基于荷载试验的独塔双索面刚构体系斜拉桥受力分析

斜拉桥是由斜拉索、塔柱和主梁组成，用若干高强的拉索将主梁斜拉在塔柱上，斜拉索使主梁受到一个压力和一个向上的弹性支承的反力，这就使得桥梁的跨越能力大大增强。

斜拉桥示意图斜拉桥是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。

它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。

斜拉桥是—种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。

按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。

斜拉桥由斜索、塔柱和主梁所组成。

用高强钢材制成的斜索将主粱多点吊起，并将主梁的恒载和车辆荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。

这样，跨度软人的主梁就象一根多点弹性支承(吊起)的连续梁一样工作，从而可使主梁尺寸大大减小，结构自重显著减轻，既节省了结构材料，又大幅度地增大桥梁的跨越能力。

此外，与悬索桥相比，斜拉桥的结构刚度大，即在荷载作用下的结构变形小得多，且其抵抗风振的能力也比悬索桥好，这也是在斜拉桥可能达到大跨度情况下使悬索桥逊色的重要因素。

斜索在立面上也可布置成不同型式。

各种索形在构造上和力学上各有特点，在外形美观上也各具特色。

常用的索形布置为竖琴形(图一)和扇形(图二)两种。

另一种是辐射形布置(图三)因其塔顶锚固结构复杂而较少采用图一竖琴形斜拉桥图二扇形斜拉桥图三放射形斜拉桥斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。

桥的主要承重并非它上面的汽车或者火车，而是它本身，也即我们看的的路面。

现在我们就分析这个：我们以一个索塔来分析。

索塔两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。

现在假设索塔两侧只有两根斜拉索，左右对称各一条，这两根斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力，根据受力分析，左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力；同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力；由于这两个力是对称的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了，最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。

独塔平行双索面斜拉桥调索索力计算研究发表时间：2018-08-07T13:35:37.897Z 来源：《防护工程》2018年第7期作者：张沧海[导读] 调索为斜拉桥常有的施工阶段，本文利用索力影响矩阵对调索索力进行计算，并给出了利用MIDAS提取索力影响矩阵的方法中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安 710000摘要：调索为斜拉桥常有的施工阶段，本文利用索力影响矩阵对调索索力进行计算，并给出了利用MIDAS提取索力影响矩阵的方法。

将该法应用于某大桥调索索力计算，计算结果表现出高精度与快速收敛。

关键词：斜拉桥；影响矩阵；索力计算；迭代斜拉桥作为一种跨越能力大理论成熟造型优美的桥型，在高速公路以及城市桥梁中运用广泛。

斜拉桥利用斜拉索将主梁重力传递至主塔形成复杂的超静定结构，其索力之间相互影响。

斜拉桥施工过程中考虑施工阶段安全性，合拢时其全桥受力性能往往不能达到最优状态，对于这个问题，二次调索的方法是常用的解决手段。

文章旨在成桥索力确定的情况下，在斜拉桥合拢之后的索力调整中运用影响矩阵计算某大桥所需调索索力。

1、工程概况某跨径组合为120+125=245m的独塔平行双索面钢箱梁斜拉桥，采用平行双索面布置，塔墩固结、主梁半飘浮结构体系，主塔处竖向设置可调高支座、纵横向设置限位支座；边墩纵向设置活动支座、横向设置限位支座。

主塔与横梁相交处采用空心钢筋混凝土结构，横梁上设两个竖向可调高支座。

主塔横梁采用钢桁架结构。

采用平行双索面方式布置斜拉索，塔柱上索距设置为4.8m，主梁上索距设置为9.0m，全桥共设22对斜拉索，两排拉索横向间距37m，全桥共设置44根斜拉索，拉索水平倾角约28度。

大桥采用大型有限元软件Midas Civil程序进行计算，全桥共469个梁单元，44个桁架单元，共计单元数513个。

全桥计算模型采用鱼骨模型，主梁采用杆系结构，斜拉索采用桁架单元，塔、临时支撑等采用空间杆件结构。

斜拉索编号从左至右依次为E11—E1,W1—W11。

Value Engineering———————————————————————作者简介:莫永春（1978-），男，安徽庐江人，本科，高级工程师，研究方向为施工与企业管理。

