等这些著名大桥都是一件件宝贵的空间艺术品，成为陆地、江河、海洋和天空的景观，成为城市标志性建筑。宏伟壮观的澳大利亚悉尼港桥与现代化别具一格的悉尼歌剧院融为一体，成为今日悉尼的象征。因此，21世纪的桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，重视环境保护，达到人文景观同环境景观的完美结合。 《大跨度桥梁设计》复习题 1.拱桥的受力特点？ 拱桥按照是否对墩台产生水平推力，可分为有推力拱桥和无推力拱桥，有推力拱桥的主要承重构件是主拱肋（圈），受压为主；无推力拱桥也成为系杆拱桥，是梁—拱组合体系桥，其主要承重构件是拱肋与系杆，拱肋受压，系杆受压。拱脚处有水平推力，从而使拱主要受压,与梁桥比使拱内弯矩分布大为改变(减小)。 2.中承式拱桥的行车道位于拱肋的中部，桥面系（行车道、人行道、栏杆等）一部分用吊杆悬挂在拱肋下，一部分用钢架立柱支承在拱肋上。 3.简支梁和连续梁桥可自由收缩，收缩使结构只发生变形，但不产生内力；固定梁、连续刚构桥等超静定结构，混凝土收缩产生变形和内力。 4.大跨径混凝土连续梁桥采用悬臂施工法施工的过程中，墩梁临时固结，主梁从墩顶向两边同时对称分段浇筑或拼装，直至合龙；合龙之前，结构受力呈T构状态，属静定结构，梁的受力与悬臂梁相同。 5.大跨径桥梁按结构体系分类？ 梁桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥、及其他组合体系桥。 6.公路桥梁的车道荷载由哪两种荷载组成，当计算剪力效应时，集中荷载标准值应乘以什么系数？ 车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。 公路1级车道荷载的均布荷载标准值为q=10.5KN/m,集中荷载标准值为P kk按以下规定选取：桥涵计算跨径≤5m时，P=180 KN；桥涵计算跨径≥50m时，P=360 KN；桥涵计算跨径介kk于上述跨径之间时，采用直线内插法求得：P=（4l+160）KN。计算剪力效应时，上述集中荷载标准值应乘以k系数1.2. 公路2级车道荷载的均布荷载标准值q,集中荷载标准值P，为公路1级车道荷载的0.75倍。kk 车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利荷载效应的同号影响线上，集中荷载标准值只有一个，作用于相应影响线的峰值处。 7.连续梁桥施工方法主要分为两大类：整体施工法和分段施工法。中小跨度桥梁施工方法主要采用整体施工法，包括满堂支架法、预制拼装法；大跨度桥梁主要采用分段施工法，包括悬臂施工法、逐跨施工法、顶推施工法、 转体施工法。桥梁分段施工有三种基本形式：纵向分段、横向分段（又称装配式桥梁施工，主要用于中小跨径桥）、竖向分层施工（用于组合桥梁施工，也用于大跨拱桥主拱肋的现浇或安装）。 8.悬浮体系斜拉桥的特点？ 塔墩固结，塔梁分离，主梁除两端支承于桥台处，全部用斜拉索吊起，其结构形式相当于在单跨 大跨径桥梁施工控制不确定因素分析 随着社会经济的高速发展，各种大型工程应运而生，大跨度桥梁工程在当今交通运输过程中的作用日益提升。然而，由于大跨度桥梁不论是结构还是施工难度都较为复杂，对于工程质量与安全要求度更高但却受到诸多不确定因素的影响。文章就此加以分析，并对其施工质量与安全提出个人的建议。 标签：大跨径桥梁；不确定因素；控制方法 1 影响施工控制的因素 桥梁施工质量与安全不仅关系到桥梁工程自身的使用寿命，更关系到人们生命安全，加强对施工过程中的控制是必不可少的环节。尤其是对于预应力砼桥梁，因其施工材料具有不稳定性，受使用环境中的温度与湿度等气候因素影响较大，同时还受到施工技术与方法的影响但其影响度存在一定差异，以下重点围绕温度效应以及混凝土徐变加以分析。 