斜拉桥与悬索桥计算理论简析
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分别从结构构造、力学特性、适用范围、结构内力计算方法以及主要施工工艺五个方面对梁式桥、拱式桥、悬索桥与斜拉桥进行对比分析总结。
一、梁桥以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁。
主梁可以是实腹梁或者是桁架梁(空腹梁)。
实腹梁外形简单,制作、安装、维修都较方便,因此广泛用于中、小跨径桥梁。
但实腹梁在材料利用上不够经济。
桁架梁中组成桁架的各杆件基本只承受轴向力,可以较好地利用杆件材料强度,但桁架梁的构造复杂、制造费工,多用于较大跨径桥梁。
桁架梁一般用钢材制作,也可用预应力混凝土或钢筋混凝土制作,但用的较少。
过去也曾用木材制作桁架梁,因耐久性差,现很少使用。
实腹梁主要用钢筋混凝土、预应力混凝土制作,也可以用钢材做成钢钣梁或钢箱梁。
实腹梁桥的最早形式是用原木做成的木梁桥和用石材做成的石板桥。
二、拱桥是以承受轴向压力为主的拱(称为主拱圈)作为主要承重构件的桥梁。
1.按照主拱圈的静力图式,拱轿可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱(图3 拱桥形式示意图)。
(1).三铰拱是静定结构,其整体刚度较低,尤其是挠曲线在拱顶铰处产生折角,致使活载对桥梁的冲击增强,对行车不利。
拱顶铰的构造和维护也较复杂。
因此,三铰拱除有时用于拱上建筑的腹拱圈外,一般不用作主拱圈。
(2).两铰拱取消了拱顶铰,构造较三铰拱简单,结构整体刚度较三铰拱为好,维护也较三铰拱容易,而支座沉降等产生的附加内力较无铰拱为小,因此在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方,可采用两铰拱桥。
(3).无铰拱属三次超静定结构,虽然支座沉降等引起的附加内力较大,但在荷载作用下拱的内力分布比较均匀,且结构的刚度大,构造简单,施工方便,因此无铰拱是拱桥中,尤其是圬工拱桥和钢筋混凝土拱桥中普遍采用的形式。
2.按照主拱圈的构成形式,拱又可分为板拱、肋拱、双曲拱、箱形拱、桁架拱等(图4主拱圈的构成形式示意图)。
①板拱:拱圈横截面呈矩形实体截面,它横向整体性较好、拱圈截面高度小、构造简单,但抵抗弯矩能力较差,一般用于圬工拱桥。
第六章悬索桥及斜拉桥第一节悬索桥及斜拉桥的分类及构造一、悬索桥、斜拉桥的分类(一)悬索桥悬索桥也称吊桥,是指利用主缆和吊索作为加劲梁的悬挂体系,将桥跨所承受的荷载传递到桥塔、锚碇的桥梁。
其主要结构由主缆、索塔、锚碇、吊索、加劲梁组成。
悬索桥的类型可根据悬吊跨数、主缆锚固方式及悬吊方式等方面加以划分。
1.按悬吊跨数分类其结构形式如图6-1。
其中单跨悬索桥和三跨悬索桥最为常用。
图6-1 悬吊跨数不同的悬索桥a)单跨悬索桥;b)三跨悬索桥;c)四跨悬索桥;d)五跨悬索桥1)单跨悬索桥2)三跨悬索桥3)多跨悬索桥图6-2 联袂布置的悬索桥2.按主缆的锚固方式分类按主缆的锚固形式划分,可分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。
3.根据悬吊方式分类1)采用竖直吊索并以钢桁架作加劲梁,如图6-4所示。
2)采用三角布置的斜吊索,并以扁平流线形钢箱梁作加劲梁,如图6-5所示。
3)混合式,即采用竖直吊索和斜吊索,流线形钢箱梁作加劲梁。
如图6-6所示。
图6-4 采用竖直吊索桁式加劲梁悬索桥图6-5 采用斜吊索钢箱加劲梁的悬索桥图6-6 带斜拉索的悬索桥4.按支承结构分类图6-7 按支承构造划分悬索桥形式a)单跨两铰加劲梁;b)三跨两铰加劲梁;c)三跨连续加劲梁(二)斜拉桥斜拉桥的主要组成部分为主梁、索塔及拉索。