0引言近年来，我国基础设施建设得到了飞速发展，斜拉桥由于其卓越的跨越能力和良好的受力性能在交通运输中扮演了十分重要的角色。

斜拉桥主要由主塔、主梁、斜拉索组成，主梁直接承受自重及汽车荷载等外荷载，然后再通过斜拉索将荷载传递给主塔，主梁基本呈现为压弯受力状态[1-3]。

主塔除受自重引起的轴力外，还需承受由斜拉索传递的轴力及水平分力，因此索塔属于压弯构件[4，5]。

目前针对斜拉索索力影响因素方面的研究较少，因此本文为研究斜拉桥索力影响参数对斜拉索索力的影响规律，以某大跨度斜拉桥为工程背景，分别选取斜拉桥的主梁刚度、桥塔刚度、斜拉索刚度以及斜拉索损伤情况等四个影响参数，采用有限元软件建立三维空间有限元模型，分析在不同索力影响参数下斜拉索索力的变化规律。

1工程概况某大桥主桥为70+150+70m 双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，采用150m 主跨跨越深水区域，采用70m 边跨跨越两岸大堤，总长290m 。

塔柱采用双柱式，柱尺寸顺桥向4.5m 长，横桥向2.5m 宽，壁厚顺桥向1.25m ，横桥向0.65m ，两主塔均采用塔、梁固结体系，主墩顶设支座。

桥型布置图如图1所示。

2斜拉桥刚度参数对索力影响分析2.1主梁刚度参数选取斜拉桥主梁的刚度分别为原刚度的0.5、1.0、1.5、2.0以及2.5倍五种不同主梁刚度，原主梁刚度记作E 1，提取不同主梁刚度模型计算后的斜拉索索力数据，如图2所示。

由图2可以看出，主梁刚度的改变对于全桥的斜拉索的索力影响都很大，其中边跨编号SC12~SC01斜拉索索力和中跨编号MC01~MC06斜拉索索力随着主梁刚度的增大呈现出逐渐增大的变化规律，最大增大幅度为14.5%；但在中跨跨中编号MC07~MC07’斜拉索索力反而随着主梁刚度的增加呈现减小的变化规律，最小减小幅度为14.33%。

独塔双索面斜拉桥双非线性地震时程分析汶川地震（M8.0），造成直接经济损失1234.6亿美元；2021年的玉树地震（发生两次地震，最高震级M7.1级），因处于地广人稀，造成直接经济损失3亿人民币，但林业经济损失达到25亿元。

而且在城市发生的地震基本属于多次破坏性地震，造成了惨重的生命财产的损失。

强震作用下结构处于非线性状态是地震灾害的显著特点。

因此，有效的分析工具和分析方法的应用，对了解强地震作用下桥梁的破坏机理和提高结构抗震设计水平意义重大。

1 斜拉桥非线性研究的重要性奥登说，我们的世界是一个非线性的集合体。

当材料的应力—应变不成线性关系时称为材料非线性问题；当结构的应变—位移不成线性关系以及结构的小应变假设不成立时，都称为结构的几何非线性；当二者都不满足时，结构就会呈现出几何、材料双重非线性问题。

