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部分斜拉桥的整体受力分析

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第四章部分斜拉桥的整体受力分析结构的受力问题可以用基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的定解条件描述，方程的求解可以采用解析方法或数值方法。

能用解析方法求出精确解的只有少数方程性质比较简单，且结构体几何形状相当规则的问题，而对于大多数问题则不能得到解析的答案，这类问题的解决通常有两种途径。

一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的情况，从而得到问题在简化状态下的解答。

但是这种方法只是在有限的情况下是可行的，因为过多的简化可能导致误差很大甚至错误的解答。

因此人们寻找和发展了另一种求解方法——数值解法。

特别是近四五十年来，随着计算机的飞速发展和广泛应用，数值分析方法已成为求解结构受力问题的主要工具。

目前应用的数值方法有很多种，如有限单元法、差分法、加权余量法、边界元法等，其中在结构分析中以有限单元法的应用最广。

有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联接在一起的单元的组合体。

有限单元法的教材一般都在前一二章对这种方法的基本原理有所介绍，可供参考。

结构分析的有限元法一般都采用有限元分析软件进行。

利用有限元软件进行桥梁结构分析的基本流程如图4-1所示。

其中“2.5 预应力”部分也可放在“4 定义结构所受荷载”中处理，考虑到预应力输入的主要工作是输入预应力束的几何形状，因此在此将其放在建立模型步骤中。

图4-1 桥梁结构分析的基本流程本次课程设计的结构分析我们采用有限元分析软件Midas进行。

需要注意的是，软件中某项任务（如生成节点）可能可以采用多种方法完成（如生成节点可以采用新建、复制、镜像等多种方法），本指导书是分析流程的介绍，因此仅选择其中的一种方法进行说明。

每种方法都有其最佳适用范围，至于如何选择最合适的方法，可参考软件的使用帮助。

以下按图4-1所示的六个步骤详细介绍进行部分斜拉桥有限元分析的过程。

4.1 离散结构体系将部分斜拉桥的索塔、主梁、斜拉索离散为有限个单元，单元之间以节点联接。

4.2 建立有限元模型建立有限元模型是进行结构有限元分析耗时最多的步骤。

我们采用Midas Civil v6.7.1来建立部分斜拉桥的有限元模型。

Midas Civil v6.7.1的窗口包括菜单、工具条、树形菜单、模型窗口、信息输出窗口以及状态条等几个部分，如图4-2所示。

图4-2 Midas Civil v6.7.1窗口1)新建项目，设定单位系选择菜单“文件：新项目…”新建一个项目，再选择菜单“文件：项目信息…”输入有关的项目信息，如图4-3所示。

图4-3 新建项目并输入项目信息然后通过菜单项“工具：单位体系”或状态条上的下拉框设定建模采用的单位制，如图4-4所示。

图4-4 设定单位制需注意的是，单位制设定后并不是不能改变的。

可以根据数据输入的方便灵活选择不同的单位制，软件会自动进行单位换算，如输入节点坐标时选择长度为m的单位制，而输入材料弹性模量时选择长度为mm、力为N（相应的应力单位为MPa）的单位制。