1.按索塔布置方式分1)单塔式斜拉桥采用图6-8-b)的单塔式斜拉桥。
2)双塔式斜拉桥桥下净空要求较大时,多采用图6-8 a)所示的双塔式斜拉桥。
图6-8 斜拉桥跨径布置3)多塔式斜拉桥在跨越宽阔水面时,由于桥梁长度大,可采用图6-8c)所示的多塔斜拉桥。
2.按主梁的支承条件分1)连续梁式斜拉桥如图6-9 a)。
2)单悬臂式斜拉桥如图6-9 b)。
3)T形刚架式斜拉桥如图6-9 c)。
图 6-9按主梁支承条件划分斜拉桥形式二、悬索桥、斜拉桥的构造(一)悬索桥上部结构的主要形式和构造特点现代悬索桥通常主要由主缆、主塔、锚碇与加劲梁等四大主体结构以及塔顶主索鞍、锚口散索鞍座或散索箍和悬吊系统等重要附属系统组成。
桥与悬索桥的主梁形式,塔和施工的异同1 斜拉桥与悬索桥的主梁形式的区别斜拉桥的主梁截面能够釆用混凝土主梁、钢一混凝土结合主梁和钢主梁。
我国斜拉桥的主梁形式:混凝土以箱式、板式边箱中板式;钢梁以正交异性极钢箱为主,也有边箱中板式。
钢一混凝土结合主梁一样只适用于双索面斜拉桥。
钢主梁的截面形式有工字形钢主梁、钢箱梁、钢桁梁等。
悬索桥采纳钢箱作为加劲梁,在我国较为普遍。
悬索桥加劲梁结构,要紧有美国派的桁架势和英国流派的扁平钢箱式前者更适于在铁路或公路铁路两用桥中利用,故日本近代修建悬索桥多釆用桁式加劲梁。
二者用钢量相较,采纳钢箱梁略占优势。
具体的形式有:钢板梁、钢箱梁、钢桁梁和混凝土箱梁。
2 塔、索的形式与材料此刻已建成的斜拉桥有独塔、双塔和三塔式。
以钢筋混凝土塔为主。
塔型有H形、倒Y形、A形、钻石形等。
二者塔的材料,国外以钢为主,我国以混凝土为主,最近几年来国外也有向混凝土进展的趋势,基础多为钻孔桩或沉井。
斜拉索仍以传统的平行镀锌钢丝、冷铸锚头为主。
斜拉桥的钢索一样采纳自锚体系。
最近几年来,开始显现自锚和部份地锚相结合的斜拉桥,如西班牙的鲁纳(Luna)桥,主桥440m;我国湖北郧县桥,主跨414m。
地锚体系把悬索桥的地锚特点融于拉桥中,能够使斜拉桥的跨径布置更能结合地形条件,灵活多样,节省费用。
恐索桥结合地形、地质、水文可采纳单跨悬吊、双跨不对称悬吊和三跨悬吊(简支和持续体系)。
据查,世界悬索桥多为单跨悬吊,第二是不对称双跨和三跨简支悬吊。
三跨悬吊持续体系最少。
丹麦大带桥,三跨悬吊持续,其跨径为535m + 1624m+ 535取中国的II门海沧大桥,三跨悬吊持续,其跨径为230m + 648m + 230m,可称世界同类桥梁的第二位。
3 斜拉桥与悬索桥的施工的区别斜拉桥的施工方式:混凝土斜拉桥要紧采纳悬臂浇筑和预制拼装;钢箱和混合梁斜位桥的钢箱采纳正交异性板,工厂焊接成段,现场吊装架设。
钢箱与钢箱的连接,一是螺栓,二是全焊,三是栓焊结合。
斜拉桥与悬索桥之比较令狐采学斜拉桥与悬索桥作为现代桥梁的主要建筑方式,二者之间又存在着怎样的区别与联系呢?下面我们通过结构力学的方法对其进行受力方面的定性分析,来解决一些现实中的现象。
首先我们来了解一下他们的定义:斜拉桥又称斜张桥,是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
其可使梁体内弯矩减小,降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料。
斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。
悬索桥,又名吊桥(suspension bridge)指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。
其缆索几何形状由力的平衡条件决定,一般接近抛物线。
