金门大桥调研报告分析
- 格式：doc
- 大小：1.43 MB
- 文档页数：36
金门大桥调研报告摘要：旧金山金门大桥，从设计方案到开工兴建，前后大概经历了20来年的时间，这段时间不可谓不长，但大桥建成后，经济效益和社会效益都达到了最大化，这在世界桥梁建筑史上可以说具有里程碑式的意义。
关键词：金门大桥钢悬索桥概况设计施工养护正文：（一）桥梁概况介绍金门大桥的北端连接北加利福尼亚，南端连接旧金山半岛。
当船只驶进旧金山，从甲板上举目远望，首先映入眼帘的就是大桥的巨形钢塔。
钢塔耸立在大桥南北两侧，高342米，其中高出水面部分为227米，相当于一座70层高的建筑物。
塔的顶端用两根直径各为92.7厘米、重2.45万吨的钢缆相连，钢缆中点下垂，几乎接近桥身，钢缆和桥身之间用一根根细钢绳连接起来。
钢缆两端伸延到岸上锚定于岩石中。
大桥桥体凭借桥两侧两根钢缆所产生的巨大拉力高悬在半空之中。
钢塔之间的大桥跨度达1280米，为世界所建大桥中罕见的单孔长跨距大吊桥之一。
从海面到桥中心部的高度约60米，又宽又高，所以即使涨潮时，大型船只也能畅通无阻。
1917年, 旧金山工程师奥肖内西邀请施特劳斯对建设桥梁进行了研究估算，获得了当时市长的支持。
1921年，加州议会通过了将桥梁纳入区财政支持、建设一个公共收费大桥的法案，这一法案于1925年、1931年又作了修订。
1924年春天，旧金山和马林县开始联合向联邦政府申请建设大桥许可证。
由于桥的建设各有关方面一直存有争议，经过了地方的、军方的、技术等方面的多次论证，中间进行了很多的听证会及诉讼。
终于，1930年大桥获得了许可，建设债券问题也由各县市通过。
1931年完成了招标投标，1933年1月5日,大桥开始施工。
1937年，大桥竣工通车。
早在1872年，铁路大亨查尔斯‧克罗克（Charles Crocker）就打算在金门海峡上建一座桥，当时是为了便于从太平洋（Pacific Ocean）进入圣佛朗西斯科湾（Sab Francisco Bay ）。
从此，横渡圣佛朗西斯科湾的轮渡不断增加，随圣佛朗西斯科逐渐成为一个大都市，轮渡越来越拥挤，常常要等待很长的时间。
从此，横渡圣佛朗西斯科湾的轮渡不断增加，随圣佛朗西斯科逐渐成为一个大都市，轮渡越来越拥挤，常常要等待很长的时间。
当时没有公共资金去建金门大桥，因为联邦和州政府预算作基础建设的有限公共资金都用去建「圣佛朗西斯科－奥克兰海湾大桥」（San Francisco-Oakland Bay Bridge）了。
当时没有公共资金去建金门大桥，因为联邦和州政府预算作基础建设的有限公共资金都用去建「圣佛朗西斯科－奥克兰海湾大桥」（San Francisco-Oakland Bay Bridge）了。
然而，到了1916年，建桥的呼声高涨起来。
然而，到了1916年，建桥的呼声高涨起来。
《圣佛朗西斯科呐喊报》(San Francisco Call Bulletin)的编辑詹姆斯‧威尔金斯（James Wilkins）开展了一场呼吁建桥运动。
《圣佛朗西斯科呐喊报》(San Francisco Call Bulletin)的编辑詹姆斯‧威尔金斯（James Wilkins）开展了一场呼吁建桥运动。
威尔金斯的文章引起了圣佛朗西斯科市工程师迈克尔‧奥肖内西（Michael M. O'Shaughnessy）的注意。
威尔金斯的文章引起了圣佛朗西斯科市工程师迈克尔‧奥肖内西（Michael M. O'Shaughnessy）的注意。
迈克尔开始作金门大桥的资金可行性研究。
迈克尔开始作金门大桥的资金可行性研究。
桥梁工程师们普遍认为，这座桥要耗资1亿美元，否则就无法建成。