2)建立节点可以通过“模型”菜单项，也可以通过树形菜单，选择建立节点命令。

节点建立对话框如图4-5所示。

节点编号可以由软件自动确定，也可以自定义。

图4-5 建立节点由表4-1所给定的坐标可建立示例模型的全部共241个节点。

显然，按图4-5的方法生成如此多的节点是相当麻烦的，是纯粹的“体力劳动”，采用“mct文件”导入的方式则可以极大的减小工作量。

如何利用“mct文件”导入节点可参考软件的帮助文件。

表4-1 示例模型的节点坐标节点号X Y Z节点号X Y Z节点号X Y Z1 -211 0 0 82 57 0 0 163 -101 0 19.22 -210.25 0 0 83 61 0 0 164 -101 0 203 -209.5 0 0 84 65 0 0 165 -101 0 20.84 -208 0 0 85 69 0 0 166 -101 0 21.65 -206.5 0 0 86 73 0 0 167 -101 0 22.46 -205 0 0 87 77 0 0 168 -101 0 23.27 -203 0 0 88 81 0 0 169 -101 0 248 -201 0 0 89 85 0 0 170 -101 0 24.89 -197 0 0 90 88.5 0 0 171 -101 0 25.610 -193 0 0 91 92 0 0 172 -101 0 26.411 -189 0 0 92 95.5 0 0 173 -101 0 27.812 -185 0 0 93 97 0 0 174 101 0 113 -181 0 0 94 97.6 0 0 175 101 0 4.8914 -177 0 0 95 98.2 0 0 176 101 0 8.7815 -173 0 0 96 99.7 0 0 177 101 0 9.76节点号X Y Z节点号X Y Z节点号X Y Z16 -169 0 0 97 101 0 0 178 101 0 10.7417 -165 0 0 98 102.3 0 0 179 101 0 1618 -161 0 0 99 103.8 0 0 180 101 0 16.819 -157 0 0 100 104.4 0 0 181 101 0 17.620 -153 0 0 101 105 0 0 182 101 0 18.421 -149 0 0 102 106.5 0 0 183 101 0 19.222 -145 0 0 103 110 0 0 184 101 0 2023 -141 0 0 104 113.5 0 0 185 101 0 20.824 -137 0 0 105 117 0 0 186 101 0 21.625 -133 0 0 106 121 0 0 187 101 0 22.426 -129 0 0 107 125 0 0 188 101 0 23.227 -125 0 0 108 129 0 0 189 101 0 2428 -121 0 0 109 133 0 0 190 101 0 24.829 -117 0 0 110 137 0 0 191 101 0 25.630 -113.5 0 0 111 141 0 0 192 101 0 26.431 -110 0 0 112 145 0 0 193 101 0 27.832 -106.5 0 0 113 149 0 0 194 -185 0 -0.9533 -105 0 0 114 153 0 0 195 -181 0 -0.9534 -104.4 0 0 115 157 0 0 196 -177 0 -0.9535 -103.8 0 0 116 161 0 0 197 -173 0 -0.9536 -102.3 0 0 117 165 0 0 198 -169 0 -0.9537 -101 0 0 118 169 0 0 199 -165 0 -0.9538 -99.7 0 0 119 173 0 0 200 -161 0 -0.9539 -98.2 0 0 120 177 0 0 201 -157 0 -0.9540 -97.6 0 0 121 181 0 0 202 -153 0 -0.9541 -97 0 0 122 185 0 0 203 -149 0 -0.9542 -95.5 0 0 123 189 0 0 204 -145 0 -0.9543 -92 0 0 124 193 0 0 205 -141 0 -0.9544 -88.5 0 0 125 197 0 0 206 -61 0 -0.9545 -85 0 0 126 201 0 0 207 -57 0 -0.9546 -81 0 0 127 203 0 0 208 -53 0 -0.9547 -77 0 0 128 205 0 0 209 -49 0 -0.9548 -73 0 0 129 206.5 0 0 210 -45 0 -0.9549 -69 0 0 130 208 0 0 211 -41 0 -0.9550 -65 0 0 131 209.5 0 0 212 -37 0 -0.9551 -61 0 0 132 210.25 0 0 213 -33 0 -0.9552 -57 0 0 133 211 0 0 214 -29 0 -0.95节点号X Y Z节点号X Y Z节点号X Y Z53 -53 0 0 134 -101 0 -62.736 215 -25 0 -0.9554 -49 0 0 135 -101 0 -56.736 216 -21 0 -0.9555 -45 0 0 136 -101 0 -54.236 217 -17 0 -0.9556 -41 0 0 137 -101 0 -48.236 218 17 0 -0.9557 -37 0 0 138 -101 0 -42.236 219 21 0 -0.9558 -33 0 0 139 -101 0 -34.324 220 25 0 -0.9559 -29 0 0 140 -101 0 -26.412 221 29 0 -0.9560 -25 0 0 141 -101 0 -18.5 222 33 0 -0.9561 -21 0 0 142 -101 0 -12.5 223 37 0 -0.9562 -17 0 0 143 -101 0 -6.5 224 41 0 -0.9563 -13 0 0 144 101 0 -62.736 225 45 0 -0.9564 -9 0 0 145 101 0 -56.736 226 49 0 -0.9565 -5 0 0 146 101 0 -54.236 227 53 0 -0.9566 -1 0 0 147 101 0 -48.236 228 57 0 -0.9567 0 0 0 148 101 0 -42.236 229 61 0 -0.9568 1 0 0 149 101 0 -34.324 230 141 0 -0.9569 5 0 0 150 101 0 -26.412 231 145 0 -0.9570 9 0 0 151 101 0 -18.5 232 149 0 -0.9571 13 0 0 152 101 0 -12.5 233 153 0 -0.9572 17 0 0 153 101 0 -6.5 234 157 0 -0.9573 21 0 0 154 -101 0 1 235 161 0 -0.9574 25 0 0 155 -101 0 4.89 236 165 0 -0.9575 29 0 0 156 -101 0 8.78 237 169 0 -0.9576 33 0 0 157 -101 0 9.76 238 173 0 -0.9577 37 0 0 158 -101 0 10.74 239 177 0 -0.9578 41 0 0 159 -101 0 16 240 181 0 -0.9579 45 0 0 160 -101 0 16.8 241 185 0 -0.9580 49 0 0 161 -101 0 17.681 53 0 0 162 -101 0 18.43)建立单元可以通过“模型”菜单项，也可以通过树形菜单，选择建立单元命令。