1.1 温度效应分析 温度应力分为两种：一种是在结构物内部某一构件单元中，因纤维间的温度不同，所产生的应变差受到纤维间的相互约束而引起的应力，称其为温度自约束应力或温度自应力；另一种是结构或体系内部各构件，因内部构件温度之间的差异而导致不同程度上的变形并在结构外支承约束所产生的次内力的相应应力也即温度次约束力，其显著的特点为非线性和时间性。而温度分布指的是，混凝土结构在单位时间内内部结构与其表面之间的温度情况。一般情况下，因内外部热传导性能的差异，外部热传导速度要明显快于内部热传导，导致混凝土内部受到的热传导之间的差异较大，进而形成了非线性的温度分布状态。而影响混凝土温度差异的外部因素主要在于大气温度的变化。例如，太阳光照的强度与变化、昼夜温差的变化、风雪雨等天气变化等；内部因素主要有构件的结构与形状、混凝土内部的物理性质等。 （1）温度载荷。不论是在施工阶段还是竣工的使用过程中，桥梁工程中的混凝土都会受到环境中的温度影响导致其内部存在一定的差异。根据现有理论以及实践，混凝土结构桥梁承受的温度荷载有以下三类：其一，因光照而导致的温度荷载；其二，因温度骤变而引起的温度荷载；其三，因温度常年变化而造成的温度载荷。而引起温度载荷的主要原因就是风速以及温度的变化，第一类载荷主要是由于太阳光照而造成的，对于混凝土的结构均构成严重影响。因此，为确保工程质量与安全，在桥梁的设计与施工阶段应重视温度荷载的不良影响。 （2）温度载荷分析。温度载荷的变化受到气候和天气的影响，当前对于天气变化的监测技术已经较为完善，能够为桥梁施工提供可靠的数据进而设定施工方案。根据所提供的数据以及现有施工案例总结出的规律，对于温度荷载可以通过函数公式加以估算，但要想精准的解除这个函数中的值，还有一定困难。因此， 《超大跨径桥梁结构健康监测关键技术》 2017年度湖南省科技进步奖项目公示材料 一、项目名称：超大跨径桥梁结构健康监测关键技术 二、项目简介 桥梁是公路交通的重要节点，而超大跨径桥梁由于结构形式与结构安全的重要性，成为交通线路的重中之中。大桥在投入使用后，不可避免地会受到外界因素（自然灾害、外荷载等）的影响，造成结构安全隐患，最终影响社会经济发展和人民生命财产的安全。 超大跨径桥梁结构健康监测关键技术主要以矮寨特大悬索桥（吉茶高速公路控制性工程，创造了最大峡谷跨径、塔梁完全分离结构设计、轨索滑移法架梁以及岩锚吊索结构四项世界第一）为工程依托，在课题组累积的前期研究基础之上，从监测系统整体效能优化设计、健康监测元器件开发、结构损伤分析与评估等方面开展了深入系统的研究，主要内容及创新点包括： （1）针对桥梁健康监测与评估系统功能划分不明确、系统框架不完全等问题，结合现代计算机通信技术，提出了基于网格的超大跨径桥梁结构健康监测系统。对桥梁结构健康监测系统中评估分析模块效率低、系统间存在信息孤岛等问题进行了优化，最终实现健康监测系统评估功能共享。 （2）针对超大跨径桥梁监测任务点繁多，数据量大等问题，以K-L信息距离为理论基础，提出了K-L信息距离准则。利用该准则研究了超大跨径桥梁传感器优化布置方法，达到用最少测点监测桥梁全面状态的目的。 （3）研究了超大跨径桥梁有限元模型修正方法，提出了基于径向基函数的桥梁有限元模型修正方法，避免了传统的矩阵型和参数型模型修正中修正目标众多、监测自由度与有限元模型自由度不匹配的问题。 （4）根据桥梁的损伤机理与车匀速过桥时与桥梁的耦合特性，提出了基于动能能量比和小波包能量比边缘算子的桥梁结构损伤识别方法。 （5）提出了基于健康监测系统的桥梁拉索疲劳寿命预测方法，研发了低功耗便携式索力在线监测设备等桥梁结构监测元器件。 （6）研发了超大跨径桥梁结构健康监测综合系统，编制了《湖 桥梁建设的回顾和展望 改革开放以来，我国社会主义现代化建设和各项事业取得了世人瞩目的成就，公路交通的大发展和西部地区的大开发为公路桥梁建设带来了良好的机遇。