从缆索垂下许多吊杆,把桥面吊住,在桥面和吊杆之间常设置加劲梁,同缆索形成组合体系,以减小活载所引起的挠度变形。
斜拉桥与悬索桥的结构简图如图a,b所示。
下面对一些现实现象进行定性分析。
1.为什么斜拉桥和悬索桥可以比其他桥梁的跨度大很多?通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出,斜拉桥和悬索桥都是通过钢索的拉力来代替了桥墩的支持力。
因此可以减少桥墩的数量,实现桥梁的大跨度。
2.为什么悬索桥可以比斜拉桥的跨度更大?通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出,斜拉桥的钢索是斜着的,以a图C点进行受力分析,为了在C点提供足够的竖直拉力Fcy随着AC距离的增加,Fc和Fcx将会不断增大,这样会不断增大钢索的拉力和桥面的轴向压力,这也是为什么斜拉桥的钢索大多集中在索塔的上端的原因。
因此AC之间的距离不能太大,即斜拉桥的跨度不能太大。
而通过悬索桥的结构简图可以看出,悬索桥的钢索受力是竖直方向的,随着跨度的增加并不会增加钢索的受力。
因此悬索桥的跨度可以比斜拉桥更大。
3.为什么斜拉桥比悬索桥稳定?由斜拉桥的结构简图可以看出绷紧的钢索与索塔及桥面根据三钢片原则构成了不变体系,而有悬索桥的结构简图不难看出悬索桥的主索、细钢索、索塔及桥面之间构成的是可变体系。
斜拉桥与悬索桥之比较斜拉桥与悬索桥作为现代桥梁的主要建筑方式,二者之间又存在着怎样的区别与联系呢?下面我们通过结构力学的方法对其进行受力方面的定性分析,来解决一些现实中的现象。
首先我们来了解一下他们的定义:斜拉桥又称斜张桥,是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
其可使梁体内弯矩减小,降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料。
斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。
悬索桥,又名吊桥(suspen sionbridge)指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。
其缆索几何形状由力的平衡条件决定,一般接近抛物线。
从缆索垂下许多吊杆,把桥面吊住,在桥面和吊杆之间常设置加劲梁,同缆索形成组合体系,以减小活载所引起的挠度变形。
斜拉桥与悬索桥的结构简图如图a,b所示。
下面对一些现实现象进行定性分析。
1.为什么斜拉桥和悬索桥可以比其他桥梁的跨度大很多?通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出,斜拉桥和悬索桥都是通过钢索的拉力来代替了桥墩的支持力。
因此可以减少桥墩的数量,实现桥梁的大跨度。
2.为什么悬索桥可以比斜拉桥的跨度更大?通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出,斜拉桥的钢索是斜着的,以a图C点进行受力分析,为了在C点提供足够的竖直拉力Fcy随着AC距离的增加,Fc和Fcx将会不断增大,这样会不断增大钢索的拉力和桥面的轴向压力,这也是为什么斜拉桥的钢索大多集中在索塔的上端的原因。
因此AC之间的距离不能太大,即斜拉桥的跨度不能太大。
而通过悬索桥的结构简图可以看出,悬索桥的钢索受力是竖直方向的,随着跨度的增加并不会增加钢索的受力。
悬索桥和斜拉-悬索协作体系桥的比较悬索桥(suspension bridge)是利用主缆及吊索作为加劲梁的悬挂体系,将荷载作用经桥塔、锚碇传递到地基的桥梁。
悬索桥主要由缆索系统、塔墩、加劲梁及附属结构四大部分组成。
