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![现代桥梁之斜拉桥与悬索桥区别与联系[优秀工程范文]](https://img.taocdn.com/s1/m/7ee1f46b6f1aff00bfd51ea6.png)
现代桥梁之斜拉桥与悬索桥区别与联系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.因此悬索桥的稳定性不如斜拉桥的稳定性好.4.既然增加索塔可以加大桥面的竖向拉力,减小桥面轴向应力鹤岗索拉力,为什么不把索塔建得很高呢？首先,增加索塔的高度会增加桥梁的用料,从而增加桥梁的经济成本高.其次,由于现实生活中桥面的受力情况特别复杂,无法保证索塔两边桥面受力情况完全相同,这会使得索塔两边钢索所受的拉力不同,如果索塔很长会使得索塔与桥面连接处以及桥墩与地面连接处弯矩过大,容易发生破坏.5.为什么斜拉桥的桥面可以比悬索桥的桥面宽很多？斜拉桥的桥面比悬索桥的桥面宽很多是有桥面的材料为混凝土和桥面的受力特点的决定的 .下面截取斜拉桥和悬索桥的桥面的一个横截面来简化力学模型,并对其进行受力分析.假设桥面受大小为q的均布力,斜拉桥的受力如图c,悬索桥的受力如图d.在斜拉桥的横截面受力图中,桥面横截面受斜向上的钢索拉力,因为斜拉桥的索塔为A型或椡Y型;而在悬索桥的受力图中,桥面横截面只受到竖直向上的拉力,因为悬索桥的索塔为H型.假设斜拉桥和悬索桥桥面长度为l,厚度为2h,则斜拉桥受到的最大拉应力为：米y/Iz-Tt/2lh=0.5ql*lh/Iz-Tt/2lh;悬索桥的最大拉应力为：米y/Iz=0.5ql*l/Iz.由此可见在受力和桥面横截面形状相同的情况下,斜拉桥的最大拉应力比悬索桥小Tt/2lh,又因为桥面材料为混凝土,抗压不抗拉,因此斜拉桥的桥面可以比悬索桥的桥面更宽一些.下面,假设桥面受大小为q的均布力(因为桥面主要受到自身的重力,而桥面自身的重力是均布力),而这也是桥面的,设有n根钢索且每根钢索所受的拉力相等为T=ql/(n+2),并且假设桥面只发生小变形,对力学模型进一步简化后.对斜拉桥和悬索桥进行分析,做出斜拉桥与悬索桥的受力图g,剪力图e,弯矩图f.从斜拉桥和悬索桥加钢索和没加钢索的剪力图可以看出：钢索的增加能有效的减小剪力的不断的增加,将剪力变成一种周期性的力.同时可以看出钢索越多剪力图像中的峰值在斜率不变,钢索的只能更加会使图像的周期减小,因此能有效地减小剪力图像中的峰值(F Q=ql/(n+2)),由米(X)= F Q(X)dx得到斜拉桥和悬索桥的弯矩图.同时从斜拉桥和悬索桥的弯矩图中可以看出来其图像也为周期函数图象.同样其图像的峰值与钢索的数量加2后的平方成反比(米=ql*l/(n+2)*(n+2)).由此可见增加钢索的数量不仅可以减小斜拉桥和悬索桥桥面的剪力和弯矩,同时也可以减小每根钢索的拉力.由此可见准确的估计每一段的受力情况,以此来设置钢索中的预应力是十分重要的,对减小桥面中的剪力和弯矩起着决定性的作用.虽然钢索中的预应力设置不当也可以起到阻止弯矩增大作用,但效果将大打折扣.由此可见对斜拉桥和悬索桥进行准确的受力分析是十分重要的.以上只是在理想化的条件下进行的粗糙的理论分析,现实中总是有着这样或那样的不可控条件.首先,桥面不可能受均布力：其次,大跨度的桥梁并非只发生小变形,而是会发生大变形;最后,斜拉桥的桥面存在着弯矩和轴力混合作用的效应.当然还有其他的一些因素对理论分析的影响没有列举出来,我们就先不讨论了.下面我们来分析一下以上三个方面对我们的分析造成的影响.1.由于桥面的受力并非均布力,虽然桥面自身的重力仍是均布力,但两者相加之后,剪力图e中的剪力就不是线性变化的,这会对钢索预应力的估计造成困难.2.由于大跨度桥梁发生的并非小变形,而是会发生大变形.