十年来，我国大跨径桥梁的建设进入了一个最辉煌的时期，在中华大地上建设了一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大、现代化品位和科技含量高的大跨径斜拉桥、悬索桥、拱桥、PC连续刚构桥，积累了丰富的桥梁设计和施工经验，我国公路桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。现综述大跨径桥梁建设和发展情况。 斜拉桥 斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥有更大的跨越能力。由于拉索的自锚特性而不需要悬索桥那样巨大锚碇，加之斜拉桥有良好的力学性能和经济指标，已成为大跨度桥梁最主要桥型，在跨径200~800m的范围内占据着优势，在跨径800~1100m特大跨径桥梁角逐竞争中，斜拉桥将扮演重要角色。 斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成，选择不同的结构外形和材料可以组合成多彩多姿、新颖别致的各种形式。索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱，材料有钢、混凝土的。主梁有混凝土梁、钢箱梁、结合梁、混合式梁。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面，拉索材料有热挤PE防护平行钢丝索、PE 外套防护钢绞线索。 现代斜拉桥可以追溯到1956年瑞典建成的主跨 182.6米斯特伦松德桥。历经半个世纪，斜拉桥技术得到空前发展，世界已建成主跨200米以上的斜拉桥有200余座，其中跨径大于400m有40余座。尤其20世纪90年代以后在世界上建成的著名的斜拉桥有法国诺曼底斜拉桥（主跨856米），南京长江二桥钢箱梁斜拉桥（主跨628米）、福建青州闽江结合梁斜拉桥（主跨605米）、挪威斯卡恩圣特混凝土梁斜拉桥（主跨530米），1999年日本建成的世界最大跨度多多罗大桥（主跨890米），是斜拉桥跨径的一个重大突破，是世界斜拉桥建设史上的一个里程碑。（表一） 表一： In the schedule of the activity, the time and the progress of the completion of the project content are described in detail to make the progress consistent with the plan.城市大跨度桥梁施工的要点分析正式版 城市大跨度桥梁施工的要点分析正式 版 下载提示：此解决方案资料适用于工作或活动的进度安排中，详细说明各阶段的时间和项目内容完成的进度，而完成上述需要实施方案的人员对整体有全方位的认识和评估能力，尽力让实施的时间进度与方案所计划的时间吻合。文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用。 摘要：随着城市经济的快速发展，大跨度桥梁在城市当中越来越多的出现，但是大跨度桥梁的施工技术要求高、难度大，对施工过程中的质量控制和管理提出了更高的要求，在施工过程中需要做好几何、应力、稳定和影响因素控制，但是大跨度桥梁本身就有很多种，这无疑增加了施工技术难度。本文根据已有的研究资料详细论述了大跨度桥梁施工过程中应该注意的一些问题，在详细分析影响其施工质量因素的基础上，提出了一些施工质量方面的对策建议，以期能够提高城市大跨度 桥梁的施工水平。 关键词：大跨度；桥梁；施工 1.影响大跨度桥梁施工质量的因素分析 从实践的角度来看，影响大跨度桥梁施工质量的因素有很多，这些因素主要表现在施工材料、技术管理、设备运行等方面上，在大型桥梁施工过程当中应该在做好施工质量控制与过程管理的基础上，要针对影响施工质量的一些重点因素，采取专门的施工管理措施，保障桥梁施工的各个重点控制部分的施工质量，保证整个施工过程中桥梁的质量都处于良好的控制状况。