地锚式悬索桥中锚碇、桥塔和主缆是主要的承载结构,吊索与加劲梁则主要起传递直接作用其上的荷载的作用;自锚式悬索桥中锚碇、桥塔、主缆、加劲梁都是主要的承载结构。
斜拉-悬索协作体系桥(cable-stayed-suspension bridge)是在悬索桥上增加斜拉索,或者在斜拉桥上增加主缆,故斜拉-悬索协作体系桥也是主要由缆索系统、桥塔、加劲梁及附属结构四大部分组成。
其中锚碇、桥塔、主缆、斜拉索、主梁是主要的承载结构。
日本明石海峡桥纽约布鲁克林桥一、悬索桥和斜拉-悬索协作体系桥的优缺点悬索桥的优点:(1)受力非常合理:悬索桥的主要受力构件为缆索,缆索主要受拉,次弯矩非常小,应力在截面上分布比较均匀;桥塔以受压为主,弯矩也较小;加劲梁只作为桥面来传递荷载,不是主受力构件,就静力来说,梁高与跨度无关而只与吊索间距有关。
(2)跨越能力大:在大跨度悬索桥中,缆索的恒载拉力远大于活载值,因此一般疲劳的影响较小。
(3)桥型优美;悬索桥加劲梁的梁高比同跨度的梁桥的梁高小得多,所以建筑高度较小,具有优美的曲线,外形比较美观,在城市中采用此种桥式将为城市增加风景点。
如美国旧金山的金门大桥。
(4)抗震能力强:悬索桥是轻而柔的桥梁,刚度较小,在地震作用下,受地震惯性力较小,往往位移大而内力小,消能能力强,因此抗震能力强。
(5)施工方便:悬索桥施工时是先架设好桥塔,然后利用桥塔架设牵引索和施工猫道等,利用猫道来架设主缆,然后再架设加劲梁和桥面系,施工方便;在交通不便的山区,修建悬索桥较为有利;在交通方便的江河湖海和城市外,悬索桥除了开始架设先导索外,不会中断交通。
悬索桥的缺点:(1)荷载作用下变形较大:由于缆索是柔性结构,当活载作用时,会改变几何形状,会引起桥跨结构较大的变形。
悬索桥与斜拉桥的区别与应用当我们谈论桥梁时,很难忽视悬索桥和斜拉桥。
悬索桥和斜拉桥是两种常见的桥梁结构形式,它们之间有许多区别和应用。
本文将探讨悬索桥与斜拉桥的区别,以及它们在不同场景中的应用。
首先,让我们来了解悬索桥的特点和结构。
悬索桥以悬挂在悬索上的主桥墩为特征。
主横梁被悬挂在主桥墩上,主横梁的两端有多条悬索连接到另一个桥墩上。
悬索桥的结构类似于一根绳子,其中主横梁充当承受桥面荷载的主要支撑部分。
悬索桥可以跨越较大的距离,但主横梁的起伏有时会对车辆或行人的行驶产生影响。
与悬索桥相比,斜拉桥的结构形式稍有不同。
斜拉桥的特点是主横梁不是悬挂在桥墩上,而是通过斜拉索连接到桥墩上。
斜拉桥的斜拉索使得主梁能够承受荷载并稳定地悬挂在桥墩上。
斜拉桥的主梁通常呈倾斜角度,这有助于分散荷载并提高桥梁的稳定性。
相较于悬索桥,斜拉桥在较大跨度下具有更好的承载能力和稳定性。
悬索桥和斜拉桥在应用方面也各有优势。
悬索桥通常被用于跨越较长距离的河流或峡谷。
悬索桥的设计使得它能够以较少的支撑点来承担大量的重量。
这样的设计在大型交通枢纽或河流航道等场景中非常适用。
但需要注意的是,悬索桥的主横梁起伏可能会对桥上车辆或行人产生影响,因此在设计时需要充分考虑。
与此相反,斜拉桥通常适用于中跨度的桥梁,其结构可以提供更好的桥面稳定性。
斜拉桥的特点使得它更适合承载交通流量大且密集的场景。
在城市中心或大型公路上,斜拉桥具有更好的抗风能力和稳定性。
此外,斜拉桥的设计也更美观,常常成为城市地标的一部分。
值得一提的是,悬索桥和斜拉桥的设计和建造都需要严密的工程计算和材料选择。
这些桥梁结构须同时考虑荷载、抗风能力以及材料的耐久性。
在设计和建造过程中,工程师们需要根据特定的条件和环境,权衡各种因素以确保桥梁的安全性和可靠性。
总的来说,悬索桥和斜拉桥是两种常见的桥梁结构形式。
悬索桥以悬挂在悬索上的主横梁为特点,适用于跨越较长距离的河流或峡谷。
而斜拉桥则通过斜拉索连接主横梁和桥墩,适用于中跨度的桥梁,具有更好的稳定性和美观性。