斜拉桥的结构内力，在考虑几何非线性后有很大变化。

在正常使用状态下，几何非线性对斜拉桥的刚度、强度有很大影响，但是材料非线性问题不一定存在。

从斜拉桥的非线性分析中，可以了解结构的可靠性和安全性，为建设期、营运期管理提供可靠的依据和保障。

当斜拉桥处于正常使用极限状态时，材料发生塑性变形，应同时考虑几何、材料非线性对结构的影响。

1.1 斜拉桥双非线性研究的主要内容及现状Demenico用连续分布荷载等效拉索对主梁和主塔的作用得出结构刚度随位移增加而增大结论。

1996年，Pao-Hsii Wang在拉索的初始状态分析中得出垂度效应是影响斜拉桥几何非线性的最重要因素。

2021年，刘沐宇等在某斜拉桥的几何非线性仿真分析中，得出影响结构变形和应力状态的几何非线性因素很多，忽略其中任何一个因素都会影响计算结果。

2021年贺拴海以一系列假设为前提，用能量法对斜拉桥的非线性承载力进行了分析。

得出能量法计算精度较高，且计算简便速度快，便于实用的结论。

2021年黄艳对某大跨斜拉桥成桥状态非线性分析得出材料非线性对斜拉桥有明显影响。

独塔双索面斜拉桥设计
该桥的设计需要从以下几个方面考虑：
1.桥梁形式：独塔双索面斜拉桥的桥体主要由主梁和桥面板组成，主
梁上设置钢索，桥面板则采用预制混凝土板，以满足桥梁的受力要求。

主
梁的形式可以采用箱形梁或梁板组合形式。

2.塔的设计：对于独塔双索面斜拉桥来说，塔是起到支撑主梁和桥面
板的作用，其结构设计需要满足抗风抗震等要求。

塔的高度一般与跨度成
正比，但需要根据实际情况进行具体确定。

3.索面设计：索面是独塔双索面斜拉桥的核心部分，通过索面的拉力
来支撑桥梁结构。

索面的设计需要根据预计的荷载和跨度进行确定，以确
保桥梁的安全性和稳定性。

4.材料选择：桥梁的材料选择需要综合考虑强度、抗腐蚀和经济性等
因素。

主梁和桥面板一般采用钢材和混凝土材料，索面则采用高强度钢索。

5.施工技术：独塔双索面斜拉桥的搭建需要采用特殊的施工技术，包
括塔的施工、主梁的安装和索面的调节等。

在施工过程中需要严格控制各
个工序的质量，并保证施工的安全性。

总之，独塔双索面斜拉桥是一种结构简单、造价低、抗风能力强的桥
梁形式。

在设计和施工过程中需要考虑桥梁的整体稳定性、荷载要求和材
料选择等因素，以确保桥梁的安全性和可靠性。

同时，施工过程中要注意
控制质量，保证施工的安全性。

双塔斜拉桥结构体系双塔斜拉桥的结构体系是跨越结构，斜拉体系和其内部荷载传递方式的统一，是一种由受弯为主的构件梁、受压为主的构件塔以及索组成的结构。

此桥型的工作原理主要是利用斜拉索对主梁起到中间弹性支撑的作用，从而将主梁上出现的最大弯矩降低，这样便可相应减轻主梁的自重，进而将斜拉桥主梁的跨径提高，其中斜拉索会对桥塔和主梁进行连接。