在大型桥梁施工当中，目前应力混凝土结构箱梁与灌注桩是桥梁施工应用最为 大跨度桥梁 1.大跨度桥梁现状及未来发展趋势 1.1斜拉桥 斜拉桥是现代大跨度桥梁的重要结构形式，特别是在跨越峡谷、海湾、大江、大河等不易修筑桥墩和由于地质的原因不利于修建地锚的地方，往往选择斜拉桥的桥型。它的受力体系包括桥面体系，支承桥面体系的缆索体系，支承缆索体系的桥塔。斜拉桥不仅能充分利用钢材的抗拉性能、混凝土材料的抗压性能，而且具有良好的抗风性能和动力特性。它以其跨越能力大，结构新颖而成为现在桥梁工程中发展最快，最具有竞争力的桥型之一。 斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。 斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。目前为止建成或正在施工的斜拉桥共有30余座，仅次于德国、日本，而居世界第三位。而大跨径混凝土斜拉桥的数量已居世界第一。 中国至今已建成各种类型的斜拉桥100多座，其中有52座跨径大于200米。20世纪80年代末，我国在总结加拿大安那西斯桥的经验基础上，1991年建成了上海南浦大桥（主跨为423米的结合梁斜拉桥），开创了中国修建400米以上大跨度斜拉桥的先河。我国已成为拥有斜拉桥最多的国家。 今后斜拉桥的体系多以漂浮式或半漂浮为主。半漂浮式可用柔性墩或在塔上设水平拉索阻止桥面过分的漂浮，所有这些都是为了抵抗温度变形及地震。 斜拉桥的发展趋势主要表现在如下几个方面： 1）桥面继续轻型化，跨径继续增大，中小跨径也具有竞争力 2）塔架构的多样化 3）多跨多塔斜拉桥 1.2悬索桥 悬索桥是特大跨径桥梁的主要形式之一，除苏通大桥、香港昂船洲大桥这两座斜拉桥以外，其它的跨径超过1000m以上的都是悬索桥。如用自重轻、强度很大的碳纤维作主缆理论上其极限跨径可超过8000m。 迄今为止世界上已出现三个悬索桥大国，即美国、英国与日本。全球各类悬索桥的总数已超过100座。 美国在悬索桥的发展上花了将近100年的时间，技术上日趋成熟，为全球悬索桥的发展奠定了基础，并首先使悬索桥成为跨越千米以上的唯一桥型。美国的悬索桥由于出现较早，在风格上有与其时代相适应的特色，主要有一下各点： （1）主缆采用AS法架设。 （2）加劲梁采用非连续的钢桁梁，适应双层桥面，并在桥塔处设有伸缩缝。 （3）桥塔采用铆接或栓接钢结构。 （4）吊索采用竖直的4股骑跨式。 （5）索夹分为左右两半，在其上下采用水平高强螺栓紧固。 （6）鞍座采用大型铸钢件。 （7）桥面板采用RC构件。 英国的悬索桥由于出现较晚些，顾自成流派。其主要特点如下： （1）采用流线型扁平钢箱梁作为加劲梁。 （2）早期采用铰接斜吊索。 （3）索夹分为上下两半，在其两侧采用垂直于主缆的高强螺栓紧固。 （4）桥塔采用焊接钢结构或钢筋混凝土结构。 2016级大跨度桥梁考查题（每题10分，共100分） 一、简述悬索桥中主缆无应力索长的计算思路和方法？ 答：悬索桥中、边跨中，各索股由索夹紧箍成一条主缆， 因而，通过求解主缆中线再 求索股的无应力长度。但是，悬索桥不同于其他的桥型，其主缆线形并不能由设计者人为确定，而需根据成桥状 态的受力而定。所以，先确定成桥状态主缆各控制点(IP 点和锚点)的位置、矢跨比和主缆的截面几何形状参数、材料参数等，再采取解析迭代法，确定主缆的线形，并求解主缆的缆力和主缆中线的有、无应力长度，然后进一步求解包括锚跨在内的索股长度。 主缆自由悬挂状态下，索型为悬链线。取中跨曲线最低点 为坐标原点，则对称悬链线方程为： 式中：c=H/q ；H 为索力水平投影；q 为主缆每延米重。 主缆自重引起的弹性伸长量为： 主缆无应力长度为： 210S S S S ?