悬索桥空间主缆分析

(1)悬索桥的构造‎组成: 悬索桥是由主‎缆、加劲梁、桥塔、鞍座、锚固构造、吊索等构件构‎成的柔性悬吊‎组合体系。

成桥后，主要由主缆和‎桥塔承受结构‎的自重，结构共同承受‎外荷载作用，受力按刚度分‎配。

(2)主缆：主缆是悬索桥‎的主要承重构‎件，除承受自身恒‎载外，缆索本身通过‎索夹和吊索承‎受活载和加劲‎梁(包括桥面系)的荷载。

除此以外主缆‎还承担一部分横向风荷载‎，并将它传递到‎桥塔顶部。

主缆不仅可以‎通过自身弹性‎变形，而且可以通过其几‎何形状的改变‎来影响体系平‎衡，表现出大位移‎非线性的力学‎特征，这是悬索桥区‎别于其他桥梁‎结构的重要特‎征之一。

主缆在恒载作‎用下具有很大‎的初始张拉力，对后续结构形‎状提供强大的‎“重力刚度”，这是悬索桥跨‎径得以不断增‎大、加劲梁高跨比‎得以减小的根‎本原因。

主索鞍：主索鞍在桥塔‎上，用来支承和固‎定主缆，通过它可以使‎主缆的拉力以垂直力和‎不平衡力的方‎式均匀地传递‎到塔顶。

(2)悬索桥的结构‎特点①主缆是几何可‎变体，只承受拉力作‎用。

主缆通过自身‎的弹性变形和‎几何形状的改变来影‎响体系的平衡‎。

所以悬索桥的‎平衡应建立在‎变形后的状态‎上。

②主缆在初始恒‎载作用下，具有较大的初‎拉力，使主缆保持着‎一定的几何形‎状。

当外荷载作用‎时，缆索发生几何‎形状的改变。

初拉力对在外‎荷载作用下产‎生的位移存在着‎抗力，它和位移有关‎，反映出缆索几‎何非线性的特‎性。

③改变主缆的垂‎跨比将影响结‎构的受力和刚‎度。

垂跨比增大，则主缆的拉力‎减小，刚度减小，恒、活载作用产生‎的挠度增大。

④悬索桥的跨度‎越大，加劲梁所受竖‎向活载的影响‎越小，竖向活载引起‎的变形也越小。

⑤增大加劲梁的‎抗弯刚度对减‎小悬索桥竖向‎变形的作用不‎大，这是因为竖向‎变形是悬索桥‎整体变形的结‎果。

加劲梁的挠度‎受到主缆变形‎的影响，跨度增大时加劲梁在承受‎竖向荷载方面‎的功能逐渐减‎小到只能将活‎荷载传递给主‎缆，其自身刚度的贡献较‎小。

空间缆悬索桥主缆牵引系统布置浅析摘要：悬索桥主缆牵引施工为悬索桥上部结构施工重要工序，其设计的合理性直接影响牵引效率和施工工期，本位针对空间缆悬索桥施工为例，从施工布置和设计思路等方面做了简要说明，为后续空间缆悬索桥主缆牵引施工提供了一些思路。

关键词：空间主缆悬索桥主缆牵引施工1 概述1.1 桥梁概况挪威哈罗格兰德大桥位于挪威诺德兰郡纳尔维克市，为世界上已建成通车的跨径最大的空间主缆悬索桥，同时也为北极圈内跨径最大的悬索桥。

该桥主桥为双塔单跨钢箱梁悬索桥，主跨长度为1145m，K岸侧（Karistranda）、O岸侧（Oyjord）边跨长度分别为250.94 m和225.26m，锚跨各长15.73m和15.01m。

桥塔为钢筋混凝土塔柱，K岸和O岸塔高分别为175.7m和170.1m，采用A字形变截面。

桥塔基础采用双圆形沉箱基础，K岸和O岸分别建于水深29m和19m处。

K岸尺寸为直径9.5m，高27.6m、O岸尺寸为直径9.5m，高14.7m，嵌岩深度分别为5.8m和8.2m。

K岸和O岸锚碇采用预应力岩锚基础。

大桥单根主缆由40根通长索股组成，K岸和O岸各设置4根和2根背索，单根索股采用127丝φ5.96 mm、抗拉强度1770MPa的镀锌高强钢丝。

全桥共设置110根吊索，吊索纵向间距20m，吊杆倾斜布置，竖向倾角介于2.95°～7.73°。

钢箱梁采用单箱室扁平流线型钢箱梁，正交异性钢桥面板，总长1145m（见图1），垂跨比1/10，共划分为30个节段。

节段重量为120～250t，总重约7300t。

箱梁宽度为18.6m，高度3.0m，横桥向坡度为3%。

包括外侧一条3.5m宽自行车道，钢箱梁桥面最高点高度44.2m。

桥面布置为双向2车道，车道宽度4.8m。

图 1 哈罗格兰德大桥效果图布置（单位：m）1.2 建桥条件大桥地处北极圈内，冬季长达7个月以上，极寒且伴随强降雪，这对结构耐久性提出挑战；加之北极圈内特有的极夜气候，夜长昼短，施工难度大。

