20-悬索桥分析(一)

一般力学与力学基础的悬索桥分析方法悬索桥是一种以悬吊物体（如钢索）为主要构件，通过锚固在两端并形成拱形曲线支撑桥面的特殊桥梁结构。

悬索桥在现代桥梁设计中占据重要地位，广泛应用于大跨度桥梁的建设。

为了确保悬索桥的安全性和稳定性，一般力学与力学基础的分析方法被广泛运用于悬索桥的设计和施工中。

一、载荷分析悬索桥承受着来自桥面荷载、行车荷载、风荷载和温度荷载等多种荷载。

为了准确分析悬索桥的受力情况，首先需要进行载荷分析。

通过测量和分析桥梁所受到的各种荷载，可以确定悬索桥的最大荷载，进而设计合适的结构以满足荷载要求。

二、结构力学分析悬索桥的结构力学分析是确定桥梁各部分的内力和变形，以评估结构的可靠性和安全性。

分析时需考虑到桥梁的自重、外力作用、桥梁材料的力学特性等因素。

通过应力分析和变形分析，可以确定各部分的受力情况，从而为结构设计和加固提供依据。

三、模型建立悬索桥的结构分析离不开准确的模型建立。

模型建立涉及桥梁的几何形状、材料特性、约束条件等。

在建立模型时，可以采用有限元方法等数值分析方法，将复杂的桥梁结构简化为节点和单元，通过计算机模拟桥梁受力过程，得出各部分的应力和变形情况。

四、钢索分析悬索桥的主要构件是钢索，因此钢索的分析与设计至关重要。

在钢索的分析中，需要考虑到钢索的受力特点、工作状态和疲劳寿命等因素。

通过对钢索的应力分析和疲劳寿命评估，可以确保悬索桥的安全性以及钢索的使用寿命。

五、动力分析悬索桥在运行过程中会受到各种动力荷载的作用，如行车荷载引起的振动、风荷载引起的横向摆振等。

为了确保桥梁在运行状态下的稳定性，需要进行动力分析。

通过对悬索桥的振动频率、振型和振幅等参数的分析，可以得出相应的动力响应，为工程师提供重要参考。

综上所述，一般力学与力学基础的悬索桥分析方法是确保悬索桥结构安全性和稳定性的重要手段。

通过结合载荷分析、结构力学分析、模型建立、钢索分析和动力分析等方法，可以全面评估悬索桥的结构性能，并提供科学依据以指导工程设计和施工。

国内外大跨径桥梁建设之悬索桥悬索桥是一种古老的桥型，起源于中国，革新于英国，发展于美国，广泛应用于日本。

它因具有跨度大、美观、架设方便等特点而得到广泛的应用。

随着高强钢丝和优质材料的出现，架设工艺的改进以及计算理论和手段的不断完善，悬索桥正朝长、大方向发展，并因其在大跨度方面具有较大的优势而成为现代大跨径桥梁家族中的重要成员。

从1816 年，英国建成了第一座具有现代意义的悬索桥——跨径为124m、以钢丝做主索的人行吊桥起，工程界开始重视对悬索桥的理论研究。

1823年纳维尔发表了加劲梁悬索桥理论，认识到竖向挠度随着恒载的增加而减少。

到19 世纪末，悬索桥的跨度达到200~300m 。

1883 年列特和1886 年列维分别发表了弹性理论，这使悬索桥的跨径达到了500m 以上。

1888 年米兰提出了挠度理论，利用该理论分析的第一座桥是曼哈顿（Manhattan ）大桥（主跨径为448m ）。

到1931 年，挠度理论使悬索桥的跨度增大了一倍，且突破了l000m ，这就是跨越哈得孙河的乔治•华盛顿（George •Washington ) 大桥（主跨1067m ）和旧金山金门（Golden Gate ）大桥（主跨1280m ）。