-?-= 根据成桥状态主缆的几何线型、桥面线型，求得各吊索的 有应力长度，扣除弹性伸长量，即得吊索无应力长度。 二、简述悬索桥中主索鞍为何要设置边跨方向的预偏？ 答：在空缆状态,由于桥塔相邻跨主缆的无应力长度不同,导致相邻跨主缆水平分力不等。此时,若索鞍仍保持在成桥位置,会使主塔承受较大的不平衡力,需要通过桥塔自身变形来平衡。然而在实际情况中,靠主塔变形改变跨度,减小不平衡力是不现实的,需要通过索鞍的偏移或偏转来调整各跨主缆的张力,使相邻跨主缆在索鞍处保持平衡状态,此时的偏移量或偏转量就是索鞍的预偏量。 悬索桥桥塔设计的合理成桥状态是塔顶没有偏位，塔底没有弯矩，此时塔顶相邻跨主缆水平分力相等。在空缆状态，由于桥塔相邻跨主缆的无应力长度不同，导致相邻跨主缆水平分力不等。此时，若索鞍仍保持在成桥位置，会使主塔承受较大的不平衡力，需要通过桥塔自身变形来平衡。然而在实际情况中，靠主塔变形改变跨度，减小不平衡力是不现实的，需要通过索鞍的偏移或偏转来调整各跨主缆的张力，使相邻跨主缆在索鞍处保持平衡状态。 三、简述主缆和吊索的安全系数一般如何设计取值？ 大跨度贝雷桥施工工法 中铁六局集团有限公司桥隧分公司 1前言 随着我国水电建设事业的发展，大部分江河的水电梯级开发已延伸到上游，工程地点多处于地形复杂、交通不便的西部山区，为主体工程服务的进场便道也多跨越水流湍急的江河。施工地点经常处于人烟稀少、交通及不便利的山区。雅砻江卡拉、杨房沟水电交通专用公路土建X标进场便道位于雅砻江上游右岸，施工区域位于雅砻江左岸，无任何道路通往江对岸施工区域。工程施工前期，没有大型机械设备，水中桥墩施工难度很大。我们采用主跨60.96m贝雷钢便桥一跨过江，缩短了便桥的施工时间，为主体工程施工争取了时间。我们将贝雷桥施工技术进行总结形成本工法。 2工法特点 2.1贝雷桥比缆索桥通车运行安全、稳定，运输物资量大； 2.2架桥设备只需挖掘机、千斤顶等，不需要大型起重设备，速度快、易操作、效率高； 2.3总体结构简单、施工安全、施工周期短。 3适用范围 本工法适用于跨江、河、沟谷等地段，特别是工程工期紧，运送物资量大，水中墩施工有难度的工点。 4工艺原理 利用“悬臂推出法”架设上部钢桥，所谓“悬臂推出法”就是在河流两岸先安装好摇滚和平滚，桥梁的大部分构件在推出岸的滚轴上先拼装好，然后用人力或机械牵引，将桥梁平稳而缓慢地推出，直达对岸摇滚后就位。 拼装前的贝雷钢桥的桥跨结构的核算，各种组合各种跨径桥梁的 鼻架节数，推出重量和鼻架端挠度，鼻架长度要符合下列规律，即：鼻架的节数=桥梁节数/2+1。例如：双排单层24m桥梁的鼻架为：8/2+1=5 节。对于奇数节桥梁其节数除2后取整数再加1。 图4-1钢桥悬臂推出法布置图 5施工工艺流程及施工要点 5.1施工参数的设计 便桥设计单向单车通行，桥面净宽4.2米，主跨60.96m，设计荷载25吨，限速10km/h。基础采用C20片石混凝土扩大基础，墩台身采用C25混凝土，墩台帽采用C30钢筋混凝土。上部结构由ZQ-200型贝雷片拼装组成，主纵梁尺寸为3048mm×2134mm，钢桥总高度2546mm横断面布置分设桁架片4排结构，桁架间距为250+230+250mm；并用水平、竖向支撑架联接；每节桁架加装横梁两根，横梁由型钢H400mm×200mm×6000mm制作；桥内净宽4200mm，分设4块3042mm ×1050mm×135mm的钢桥面板。 桁架片及桥面系、横梁等上部主体结构均采用Q345B钢材，其余 我国大跨桥梁现状及发展趋势 改革开放以来，我国公路建设事业迅猛发展，作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也得到了相应发展，特别是近十年来，我国大跨径桥梁的建设进入了一个最辉煌的时期，一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大和科技含量高的大跨径桥梁相继建成，标志着我国的公路桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。