大跨径悬索桥主缆成桥线形计算方法研究及应用大跨径悬索桥是一种建筑结构工程中常见的桥梁形式，它的主要特点是利用悬索的拉力来支撑桥梁的自重和荷载。

而主缆则是悬索桥中起到主要承载作用的部分。

本文将研究大跨径悬索桥主缆的成桥线形计算方法，并探讨其在实际应用中的相应应用。

在进行大跨径悬索桥主缆成桥线形计算方法研究之前，首先需要了解大跨径悬索桥的基本概念和构造。

大跨径悬索桥由悬索、主缆、主塔等组成。

其中，主缆被悬挂在主塔上，作为悬索的延伸，并用于支撑桥面板。

主缆的成桥线形是指主缆在自重和荷载的情况下所形成的曲线形状。

大跨径悬索桥主缆成桥线形计算方法的研究是基于力学原理和结构力学的分析。

首先，需要确定主缆的初始线形，通常可以假设为一定的曲线形状，如悬链线形。

然后，根据桥面板的自重和荷载情况，通过数值计算或解析计算的方法，确定主缆的悬挂点位置以及推力大小。

对于大跨径悬索桥主缆成桥线形计算方法的应用，可以分为以下几个方面。

首先，主缆成桥线形的计算可以用于确定主缆的几何参数，包括主缆的长度、形状和初始线形等。

这些参数的确定对于设计和施工是非常重要的。

其次，主缆成桥线形的计算可以用于确定主缆的受力情况，包括主缆的张力和弯矩等。

这些受力情况的计算可以用于判断主缆是否满足设计要求，以及确定主缆的安全性和可靠性。

最后，主缆成桥线形的计算也可以用于对已建成的大跨径悬索桥进行检测和监测，以保证桥梁的正常使用和运行。

在实际应用中，大跨径悬索桥主缆成桥线形的计算涉及到多种计算工具和方法。

其中，常用的方法包括有限元方法、近似解法和经验公式等。

这些方法各有优缺点，在具体应用中需要综合考虑工程的实际情况和计算精度的要求，选择合适的计算方法。

综上所述，大跨径悬索桥主缆成桥线形计算方法的研究及应用是一项重要的工作。

通过对主缆成桥线形计算方法的研究，可以为大跨径悬索桥的设计、施工和监测提供重要的理论依据和技术支持。

在实际应用中，需要综合考虑多种计算方法和工具，以确保计算结果的准确性和可靠性。

大跨径悬索桥主缆线形分析目录第一章绪论 (1)1.1概述 (1)1.2国内外研究现状 (3)1.3本文主要研究目的及内容 (5)1.3.1 本文研究目的 (5)1.3.2 本文研究的主要内容 (5)1.3.4 本文研究的技术路线 (7)第二章悬索桥分析理论和主缆线形计算方法 (8) 2.1悬索桥分析理论 (8)2.1.1 弹性理论 (8)2.1.2 挠度理论 (9)2.1.3 非线性有限元理论 (10)2.2主缆成桥线形计算方法 (11)2.2.1 抛物线法 (11)2.2.2 分段悬链线法 (15)2.2.3 有限元法 (20)2.3主缆空缆线形计算方法 (26)2.3.1 悬链线法 (26)2.3.2 有限元法 (28)2.4本章小结 (29)第三章悬索桥主缆线形计算分析 (30)3.1工程概况 (30)3.1.1 依托工程简介 (30)3.1.2 主要材料特性 (38)3.1.3 主缆设计点坐标 (38)3.1.4 主缆下料长度 (41)3.2主缆成桥线形计算分析 (43)3.2.1 抛物线法 (43)3.2.2 分段悬链线法 (44)3.2.3 有限元法 (45)3.2.4 成桥线形对比分析 (47)3.3主缆空缆线形计算分析 (52)3.3.1 悬链线法 (52)3.3.2 有限元法 (53)3.3.3 空缆线形对比分析 (55)3.4主缆施工阶段线形分析 (59)3.4.1 施工过程模拟 (59)3.4.2 施工阶段主缆控制点变化分析 (61) 3.5主缆线形计算方法适用性分析 (65) 3.5.1 主缆成桥线形计算方法适用性 (65) 3.5.2 主缆空缆线形计算方法适用性 (67) 3.6本章小结 (69)第四章主缆无应力索长计算分析 (71) 4.1抛物线法 (71)4.2分段悬链线法 (72)4.3有限元法 (73)4.4索鞍无应力索长修正 (76)4.4.1 计算理论 (76)4.4.2 修正结果 (78)4.5无应力索长对比分析 (78)4.6本章小结 (81)第五章主缆线形参数影响分析 (82)5.1主缆线形影响参数 (82)5.2主缆弹性模量影响 (83)5.2.1 弹性模量方案选取 (83)5.2.2 弹性模量对主缆线形影响分析 (84) 5.3索股自重影响 (88)5.3.1 索股自重荷载集度方案选取 (88)5.3.2 索股自重对主缆线形影响分析 (88)5.4主缆跨度影响 (92)5.4.1 主缆跨度方案选取 (92)5.4.2 主缆跨度对主缆线形影响分析 (93)5.5温度影响 (95)5.5.1 温度效应计算原理 (95)5.5.2 温度变化方案选取 (96)5.5.3 温度变化对主缆线形影响分析 (97)5.6本章小结 (101)结论与展望 (102)参考文献 (104)攻读学位期间取得的研究成果 (107)致谢 (108)第一章绪论第一章绪论1.1 概述悬索桥以悬索结构为主要承重构件，主缆、吊杆、锚碇、主塔、加劲梁和桥面铺装为悬索桥主要组成部分，自古以来这种悬索状的桥型就存在，通常被称作吊桥[1]。