1.跨越结构跨越结构是线路中断时跨越障碍的主要承重结构，其作用是承受桥上的行人和车辆。

在合欢双塔斜拉桥的设计过程中，为充分发挥其跨越能力大的结构特点，我们把主要精力集中到主跨的设计上，对边跨的构思与处理重视得少一些。

合理的边跨而置形式和结构构造，不仅能改善和加强主跨与整个结构系统的刚度和稳定性，获取顺畅的桥梁立面建筑效果，而且可以得到较好的经济效益。

斜拉桥边跨跨度的大小不仅取决于结构体系的整体需要，同时也受到桥址地形地貌和经济与否的制约。

2.斜拉体系双塔斜拉桥的主要组成部分为主梁、索塔和拉索,它们相互关联,相互制约。

索塔是斜拉桥的基本承重构件与重要组成部分，它不但要承受自重及通过斜拉索传递来的主梁桥面系的重量，还要承受由桥面系竖向荷载与水平荷载引起。

并且索塔是表达斜拉桥个性和视觉效果的主要结构物，因而对于索塔的美学设计应予足够的重视。

此桥的双索塔都为“鱼”字形，有鱼水之欢之意，象征着合欢桥与水体融洽在一起，有一种水桥合一的观感。

在恒载作用下，索塔处于轴心受压状态。

并且此索塔适用于双斜索面的斜拉桥。

合欢桥的拉索为斜向双索面，它对桥面梁体抵抗风力扭振特别有利，不仅从力学抗扭刚度较大的箱形截面，而且作用于桥梁上的扭矩可由拉索的轴力来抵抗。

主梁则是采用了抗风性能好，整体性强，线条美观的扁平钢箱梁。

3.内部荷载传递方式双塔斜拉桥采用半飘浮体系，由于斜拉索的支承作用，使主梁恒载弯矩显著减小。

斜拉索对主梁的多点弹性支承作用，只有在拉索始终处于拉紧状态时才能得到充分发挥，并且斜拉索的两端分别锚固在主梁和索塔上，将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传至地基因而主梁在斜拉索的各点支承作用下，呈多跨弹性支承的连续梁受力，梁内弯矩大大地降低，使主梁尺寸大幅度减小，减轻了结构自重，大幅度地增大了桥梁的跨越能力。

10.3 斜拉桥的计算分析要点计算机技术的进步对斜拉桥的发展起到了重要的促进作用。

由于斜拉桥，特别是密索体系斜拉桥，为高次超静定结构，因此无论是方案比较，还是技术设计，其结构计算都需要采用有限元法并借助于电子计算机来进行。

斜拉桥是一个空间结构，其受力分析相当复杂，通常在计算中需要根据斜拉桥的结构特性来简化计算图式。

例如，在竖向荷载作用下，可以将双索面斜拉桥简化为两片平面结构，而将荷载在两片平面结构间分配。

这种作法略去了活载偏心作用下结构的扭转效应，而用横向分布系数来粗略计入空间影响。

另外，由于对斜拉索施工阶段所施加的初始张拉力(指活载作用前的索力)足以抵消活载作用下对索产生的压力，斜拉索始终处于张紧状态，因此，即使对于柔性索，计算中仍可将其作为受拉杆单元对待；对于主梁和索塔，则作为梁单元处理。

尽管目前已有商用软件可对斜拉桥结构进行精细的空间分析，但许多采用有限元法编制的实用电算程序中，仍将斜拉桥作为平面杆系结构来处理。

无论计算图式是否简化，在对斜拉桥进行结构分析时，应注意到这是一个非线性结构体系。

结构非线性主要表现在：结构刚度较小，变形较大；索塔及主梁中有弯矩与轴向压力的相互影响，轴向的压力使得塔柱和主梁弯矩有增大的趋势；斜索自重垂度引起的索力与变形之间的非线性变化影响等。

对通常规模(跨度)的斜拉桥，前两种非线性影响并不十分重要，甚至可略去不计，但斜索的非线性影响是必须考虑的。

由于斜索存在有一定的自重垂度，故其弹性模量也存在一定的下降或损失。

在大跨度斜拉桥中，为考虑斜索的非线性影响，一般常用下面的Ernst 公式来计算有效(或修正)弹性模量：030220121E l E E eq σγ+= 式中：——Ernst 修正的有效(或修正)弹性模量；eq E 0E ——不考虑斜索垂度影响的弹性模量，也就是斜拉索钢材的弹性模量值； γ——斜索的单位体积重量；0σ——斜索的初应力；l ——斜索的水平投影长度。

某双塔斜拉桥荷载试验方案分析摘要：通过迈达斯Civil对桥梁建立有限元模型进行分析，对斜拉桥最不利截面采用等效荷载进行施加作用，测量结构挠度及应变的反应情况，测量结果同理论计算值进行比较分析，确保荷载试验安全、有序的进行。

最后判断桥梁结构的实际承载力能否满足设计荷载要求。

关键词：双塔斜拉桥；荷载试验；有限元模型；试验方案。

引言桥梁荷载试验是检测桥梁承载能力最直接、有效的一种方式，可以对桥梁结构性能及承载能力进行科学有效的进行评估，并对桥梁的后期养护及健康监测等提供基础资料。

因此，在桥梁投入运营前，对桥梁进行荷载试验是必要的，特别是特殊桥梁结构形式（如斜拉桥、悬索桥等）。

桥梁荷载试验检测的首要任务就是制定精确、高效、完善、安全的试验方案，从而评价桥梁的使用性能和承载能力。

根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01-2015），判断桥梁结构的正常使用状态和承载能力是否满足设计要求。