斜拉桥与悬索桥计算理论简析斜拉桥与悬索桥是桥梁结构中跨越能力最大的两种桥型,随着桥梁建造向大跨径方向发展,它们越来越成为人们研究的热点。
通过大跨径桥梁理论的学习,我对斜拉桥与悬索桥的计算理论有了较为系统的了解。
在本文中,我想从一个设计者的角度,在概念层次上,对斜拉桥与悬索桥的计算理论做个总结,以加深自己对这些计算理论的理解。
一、斜拉桥的计算理论斜拉桥诞生于十七世纪,在最近的五十年间,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。
有理由相信,在大江河口的软土地基上或不适合建造悬索桥的地区,有可能修建超过1200米的斜拉桥。
斜拉桥是塔、梁、索三种基本结构组成的缆索承重结构体系,一般表现为柔性的受力特性。
(一)、斜拉桥的静力设计过程1、方案设计阶段此阶段也称为概念设计。
本阶段的主要任务是凭借设计者的经验,参考别的斜拉桥的设计,结合自己的分析计算,来完成结构的总体布置,初拟构件尺寸。
根据此设计文件,设计者或甲方(有些地方领导说了算)进行方案比选。
2、初步设计阶段本阶段在前一阶段工作的基础上进一步细化。
主要任务是:通过反复计算比较以确定恒活载集度、恒载分析、调索初定恒载索力、修正斜拉索截面积、活载及附加荷载计算、荷载组合及梁体配索、索力优化以及强度刚度验算等。
3、施工图设计阶段此阶段要对斜拉桥的每一部位以及每一施工阶段进行计算,确保结构安全。
主要计算内容有:构件无应力尺寸计算、对施工阶段循环倒退分析、计算斜拉索初张力、预拱度计算、强度刚度稳定性验算以及前进分析验算等。
(二)、斜拉桥的计算模式1、平面杆系加横分系数此模式用在概念设计阶段研究结构的设计参数,以求获得理想的结构布置。
还可用于技术设计阶段,仅仅计算恒载作用下的内力。
2、空间杆系计算模式此模式用在空间荷载(风载、地震荷载以及局部温差等)作用下的静力响应分析。
此模式按照主梁可分为三种:“鱼骨”模式、双梁式模式与三梁式模型。
斜拉桥与悬索桥计算理论简析
以前忘记在哪里看到这篇文章了,感觉就像是研究生交的作业一样,呵呵,不过深入浅出,讲的挺明白,把斜拉桥和悬索桥基本的东西都写出来了。
我把它修改了一下贴出来,大家可以当科普性的东西看看。
正文:斜拉桥与悬索桥是桥梁结构中跨越能力最大的两种桥型,随着桥梁建造向大跨径方向发展,它们越来越成为人们研究的热点。
通过大跨径桥梁理论的学习,我对斜拉桥与悬索桥的计算理论有了较为系统的了解。
在本文中,我想从一个设计者的角度,在概念层次上,对斜拉桥与悬索桥的计算理论做个总结,以加深自己对这些计算理论的理解。
一、斜拉桥的计算理论斜拉桥诞生于十七世纪,在最近的五十年间,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。
有理由相信,在大江河口的软土地基上或不适合建造悬索桥的地区,有可能修建超过1200米的斜拉桥。
斜拉桥是塔、梁、索三种基本结构组成的缆索承重结构体系,一般表现为柔性的受力特性。
(一)、斜拉桥的静力设计过程 1、方案设计阶段此阶段也称为概念设计。
本阶段的主要任务是凭借设计者的经验,参考别的斜拉桥的设计,结合自己的分析计算,来完成结构的总体布置,初拟构件尺寸。
根据此设计文件,设计者或甲方(有些地方领导说了算)进行
方案比选。
2、初步设计阶段本阶段在前一阶段工作的基础上进一步细化。
主要任务是:通过反复计算比较以确定恒活载集度、恒载分析、调索初定恒载索力、修正斜拉索截面积、活载及附加荷载计算、荷载组合及梁体配索、索力优化以及强度刚度验算等。
3、施工图设计阶段此阶段要对斜拉桥的每一部位以及每一施工阶段进行计算,确保结构安全。