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 建模助手图1 悬索桥建模助手图1是悬索桥建模助手设置对话框，参考帮助说明文档，掌握各参数含义与使用须知。

在使用该建模助手时，经常碰到如下疑问：1）对于小跨径的人行索桥，没有边跨如何建模？2）桥面系荷载如何正确定义？3）横向力如何计算？解决了上述疑问，才能正确的使用悬索桥的建模助手。

对于问题1，即要实现如图2的结构布置：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与吊杆的布置。

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，如以下图所示：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，每根吊杆承当的荷载值为相邻吊杆间距围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，对于不同跨径围，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，程序输出横向力（主缆水平分力），如以下图：图6 实际形状与横向力横向力计算过程如下：利用节线法求主缆初始坐标与初始横向力，分为2步骤：首先根据桥面恒载值，等效为吊杆处的节点荷载，进行初次计算，得到相应的主缆坐标和横向力；然后，考虑主缆和吊杆自重，再迭代分析（主缆坐标影响自重，自重反过来也影响主缆坐标），满足收敛条件，最后得到主缆的初始形状和初始横向力。

悬索桥主缆架设施工中存在的问题与优化摘要：悬索桥施工，重点在于主缆架设环节，这一环节的作业效率与质量对工程整体建设质量具有决定性影响，决定着悬索桥是否足够安全与稳定。

因此，要重点关注悬索桥工程施工中的主缆架设施工环节，根据可能出现的问题提出针对性解决方法，提升主缆架设可靠性，从而辅助保证悬索桥工程质量。

以真实悬索桥工程作为研究角度，分析工程的情况提取其中施工问题，提出问题解决方法，之后对悬索桥主缆架设施工的综合优化措施进行深入探究。

关键词：悬索桥工程；主缆；架设施工；问题；优化主缆是悬索桥的重要构成部分，绝壁连接桥塔与桥锚、传递桥面系自重、车辆荷载、桥梁上部结构自重的作用。

主缆架设施工质量对悬索桥工程整体质量起到决定性作用，直接关系着悬索桥是否能发挥各项功能，是否具备较强安全性能。

牵引施工问题、索股入鞍问题、调整作业问题等是本次施工中容易出现的情况。

针对这些问题，需要在具体工序中采取措施，严谨落实各项架设操作，规避此类问题[1]。

同时，要加强对主缆架设施工的优化，根据工程实际情况规范施工过程；也可以借助先进软件模拟施工过程，有效提升索缆系统施工质量，保证达成主缆架设目的。

1.具体工程CT长江大桥工程（下文均以“大桥工程”代替）全长1600m。

桥梁工程分为两部分，具体情况为：（1）跨江主线路全长880m，采用双塔单跨结构，主缆的间距29.2m，分三跨，具体数据为250m+880m+250m；IP点高程为+372.5m。

（2）两岸的引桥，主缆高程分别为+248.0m、+253.0m，两侧横桥与中心的间距是39.2m。

“大桥工程”的主缆的材质是镀锌高强度钢，结构是预制平行钢丝索股，索股是由110股127 5.1mm构成，钢丝的标准抗拉强度≥1770MPa。

本次主缆架设施工中，为了确保索股架设施工过程中的界面形状，施工人员需要沿着索股长度方向进行绑扎，每隔1.5m进行一次绑扎，让钢丝索股的界横截面呈正六边形（如图一），索股的标志丝在截面的左上角，用来控制索股架设时不扭转；标准丝在横截面的右上角，起到控制索股整体长度的作用。