近几年建成的特大桥梁，不少在世界桥梁科技进步中具有显著地位。诸如正在建设的重庆朝天门大桥是世界最大跨度钢拱桥，并创造了该类型桥梁十余项世界第一；苏通大桥以主跨1088m为世界第一跨度斜拉桥，同时成为世界上连续长度最大的双塔斜拉桥；润扬长江公路大桥南汊悬索桥，以1490m跨度为世界第三大悬索桥；刚通车的杭州湾跨海大桥为世界第一长跨海大桥；万县长江大桥为目前世界上跨度最大的混凝土拱桥；此外江阴长江公路大桥、香港青马大桥，其跨度分别在悬索桥中居世界第四位和第五位；南京长江二桥、白沙洲长江大桥、荆沙长江大桥、鄂黄长江大桥、大佛寺长江大桥、李家沱长江大桥等特大桥的跨度名列预应力混凝土斜拉桥世界前十位。 一座座桥，实现了天堑的跨越，缩短了时间与空间的距离，美化了秀美山川，为我国疆域的沟通和经济的腾飞起着了重要的作用。 随着科技的发展，新材料的开发和应用，在桥梁设计阶段采用高度发展的计算机辅助手段，进行有效的快速优化和仿真分析，运用智能化制造系统在工厂生产部件，利用GPS和遥控技术控制桥梁施工。目前，我国桥梁建设正在与国际接轨，开始向大跨、新型、轻质和美观方向发展。 （1）跨径不断增大 目前，世界上钢梁、钢拱的最大跨径已超过500m，钢斜拉桥为890m，而钢悬索桥达1990m。随着跨江跨海的需要，钢斜拉桥的跨径已经突破1000m，钢悬索桥将超过3000m。至于混凝土桥，梁桥的最大跨径为300m，拱桥已达420m，斜拉桥为530m。 （2）桥型不断丰富 本世纪50～60年代，桥梁技术经历了一次飞跃：混凝土梁桥悬臂平衡施工法、顶推法和拱桥无支架方法的出现，极大地提高了混凝土桥梁的竞争能力；斜 大跨度桥梁的发展趋势调研报告 大跨度桥梁的发展趋势调研报告 前言： 根据《公路桥梁设计规范》规定：单跨跨径大于40m即为大桥，一般认为单跨跨径大于100m的桥梁即为大跨度桥梁。随着世界经济的快速发展，大跨径桥梁的建设在20世纪末进入了一个高潮时期。众所周知，大跨径桥梁建设反映了一个国家的综合实力和科学技术的发展水平。近百年来。特别是本世纪30年代以来，世界上大跨径桥梁建设发展十分迅速。不同桥型大跨径桥梁的发展，日益被各国桥梁界人士所关注。中国进入90年代以来，出现了建造大跨径桥梁的高潮。进入21世纪的中国必将迎来更大规模的大跨径桥梁建设时期。随着中国城市建设和高等级公路、道路建设的发展，修建大跨径城市桥梁也将成为必然的趋势。城市大跨径桥梁，除考虑运输、航运、地理、地质、水文、环境等因素外，还有区别于跨越一般江河大跨径桥梁的特殊因素。因此应研究城市大跨径桥梁的特点和发展趋势，积极探索中国城市大跨径桥梁发展的有效途径，以推动桥梁建设事业的更大发展。 关键词：大跨度桥梁结构形式跨度历史现状发展 1.大跨度桥梁类型 大跨度桥梁在现今世界发展十分迅速。桥梁的发展史就是桥梁跨度不断增长的历史，也是桥型不断丰富的历史。大跨度桥梁可分为：斜拉桥、悬索桥、连续钢构、连续梁桥和拱桥。 1.1板式桥 板式桥（如图1.1）是公路桥梁中量大、面广的常见桥型，它构造简单、受力明确，能够采用钢筋混凝土和预应力混凝土结构；可做成实心和空心，就地现浇为适应各种形状的弯、坡、斜桥，因此，一般公路、高等级公路和城市道路桥梁中，广泛采用。特别是建筑高度受到限制和平原区高速公路上的中、小跨径桥梁，特别受到欢迎，从而能够减低路堤填土高度，少占耕地和节省土方工程量。 实心板一般用于跨径13m以下的板桥。因为板高较矮，挖空量很小，空心折模不便，可做成钢筋混凝土实心板，立模现浇或预制拼装均可。空心板用于等于或大于13m跨径，一般采用先张或后张预应力混凝土结构。