斜拉桥具有梁体尺寸较小，桥梁的跨越能力较大；受桥下净空和桥面标高的限制少等优点。

1.工程概况该桥主要为简支梁和斜拉桥结构，桥跨组合为：(116+288+116)m(斜拉桥）+26 25m(小箱梁）+21 40m(T梁），全桥长2020m。

主桥采用双塔单索面，墩、塔、梁固结的预应力混凝土斜拉桥，主梁采用近似三角形单箱三室断面：顶板全宽30m，底宽4m，悬臂长3.75m，梁高3.6m。

中腹板厚0.4m，边腹板厚0.26m，边箱顶板0.27m，底板厚0.3m，中箱顶板厚0.4m，底板厚0.3m。

索塔采用独柱式，索塔全高70m，为单箱混凝土断面，每侧的单根斜拉索直接锚固于塔壁中心处。

斜拉索为PES(FD)7-109~PES(FD)7-199 规格的双层HDPE 防护低应力半平行热锁锌索，梁上纵向索距采用3m、4m、6m，横向2m；塔上竖向标准索距为1.6m，横向0.7m。

主墩采用双薄壁墩，基础为承台群桩基础，设14根桩基，桩基直径2.5m，承台下共设10根桩基，桩基直径1.5m；辅助墩采用矩形截面，断面尺寸为200cm（纵桥向）×1000cm(横桥向)，基础为承台配6根D150cm桩基础，其中1号墩高度较矮，墩身断面采用实心截面，4#墩采用薄壁空心墩，壁厚50cm。

斜拉桥设计中的力学特性分析斜拉桥作为一种特殊的桥梁结构，具有独特的外观和优良的工程性能，广泛应用于世界各地的交通建设项目中。

在进行斜拉桥的设计过程中，力学特性的分析是非常关键的环节。

本文将对斜拉桥设计中的力学特性进行深入探讨。

一、斜拉桥的基本结构斜拉桥由主塔、斜拉索和桥面板组成。

主塔起到承载作用，斜拉索则将桥面板与主塔连接起来，使其能够承受交通荷载。

斜拉桥的设计目标是在保证结构稳定的前提下，尽可能减小材料的使用量，提高桥梁的经济性。

二、斜拉桥的受力原理斜拉桥的受力原理是利用索力的拉压性能来达到桥梁承载荷载的目的。

桥面板中的荷载通过斜拉索传递到主塔上，而主塔则通过基础或支座将荷载传递到地基上。

斜拉索具有较高的抗拉性能，因此能够较好地承受荷载。

三、斜拉桥的力学特性分析1. 斜拉索的布置与受力斜拉桥斜拉索的布置对桥梁的受力分布起到重要影响。

合理布置斜拉索能够使得桥梁受力均匀，减小结构的变形和应力。

在布置斜拉索时，需要考虑索的角度、索的间距以及索的材料强度等因素。

2. 斜拉桥的挠度和稳定性斜拉桥在受到荷载时会产生一定的挠度。

合理控制挠度是保证斜拉桥使用性能的重要因素。

过大的挠度会影响行车的平稳性，过小的挠度则可能导致桥梁的破坏。

同时，稳定性是斜拉桥设计中需要重点考虑的因素之一，特别是在弯曲和地震等复杂工况下。

3. 斜拉索的预应力设计斜拉桥的斜拉索需要进行预应力设计，以使斜拉索能够承受相应荷载并保持预定的形状。

预应力设计要求准确计算索的拉力大小，保证索的应力处于合理范围内。

此外，预应力设计还需要考虑索的材料特性、索与主塔的连接方式等因素。

4. 斜拉桥的减震设计考虑到地震等自然灾害可能带来的影响，斜拉桥的减震设计也非常重要。

采用合适的减震装置可以减小结构受力，提高桥梁的耐震性能。

常见的减震装置包括摩擦阻尼器、液体阻尼器等。

四、案例分析：日本明石海峡大桥明石海峡大桥作为世界上最长的斜拉桥之一，其设计中的力学特性值得研究。