悬索桥空间静力分析摘要：对悬索桥建立空间模型进行项目齐全、内容丰富的全桥静力分析可以全面了解悬索桥的受力特性，而且对于各构件检算、乃至工程量计算都是必不可少的。

本文以武汉阳逻长江公路大桥为例详细介绍了悬索桥空间静力分析的各项内容及得出的结果。

1．概述悬索桥是以主缆受拉为主要承重构件的桥梁结构，具有跨越能力最大，受力明确，最能发挥材料强度和造价经济等特点，同时还具备整体造型流畅美观和施工安全快捷等优势。

本人作了武汉阳逻长江公路大桥的全桥空间静力分析。

阳逻大桥主跨1280m，北、南边跨分别为250 m及440m。

计算内容包括全桥竖向、纵向、侧向分析。

针对不同构件，按最不利荷载组合给出控制构件设计的内力和位移。

2．计算方法全桥静力分析采用完全非线性空间分析方法，计入几何非线性的全部因素，并自动纳入悬索桥各构件、尤其是主缆的恒载内力对结构特性的影响。

计算模型的每个结点有六个自由度，单元为空间单元，其中主缆及吊索为有初始轴力的空间杆单元。

主缆在锚碇前锚面固接，加劲梁梁端纵向位移及两个方向转角自由。

为了更全面反映本桥大跨度悬索桥的本质特征，本次计算采用空间模型。

计算采用的荷载包括汽车活载、温度荷载、风荷载。

单元图示见图1。

主梁中跨最大侧向弯距：41640t.m4．主要计算结果汇总4．1主缆拉力各工况主缆不同位置截面拉力见表1：（单根主缆）表14．2吊索拉力恒载作用下各吊索拉力基本相同，汽车活载作用时跨中吊索拉力略大于其它位置；体系温度变化时，主塔附近第一根吊索索力变化稍大于其它吊索。

吊索恒载拉力：153.7t（单索）汽车活载：46.5t（跨中）体系升温：0.5t (跨中)吊索最大拉力：200.7t4．3塔顶位移及反力各工况北塔、南塔塔顶位移及反力见表2：（单柱）表24．4加劲梁挠度计算结果各计算截面加劲梁最大挠度见表3：表3续表3表4续表2.4。

悬索桥主缆精确找形的广义悬链段模型法悬索桥是一种桥梁，它利用支撑结构和受力结构，通过两个或多个墩台、支撑和底板支撑的悬空部分实现跨越，并将悬空部分悬挂在支座上形成空间架构，以承载力自重或外力。

悬索桥的关键部位是主缆，它的准确形状与悬索桥的安全及经济性有关，因此对悬索桥主缆的准确形状的精确研究及设计检验是必要的。

近年来，随着工程数学模型方法的发展，对悬索桥主缆精确求形已取得较大进展，提出了一种新的数学模型方法广义悬链段模型法，简称GCSM法，用来解决悬索桥主缆精确求形问题。

GCSM法是将悬索桥结构转换为一系列悬链段，利用悬链段中形状参数和强度参数的有效组合，来求解悬索桥主缆的精确形状。

GCSM 法的优势在于能够同时满足理论计算及实际设计的要求，它解决了传统悬索桥设计计算精度低，力学优化复杂等问题，使得悬索桥设计及构件校核更加准确迅速。

GCSM法的建立引入了悬索桥结构力学的假设，其基本原理是以悬索桥结构受力方式对主缆进行约束，用悬链段的形状参数来描述主缆的准确形状。

GCSM法的坐标系分为主缆坐标系和支座坐标系，悬链段坐标系为各段在主缆坐标系中的受力表示，而支座坐标系则是针对支座出力的非曲线特性提出一种有效表示。

GCSM法主要有三个步骤组成，即力学建模、坐标计算及形状优化。

GCSM法以悬索桥实际受力情况为基础，建立了力学模型，再根据支座原点坐标和悬链段坐标系，以及约束力学方程求解主缆形状。

最后，在满足悬索桥出力、支座力及悬索桥弯曲分布等要求的前提下，运用悬索桥构件剪力重叠率等强度和受力要求约束，将悬索桥形状优化为最优设计，最终确定悬索桥主缆的精确形状。

GCSM法在计算悬索桥主缆形状时，能够更好地利用悬索桥的受力方式、支座的约束性以及悬索桥构件的力学受力特性，使悬索桥设计更加准确，有效地提高了悬索桥设计技术水平。

因此，广义悬链段模型法可以精确求解悬索桥主缆的准确形状，并将悬索桥设计及构件校核更加准确迅速，因此已被广泛应用于悬索桥的设计与验算中。