悬索桥的发展至今已有近200 年的历史，它是大跨径（尤其是1000m 以上的特大跨径）桥梁的主要形式之一，其优美的造型和宏伟的规模，常被人们称为“桥梁皇后”。

1966 年英国塞文（Severn ）桥的加劲梁首先采用流线型扁平钢箱梁，增大了桥梁抗风性能和抗扭刚度，且用钢量少、维护方便。

1970 年丹麦小贝尔特（Small Belt ）桥的钢箱梁首先采用箱内空气干燥装置，增强了防腐性能。

跨径为世界第一的明石海峡大桥悬索桥的抗震设计成功地经受了1995 年日本神户大地震考验。

我国虽然很早就开始修建悬索桥，但是其跨径和规模远不能同国外现代悬索桥相比。

我国悬索桥发源甚早，已有3000 余年历史。

悬索桥桥塔结构设计分析悬索桥是一种具有悬挂在桥塔之间的主悬索和斜拉索的特殊结构。

它的设计目的是为了克服大跨度桥梁的自重、风荷载和车辆荷载等挑战，并且提供足够的刚度和稳定性，确保行车安全。

悬索桥的设计分为桥塔和悬索两个主要部分。

桥塔是悬索桥结构的垂直支撑点，负责承载悬索的张力，同时通过自身形态和刚度来平衡桥面上的荷载。

悬索是通过吊杆与桥塔连接起来的导向元素，承担横向荷载并将其传递给桥塔。

在桥塔的设计中，结构工程师需要考虑多种因素。

首先是桥塔的高度和形状，这直接影响着悬索桥的外观和空间感。

一般而言，桥塔的高度要足够高以便支撑起悬索桥的主悬索，并且在视觉上与周围环境和谐统一。

其次是桥塔的材料和施工方式。

桥塔通常由钢筋混凝土或钢制成，其中钢材可以提供更大的强度和刚度，但也需要更高的维护成本。

最后，桥塔的稳定性和抗风性能也是设计中必须考虑的因素。

由于桥塔在工作中承受着各种外部风载，因此其形态和截面应足够稳定，以保证桥梁整体的安全性和可靠性。

悬索是悬索桥设计中的关键部件。

悬索的主要作用是将荷载传递到桥塔，同时保证桥梁的稳定性和刚度。

一般而言，悬索由多根几何相似的悬索体组成，可以根据需要的荷载和跨度进行合理的排布和尺寸确定。

在悬索的设计中，考虑的主要因素有悬索的材料、悬索的受力分析以及悬索与桥塔的连接方式等。

悬索通常采用高强度钢丝绳或钢缆，以提供足够的强度和柔性。

悬索的受力分析是悬索桥设计中最为重要的一环，结构工程师需要通过一系列的计算和数值模拟来确定悬索的受力状态，以满足强度和稳定性的要求。

悬索与桥塔的连接方式通常采用球形铰接，以允许悬索在水平和垂直方向上的运动，并通过适当的轴向刚度限制悬索的形变。

悬索桥的设计与建造是一个复杂而艰巨的任务，需要结构工程师们充分考虑各种因素，并寻求最佳的解决方案。

在设计过程中，结构工程师们需要进行大量的结构分析、受力计算和模拟仿真，以确保悬索桥的结构安全、经济、美观和可持续。

土建与水利学院土建一班蔡林卫 200900202004现代悬索桥的发展史悬索桥也叫吊桥，是跨越能力最大的一种桥型。

它是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚碇、吊索等构件构成的柔性悬吊体系。

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。

在两个高塔之间悬挂两条缆索，靠缆索吊起桥面，缆索固定在高塔两边的锚碇上，由锚碇承载整座桥的重量。

成桥后，结构共同承受外荷作用，受力按刚度分配。

悬索桥的构思据说来自猴桥，它是由若干强壮的猴子组成一条悬链来让病猴或年老体衰的猴子通过的桥梁。

最原始的人类悬索桥采用植物类的竹子或藤条来制造悬索。

我国四川省的灌县早在千年之前就出现竹索桥。

17世纪开始出现铁链作悬索的桥梁。

我国四川省大渡河上泸定桥是在1706年建成的。

利用钢缆绳、钢铰线和钢丝等现代钢代钢材来制造的悬索桥则基本上是进入20世纪后才开始出现的。

悬索桥历史悠久各个时期都有它不同的特点，现代悬索桥的发展更是如日中天，迄今出现了四次高峰：一、1930年前后美国的悬索桥——第一次发展高峰美国在1903年和1909年分别建成了主跨为488m的威廉姆斯堡和主跨为448m的哈曼顿桥两座在空中用编丝轮将钢丝编拉后组成主缆的悬索桥。

20世纪20年代美国建成两座主跨超过500m的悬索桥。

它们分别是1926年在费城跨越特拉华河建成的主跨为533m的本杰明-富兰克林桥（又名费城-坎姆登桥），和1929年在底特律建成的主跨564 m的大使桥。

在此期间美洲其他国家也建成不少中小跨度悬桥。

20世纪30年代是美国修建大跨度悬索桥的最兴旺时期，1931年建成跨度首先突破千米的乔治·华盛顿桥（主跨达1067 m）。

1936年建成旧金山-奥克兰海湾大桥，此桥分东西两桥，其中西桥是两座串联衔接的孪生悬索桥，每座均为三跨悬吊，主跨均为704 m，采用加劲钢桁梁。

继此之后在1937年又建成举世闻名的金门大桥，主跨为1280 m，曾保持世界最大桥梁跨度记录达27年之久。

20-悬索桥分析(一)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，掌握各参数含义及使用注意事项。

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）横向内力如何计算？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：图6 实际形状及横向内力横向内力计算过程如下：利用节线法求主缆初始坐标及初始横向内力，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内力；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。