先张法用钢绞线和冷拔钢丝；后张法可用单根钢绞线、多根钢绞线群锚或扁锚，立模现浇或预制拼装。成孔采用胶囊、折装式模板或一次性成孔材料如预制薄壁混凝土管或其它材料。 钢筋混凝土和预应力混凝土板桥，其发展趋势为：采用高标号混凝土，为了保证使用性能尽可能采用预应力混凝土结构；预应力方式和锚具多样化；预应力钢材一般采用钢绞线。板桥跨径 ( 安全论文 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 大跨度预应力混凝土桥梁施工 控制技术(通用版) Safety is inseparable from production and efficiency. Only when safety is good can we ensure better production. Pay attention to safety at all times. 大跨度预应力混凝土桥梁施工控制技术 (通用版) 摘要：预应力混凝土结构由于其具有能充分利用材料的高强度性能，有效防止混凝土裂缝，减轻结构自重，增大桥梁跨径，刚度大行车舒适等优点。桥梁施工控制是桥梁建设的安全保证。为了保证安全可靠的建好每座桥梁，施工控制将变得非常重要。 关键词：大跨度，预应力混凝土，桥梁施工 中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号： 预应力混凝土结构由于其具有能充分利用材料的高强度性能，有效防止混凝土裂缝，减轻结构自重，增大桥梁跨径，刚度大行车舒适等优点。桥梁施工控制是桥梁建设的安全保证。为了保证安全可靠的建好每座桥梁，施工控制将变得非常重要。 一、桥梁结构的理论计算分析 桥梁结构的理论计算通常用有限元素法进行分析,主要是对各节段施工工况下的相应截面的应力、位移进行分析,作为监测和施工控制的依据。目前桥梁施工控制的结构计算方法主要包括:正装分析法、倒装分析法和无应力状态计算法。正装计算法能较好地模拟桥梁结构的实际施工历程,得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态,同时,能较好地考虑结构的非线性问题和混凝土收缩、徐变等问题。对于大跨度预应力混凝土桥梁,首先必须进行正装计算。 施工预拱度应按照桥梁结构实际施工加载顺序的逆过程(倒装计算法)来进行结构行为计算和予以确定。只有按照倒装计算出的桥梁结构各阶段中间状态去指导施工,才能使桥梁的成桥状态符合设计要求。 在进行有限元分析时,根据其结构特点建模。一般地说,大跨度预应力混凝土梁桥可按空间(平面)梁单元进行分析。在选用计算分析软件时,应考虑工程应用的方便,选用国内外有相当声誉的正版结构有限元分析软件包(如桥梁博士、AN、SYS、COS2、MOS、SUPSAP、GQJS等)进行计算与分析,这些软件有很好的前后处理功能。结构载 大跨度桥梁结构理论专题研究之一?1．桥梁结构的可靠度研究（可选任一类桥梁，如梁、拱、索桥等） ?2．大跨桥梁的结构静、动力分析（可选任一类桥梁，如梁、拱、索桥等） ?3．桥梁结构全寿命耐久性设计的主要理论和方法及应用 ?4．钢桥的疲劳分析与试验研究及应用 ?5．新型材料在大跨桥梁中的应用 ?6．大跨桥梁检测与质量评定技术研究（可选任一类桥梁，如梁、拱、索桥等）7．大跨斜拉桥施工智能监控研究（悬臂灌注，悬臂拼装） ?8．大跨拱桥施工智能监控研究（悬臂拼装，转体施工） ?9．大跨桥梁健康监测与评估（可选任一类桥梁，如梁、拱、索桥等） ?10．钢桥合理刚度与冲击系数研究（高速铁路300km/h） ?11．局部稳定与整体稳定分析 ?12．高速铁路车桥共振的危险性分析研究（可选任一类桥梁，如梁、拱、索桥等） ?13．大跨度桥梁抗震设计减震隔震桥研究（可选任一类桥梁，如梁、拱、索桥等） ?14．斜拉桥拉索的风雨振与制减震措施研究 ?15．