以上的线弹性的分析方法就不再适用了,应该运用几何非线性的分析方法进行分析.几何非线性问题是指大位移问题,几何运动方程为非线性.在绝大多数大位移问题中,结构内部的应变是微小的 .因为应变是微小的,对线性问题一般是根据变形前的位置来建立平衡方程.但对几何非线性问题,由于位移变化产生的二次内力不能忽略,荷载一变形关系为非线性,此时叠加原理不再适用,整个结构的平衡方程应按变形以后的位置来建立.3. 斜拉桥的斜拉索拉力使其它构件处于弯矩和轴向力组合作用下,这些构件即使在材料满足虎克定律的情况下也会呈现非线性特性.构件在轴向力作用下的横向挠度会引起附加弯矩,而弯矩又影响轴向刚度的大小,此时叠加原理不再适用.但如果构件承受着一系列横向荷载和位移的作用,而轴向力假定保持不变,那么这些横向荷载和位移还是可以叠加的.因此,轴向力可以被看作为影响横向刚度的一个参数,一旦该参数对横向的影响确定下来,就可以采用线性分析的方法进行近似计算.有两种方法可以处理这种由压一弯共同作用引起的非线性问题：一是引入稳定函数,得到梁体单元刚度矩阵元素的修正系数,然后用修正系数在迭代中不断地对小位移线弹性刚度矩阵进行修正;或者在计算单元刚度矩阵时考虑几何刚度矩阵的影响.二是从实际的应变出发列出压弯共同作用的总应变方程,通过虚功原理,得到梁体单元的整体刚度矩阵.。
斜拉桥和悬索桥基本受力原理斜拉桥和悬索桥是现代桥梁工程学中最常见的桥梁类型之一。
与其他类型的桥梁相比，斜拉桥和悬索桥在结构构造、受力原理以及建造技术方面都具有独特的特点。
斜拉桥是一种由主体梁、斜拉索和塔组成的桥梁结构。
主体梁通常由桥面板、箱梁或钢桁架等构成。
斜拉索由高强度的钢丝绳或钢缆制成，用于固定主体梁。
塔是支撑斜拉索的主要悬挂结构。
斜拉桥的受力原理是利用斜拉索对主体梁进行牵拉，从而使主体梁能够承受大约90%的桥面荷载。
在斜拉桥的受力分析中，通过牵拉斜拉索，使力沿着斜拉索传递到塔的支撑墩上，然后再传递到地基。
因此，斜拉桥的塔和支撑墩必须足够坚固，以承受主体梁的重量和拉力。
在斜拉桥的结构设计中，斜拉索的数量、长度和位置是非常关键的。
斜拉索的正确设置可以增强桥梁的稳定性，减少对主体梁的振动和抖动。
同时，斜拉索的拉力方向也需要考虑，以确保它们不会相互冲突或互相干扰。
悬索桥的受力原理是靠索在两个或多个支撑点上承载主体梁和荷载。
索的支撑在塔顶，塔的重力传递到地面，自然就形成了一个悬挂状态。
此时，由于主体梁的承载能力有限，悬挂在索上的荷载必须分散到多个支撑位置上。
在悬索桥的结构设计中，索的支撑点的距离、索的长度和角度等都是非常关键的。
如果索的支撑点距离太远，索的结构就会变得不稳定。
如果角度太小，索的滞后效应就会变得越来越大。
这些因素都需要在悬索桥的设计阶段得到充分考虑。
3. 两种桥梁类型的比较尽管斜拉桥和悬索桥在受力原理方面存在差异，两种结构类型在一些方面都具有相似之处。
例如，它们都依靠主体梁承载荷载，并且都需要塔来支撑索或斜拉索。
此外，两种结构类型都需要进行静态和动态受力计算，以确保结构的稳定性和安全性。
但是，斜拉桥和悬索桥在实际应用中也有许多不同之处。
例如，由于斜拉索承担了大部分的荷载，斜拉桥的主体梁可以相对较轻，而悬索桥的主体梁需要更多的材料和设计。
另外，在建造过程中，斜拉桥需要更长时间的预构件制作和拼装，而悬索桥则需要更多的和更高的起重设备来安装长而重的索。
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。
斜拉桥与悬索桥计算原理斜拉桥与悬索桥计算理论简析分类:桥梁设计2007.3.12 15:32 作者:frustrationwk | 评论:0 | 阅读:0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。