桥梁工程师们普遍认为，这座桥要耗资1亿美元，否则就无法建成。
1921年，桥梁设计师约瑟夫‧贝尔曼‧斯特劳斯（Joseph Baermann strauss）提出了金门大桥的草图，估计费用只需2700万美元。
1921年，桥梁设计师约瑟夫‧贝尔曼‧斯特劳斯（Joseph Baermann strauss）提出了金门大桥的草图，估计费用只需2700万美元。
斯特劳斯提出，建桥费用不用依靠公共资金，可以用过桥费来支付。
斯特劳斯提出，建桥费用不用依靠公共资金，可以用过桥费来支付。
1923年，由当地官员和州政府官员组成的「金门建桥协会」（the Association of the Bridging the Gate）开始游说加尼福利亚州议会通过「金门大桥和公路法案」（the Golden Gate Bridge and Highway Act）。
1923年，由当地官员和州政府官员组成的「金门建桥协会」（the Association of the Bridging the Gate）开始游说加尼福利亚州议会通过「金门大桥和公路法案」（the Golden Gate Bridge and Highway Act）。
法案在同一年获得通过，同意有关县组成一个金门大桥区，可以贷款、发行债券、收取过桥费。
法案在同一年获得通过，同意有关县组成一个金门大桥区，可以贷款、发行债券、收取过桥费。
（二）设计的主要参数选取与现有的梁、拱、斜拉桥相比，悬索桥具有跨径大、刚度小的特点，因此具有其它桥型所没有的特点(精确地说其它桥型这种特性不突出)，特别是结构几何非线性。
在悬索桥的发展史中，计算理论方面有三大进程，即弹性理论、挠度理论和有限位移理论。
弹性理论是悬索桥最早的计算理论，它采用古典结构力学方法，忽略活载作用下结构变形的影响，按微小变形理论方法计算。
其特点是恒载与活载的内力计算方法相同，在计算活载内力时没有计入恒载初始内力对悬索桥整体刚度的贡献。
弹性理论分析结果偏安全，分析内力较实际偏大，此误差将随着悬索桥跨度的增加、加劲梁纵向刚度的减小而增大。
19世纪至20世纪初，悬索桥计算都是采用“弹性理论”来进行的。
当时世界最大跨径的主跨486m的布罗克林桥就是用弹性理论来设计的。
挠度理论的计算是建立结构变形后的内力平衡。
用挠度理论计算活载内力时，计入恒载内力对悬索桥刚度的贡献。
计算的基本假定是：由均匀分布的恒载确定悬索桥主缆二次抛物线的成桥线形，在活载作用下主缆形状将发生改变，结构的平衡状态由变形后的位置来建立。
由于挠度理论考虑了主缆恒载缆力对活载变形的影响，因此，其计算结果与实际比较接近。
从20世纪初至20世纪80年代前后，悬索桥计算改用“挠度理论”。
保持世界跨度纪录17年之久的金门大桥就是用“挠度理论”来设计的。
2.1挠度理论在19 世纪上半叶,人们在用弹性理论设计悬索桥时,已意识到受均匀荷载的悬索桥当再承受一集中荷载时,其行为是非线性的。
但一直到1862 年才由一些学者提出了无加劲梁的悬索桥挠度理论。
有加劲梁的悬索桥的挠度理论为奥地利Melan 教授首创于1888 年,后再1906年作了改进。
1909 年并将该理论首次应用于曼哈顿悬索桥设计。
其后Timoshenk 于1928 年利用收敛的三角级数建立了另一种形式的挠度理论, D. B. steinman 作了些改进,成为国内外常用的一种方法。
挠度理论方法的假设与弹性理论方法假设基本相同,仅考虑缆索的非线性变形对内力的影响,它们都假设吊杆密布,即古典膜理论。
Pugsley 采用按等间距设计吊杆的实际结构模型进行计算,这种理论称为“离散吊杆理论”。
还有考虑吊杆变形、悬索桥在荷载下的竖向变形和水平方向变形等因素的一些计算方法。