钢桥长效防腐涂装技术研究, ?16．大跨度桥梁深水基础工程的设计施工技术与监测分析研究 ?17. 国内外钢桥规范的对比研究（荷载与荷载谱的不同，抗弯构件，拉压构件，稳定，疲劳等； 中国，日本，美国，欧洲，俄罗斯） ?18. 自选与大跨桥相关的科研课题 ?19. 自列题目做一篇大跨桥梁的论文---与导师的研究方向相同或不同均可以。 课程报告要求: ?1、PPT文件，可报告10分钟左右，并负责研讨回答问题。 ?每人做一篇课题研究的报告，希望有一定深度；在课堂上交流！ ?2、大跨度桥梁专题研究书面报告---上交老师和学校留存记分！ ?书面打印稿格式要求（word 文档A4纸，空白左边2.5cm,上下右均为2cm；1.25倍行间距）； 字体要求: 报告大标题: 宋体2 号字 第一层次标题: 宋体小 3 号字 第二层次标题: 宋体 4 号字 第三层次标题: 宋体小4 号字 正文字体: 宋体 5 号字 标题:排序号: 1. 1.1, 1.2,… 1.1.1, 1.1.2 ,… 1) 2),…; (1),(2),.. ①,②,… 提交给老师电子版WORD和书面打印稿（书面打印稿上交学院研究生科---计入课程成绩）雷老师的电子邮箱: jqlei@https://www.doczj.com/doc/c98953385.html,, 电子版WORD 请发送这个邮箱. 大跨度桥梁实用几何非线性分析(1) 本文从简单实用的角度论述了空间杯系结构的几何非线性分析理论。文中分析了非线性有限元方法的求解过程，特别强调决定几何非线性收敛结果的关键问题，即由节点位移增量计算单元的内力增量。通过引入随转坐标系，论述了平面和空间梁单元小应变变形时单元内力增量的计算问题。用本文方法可以分析大跨度桥梁结构的六位移大旋转问题。并且用实桥算例进行了验证。 关键词：大跨度桥梁几何非线性实用分析非线性有限元小应变理论江阴长江大桥 一. 引言． 现代大跨度桥梁等工程结构的柔性特征已十分明显，对于这些结构考虑几何非线性的影响己必不可少。并且，计算机能力的大大提高也使得分析大型复杂结构的非线性问题成为可行。80 年代国外对几何非线性问题的发展已相当完善［1，2］，国内在这方面也做了不少的工作［4－6］ 在工程结构几何非线性分析中，按照参考构形的不同可分为TL(Total Lagranrian) 法和UL(Updated Lagrangian) 法［1］。后来，引入随转坐标系后又分别得出CR (Co-rotational)-TL 法和CR- LU法［2,3］，在工程中UL (或CR-UL法应用较多。以前的文献大都对结构的几何刚度矩阵进行了复杂而详细的推导。从文中的分析可以发现，结构几何刚度矩阵的精确与否并不实质性地影响迭代收敛的最终结果，求解几何非线性问题的关键在于如何由节点位移增量准确地计算出单元的内力增量，而这一点以前文献都没有提到过。因此，本文的重点放在论述单元内力增量的计算上。 工程上很早就开始使用拖动坐标系来求解大跨度桥梁结构的大挠度问题，本文则把它应用到单元内力增量的计算中。从实质上说，这里的拖动坐标系与上面提到的随转坐标系没有区别。因此，在理论方法上，目前文中的方法可以归类到CR- UL 法。但由于本文重点不在于详细介绍这种方法的理论体系，所以论述中均不再使用该名词。本文的目的主是通过简化复杂的几何非线性分析方法，推广该方法在实际工程中的应用。 、非线性商限元求解过程对于工程结构的非线性问题，用有限元方法求解时的非线性平衡方程可写成以下的一般形式： Fs( S) -P0 (S) =0 (l ) 其中，为节点的位移向量；Fs( S )为结构的等效节点抗力向量，它随节点位移及单元内力而变化；PO(S )为外荷载作用的等效节点荷载向量，大跨度桥梁实用几何非线性分析.
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