主要计算内容有:构件无应力尺寸计算、对施工阶段循环倒退分析、计算斜拉索初张力、预拱度计算、强度刚度稳定性验算以及前进分析验算等。
(二)、斜拉桥的计算模式 1、平面杆系加横分系数此模式用在概念设计阶段研究结构的设计参数,以求获得理想的结构布置。
还可用于技术设计阶段,仅仅计算恒载作用下的内力。
2、空间杆系计算模式此模式用在空间荷载(风载、地震荷载以及局部温差等)作用下的静力响应分析。
此模式按照主梁可分为三种:“鱼骨”模式、双梁式模式与三梁式模型。
3、空间板壳、块体和梁单元计算模式此模式用在计算全桥构件的应力分布特性,这类模式要特别注意不同单元结合部的节点位移协调性。
4、从整体结构中取出的特殊构件此模式主要是为了研究斜拉索锚固区等的应力集中现象。
根据圣维南原理,对结构进行二次分析。
(三)、斜拉桥的计算理论根据线性与非线性将其分为三类。
1、微小变形理论,即弹性理论这种计算方法将拉索简化为桁单元,其余部分用梁单元进行模拟,不考虑非线性影响。
此计算方法适用于中小跨径的斜拉桥,或用于方案设计阶段。
2、准非线性计算理论包
括三种:计入收缩徐变的线性弹性分析理论、考虑二阶效应的近似计算以及弹性理论计算结果乘以增大(大于1)系数。
适用于概念设计阶段的计算,或计算中小跨径的斜拉桥。
3、有限位移理论这是精确分析施工和正常使用阶段,以及结构在各种荷载下的静力响应的方法,适用于大跨桥梁设计的技术设计阶段的计算。
用于前进分析与倒退分析中,以及成桥状态最优索力的确定。
引起斜拉桥几何非线性的因素主要有以下三个方面:(1)索的垂度的影响将斜拉索模拟成桁单元,并用修正的弹性模量。
当索力应力水平较低时,可直接用柔索单元来模拟斜拉索。
(2)梁柱效应斜拉桥的主梁、主塔都工作在压弯状态,引起了梁柱效应。
用梁单元分析时,可用稳定函数表示的几何非线性刚度矩阵和一般的几何刚度矩阵,来计入这一效应。
(3)大位移效应由于斜拉桥为柔性结构,外荷载作用下结构变形较大。
可用大位移刚度矩阵或基于U.L列式的有限位移理论(拖动坐标法)计入这一效应。
恒载与附加荷载的非线性计算,以计算荷载作用前的状态为初态,活载的非线性计算以成桥状态为初始内力状态,活载用影响区加载法来计算。
(四)、斜拉桥的计算内容按照设计过程,斜拉桥的计算内容包括: 1、斜拉桥的恒载受力状态的优化计算以往的斜拉桥索力优化计算归为三大类:指定受力状态的索力优化、无约束的索力优化和有约束的索力优化。
肖老师利用调值计算的原理,提出了索力优化的影响矩阵法,用于成桥状态的索力优化与施工阶段的索力优化。
2、倒退分析以成桥状态t=t0时刻的最优内力状态为参考状态,以设计
的成桥线形为参考线形,对结构进行倒退分析。
考虑到计算状态的不闭合;结构预应力、徐变、收缩引起结构倒退分析内力和实际内力的不闭合;以及斜拉索垂度效应和大位移效应等几何非线性的因素,肖老师提出了采用前进、倒退分析交互迭代法,可消除这些不闭合因素。
通过倒退分析,可以得到初始张拉力、施工张拉力及预拱度。
3、前进分析即施工仿真计算,施工终态的内力即为实际内力状态。
4、构件应力分析 5、其它计算内容施工控制计算、稳定计算、静风作用下的横向稳定分析以及动力计算等。
二、悬索桥的计算理论悬索桥是跨越能力最强的桥型之一,其雏形三千多年前已在我国出现。
悬索桥可分为柔性悬索桥与刚性悬索桥,两者区别是有无加劲梁。
悬索桥由悬索(主索、边索和锚索)、桥塔、吊杆、加劲梁和桥面系(或桥道梁)及锚碇组成。
(一)、悬索桥的设计过程开始-----结构总体布置-----构件尺寸初选-----确定恒、活载集度-----竖向恒、活载非线性分析------通过修正恒载集度、构件强度与刚度验算,反复计算以确定构件尺寸与矢跨比-----计算成桥实际构形与内力------验算强度刚度------计算构件无应力尺寸-----计算鞍座预偏量和挂索初态-----结束。