采用挠度理论来计算悬索桥时,考虑原有荷截(如恒载) 已产生的主缆轴力对新的荷载(如活载) 产生的竖向变形(挠度) 将产生一种新的抗力。
这就是说,这种计算理论是在变形之后再来考虑内力的平衡。
用挠度理论来计算活载内力时,已经计入了恒载内力对悬索桥的刚度起到提高作用。
在挠度理论中的计算假定为:⑴恒载沿桥梁纵向是均匀分布的;⑵在恒载作用下,加劲粱处于无应力状态(吊索之间的局部挠曲应力外) ;⑶吊索是竖向的,且是密布的;⑷在活载作用下,只考虑吊索拉力,但不考虑吊索的拉伸和倾斜;⑸加劲梁为直线形,并且是等截面;⑹只计主缆及加劲梁的竖向变形(挠度) ,但不考虑吊索的纵向变形。
挠度理论大多用手算,所以用起来特别复杂。
为了简化挠度理论的计算工作,国内外一些学者曾提出了一些简化的计算方法。
常用方法有代换梁法、线性挠度理论和重力刚度法等。
挠度理论基本方程悬索桥挠度理论基本微分方程:422422()p d y d y d y EI H p x H dx dx dx-=+ （2.1.1）式中: E —加劲梁弹性模量I —加劲梁惯性矩Hp —活载水平拉力Hg —恒载水平拉力H —主缆水平拉力,H = Hg + Hp式(2. 1. 1) 中有两个未知量,即挠度v 和主缆水平力p H ,须再建立一个方程才能求解。
因为主缆的两个锚固点是不动的,活载作用产△dx 生的主缆长度变化的水平投影增量在全长上的总和为零。
0dx ∆=⎰ （2.1.2） 取单元分析,可得微单元dx 的长度增量△dx 为:21[()]cos cos pc c H dy dy dx at dx E A dx dx∆=+-ψψ (2.1.3) 式中: c E —主缆弹性模量c A —主缆截面面积a —线膨胀系数t —温度变化由式(2. 1. 1) 和式(2. 1. 2) 联解,根据边界条件和荷载作用条件,可得到包含p H 的形式表示的方程的一般解。
由于无法求得解析解,因此必须先假设p H 。
求出一个挠度,再把它代入主缆的相容条件式,反求p H 。
挠度理论的基本微分方程为非线性,由于受力明确,考虑了主要问题,长期以来作为大跨度悬索桥的设计理论,受到广泛应用。
但假设中忽略了吊索的伸长、吊索的倾斜、吊索节点的水平位移、加劲梁的剪切变形等非线性影响,它的精度受到影响,随着跨径的增大和活载与恒载比减小,其误差将增大。
2.2风对悬索的作用引起的悬索桥桥面振动风是大跨度桥梁结构设计的主要控制因素之一。
通常的抖振分析方法中，假设竖弯响应与扭转响应相互独立且忽略横弯响应。
建立了桥面质心与形心不重合时横弯竖弯扭转相互耦合的颤抖风振基本方程。
将悬索桥悬索的作用考虑在内，提出了修正后的悬索桥颤抖振基本方程。
1桥面竖向及扭转振动基本方程悬索竖向位移及竖向受力分别见图1图2假定：(a)吊杆为刚性，抖振开始后，悬索随桥面一起振动B?KD悬索不发生抖振或颤振。
由达朗贝尔原理得悬索的竖向运动方程：式中 H 为悬索任一截面上的横拉力(轴向内力T 的水平投影)，由于悬索不能承受弯矩，故由平衡条件知其为常数：()d q x 为悬索桥所受横载（包括重量）；()b q x 为桥面抖振产生对悬索的作用力；m 为单位长度悬索质量；G 为单位长度悬索阻尼系数；c L 为由风载引起的悬索静升力抖振前的静态平衡方程：故悬索的竖向运动方程化为：即为：桥面截面模型见图3如设l q ，r q 分别为左悬索与右悬索对桥面的作用力，则将该作用力转化为等效的升力与扭矩有：对左边悬索：()2l l Bz Z e α=++ （7） 对右边悬索：()2r l Bz Z e α=-- （8）式中l e 为桥面质心与形心间偏心距。