(二)、悬索桥的受力特征成桥时,主要由主缆和主塔承受结构自重,加劲梁受力由施工方法确定。
成桥后,结构共同承受外荷载作用,受力按刚度分配。
主缆在恒载作用下具有很大的初始张拉力,
对后续结构提供强大的“重力刚度”。
主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件,在恒载作用下,以轴向受压为主,在活载作用下以压弯为主,呈梁柱构件特征。
加劲梁承受的弯曲内力主要来自结构的二期恒载和活载。
吊索是传力构件,吊索内恒载轴力的大小,既决定了主缆在成桥状态的真实索形,而且也决定了加劲梁的恒载弯矩。
锚碇是锚固主缆的结构。
(三)、悬索桥的计算理论 1、弹性计算理论不考虑恒载初内力及大位移非线性的影响,适用于200米悬桥设计之用。
假定悬索为完全柔性,吊杆沿跨密布,假定悬索曲线形状和纵坐标在加载后保持不变。
缆索的形状假定为抛物线,按膜理论进行计算。
2、挠度理论考虑位移的非线性影响,即考虑轴力并且在变形后的位置上建立平衡方程,通过建立基础微分方程来求解析解。
方程是非线性的,相应的求解方法有线性挠度理论、等代梁法等。
3、有限位移理论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、轴力影响,把悬索桥结构的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。
(四)、悬索桥的计算方法及相应的计算内容分为近似分析法和精确分析法,近似分析法可用弹性理论和挠度理论,而精确计算只能用有限位移理论。
1、近似分析法由于悬索桥的施工过程较简单,近似计算法即计算各部分构件的位形、内力与位移。
主要计算内容有:(1)成桥状态的近似计算根据悬索桥的布置形式的总断面线形,和由此确定的控制主缆的几何线形的基本点的位置,来分析主缆及其它
构件成桥是的构形、受力状态,并求出主缆、吊索的无应力索长和施工阶段的鞍座偏移量。
(2)加劲梁在竖向荷载下的分析可以由弹性理论计算,也可由挠度理论计算。
(3)主塔的计算(4)水平静风载作用下的计算。
2、精确分析法确定悬索桥成桥状态和施工状态的关键是确定主缆成桥是的线型,也就是在已知基本设计参数和施工方法的前提下,计算主缆与吊索交点位置及主缆与鞍座的切点坐标。
计算内容主要包括:(1)计算吊索在恒载作用下的轴力主要问题为二期恒载轴力,此时桥已形成整体,假定主缆为抛物线,对结构进行二期恒载的非线性分析,可计算出二期恒载下吊索力。
(2)确定吊索的真实形状从而可以确定主索鞍、转鞍鞍座与主缆的切点坐标,可计算出吊杆长度。
(3)悬索桥施工状态计算包括确定主缆各索段无应力索长、鞍座基准回退量、空索合理状态以及加劲梁安装阶段的合理状态。
(4)悬索桥局部应力分析包括整体分析与局部分析,整体分析中,主塔和加劲梁一般用计入几何刚度的梁单元模拟,主缆和吊索用计入几何刚度的桁单元模拟,但要考虑主缆自重引起垂度对轴向刚度的影响。
对于单元长度较小的主缆,可用修正弹性模量,对于单元长度较大时,要用柔索单元。
悬索桥大位移效应一般用U.L列式计入。
要注意各部分荷载作用前的初内力状态。
局部应力分析包括:主梁三维应力分析、主塔三维应力分析及鞍座应力分析等。
三、体会和问题 1、斜拉桥与悬索桥相比而言,斜拉桥的计算要复杂一些。
斜拉桥计算中的关键是合理恒载内力状态的确定,而
悬索桥中的则是成桥状态实际索形的确定。
2、要精确分析这两种体系的受力,均要用几何非线性的有限元分析程序。
开发桥梁专用计算程序是完全必要的。
3、对倒退分析的理解:凡是要确定理想成桥状态的桥型,并且施工过程较复杂,内力影响因素很多时,均要做此分析。
4、问题:在确定好理想的恒载内力状态后,如何进一步进行倒退分析。