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斜拉桥

斜拉桥


斜拉桥的结构
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。斜拉桥是一种自锚式 体系，斜拉索的水平力由梁承受。梁除了支承在墩台 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。
斜拉桥的原理
桥承受的主要荷载并非它上面的汽车或者火车，而是其自
主梁
直接支承桥面并锚固斜缆索。其结构形式主要有：①连 续梁（图3a）。
整体性好，抗风、抗震能力强,刚度大,行车舒适。在预应力混凝土梁中 要受徐变与收缩产生附加力的影响，但可用半悬浮体系予以大大减小。 ②带挂孔的单悬臂梁（图3b）。结构外部是静定的,适用于软土地基,可 以消减混凝土的徐变收缩影响,但结构刚度差。缆索受力大于连续梁,挠 度大,不利于高速行车。③T型刚构（图3c）。除可利用悬臂拼装(灌筑) 法施工（见桥梁施工）外，其优点同单悬臂梁，缺点是墩内弯矩大。 三种结构形式中，以采用连续梁较多。在双跨独塔式斜张桥中，均采 用连续梁。 主梁的横截面形式，主要有三种：①箱形截面（图4a）。因系闭合式 截面，抗扭刚度甚大，尤适用于单面索的独柱式斜张桥。②半封闭式 三角箱形截面（图4b）。两侧具有流线型的三角形箱梁，有很好的抗 风稳定性。③槽形截面（图4c）。桥梁建筑高度（见桥梁）低，有利 于争取桥下净空高度，降低引线或引桥标高。
重，尤其是主梁。以一个索塔为例，索塔的两侧是对称的 斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。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。 斜拉索数量再多，道理也是一样的。之所以要很多条，那 是为了分散主梁给斜拉索的力而已。
斜系杆拱桥内力分析

斜系杆拱桥内力分析

斜系杆拱桥内力分析斜系杆拱桥是一种采用斜杆作为支撑单元的桥梁结构，结构稳定性好，适用于跨度大，荷载反复变化的情况。

在斜系杆拱桥中，内力分析是拱桥设计中重要的一个环节，主要用于确定桥梁各个部位的荷载分布和应力情况。

本文将从斜系杆拱桥的内力分析入手，详细探讨内力分析的基本原理和方法，并结合实际案例进行分析。

一、斜系杆拱桥内力分析的基本原理斜系杆拱桥内力分析的基本原理是基于静力学和弹性力学原理。

在斜系杆拱桥中，内力主要包括桥梁受力的弯矩、剪力和轴力等。

其中，弯矩是桥梁在荷载作用下沿梁轴方向的弯曲产生的力矩，剪力是梁体在支点处的水平力，轴力则是沿梁轴方向的拉伸或压缩力。

内力分析涉及到结构的负载分析和支撑体系的分析。

支撑体系主要包括拱杆、斜杆和基础。

负载分析则是对自荷载、活荷载以及温度变化等因素的考虑，具体涉及到桥梁的载荷、重量和惯性力等问题。

在实际分析中，内力的计算可以利用网格法、有限元法、应变能法等方法进行模型计算，或者采用理论方法进行简化计算。

二、斜系杆拱桥内力分析的方法1.荷载分析荷载分析是内力分析的第一步，主要是确定桥梁所受的各种荷载情况。

常见的荷载包括自重、车辆荷载、人行荷载、风荷载和地震作用等。

其中，车辆荷载是最具挑战性的，因为车辆荷载的大小、速度和方向都不确定，需要通过统计学方法进行分析。

2.静力分析静力分析是内力分析的第二步，主要是通过静平衡条件和桥墩的反力来确定桥梁内力。

在静力分析中，需要注意的是，在计算支撑系数时，不应贪图简便而忽略了支撑杆的长度、梁体的弯曲弹性和支撑杆的形态弹性等因素。

另外，应当根据实际情况考虑支撑体系的完整性。

3.弹性分析弹性分析是内力分析的第三步，主要是针对计算支撑系数时的偏差和不确定性，采用一些弹性理论方法进行调整。

弹性分析包括采用杆系理论、梁理论、板理论和壳理论等方法进行模拟计算，并综合考虑材料的弹性和形变等指标。

弹性分析的结果可以用来优化设计。

三、实例分析：金沙江跨江大桥的内力分析金沙江跨江大桥是一座跨越金沙江的斜系杆拱桥，跨度达到了1018米，是世界上跨度最大的斜系杆拱桥之一。

某三跨预应力混凝土部分斜拉桥动力特性分析

某三跨预应力混凝土部分斜拉桥动力特性分析

某 三 跨 预 应 力 混 凝 土 部 分 斜 拉 桥 动 力 特 性 分 析
郭 庆 超 杨 成 斌 黄 奶 清。 ， ，
（． １ 合肥工业大学 土木与水利工程学 院 ， 安徽 合肥
交 通规 划设 计 研 究 院 ， 徽 合 肥 安 ２０８ ） ３ ０ ８
２ ０ ０ ；． ３ ０ ９ ２ 合肥工业 大学 建筑设 计研究 院 ， 安徽 合 肥
《 程与建设》 ２１ 年第 ２ 工 ０１ ５卷 第 ２期 １ ７ ５
在计 算过程 中假 设 阻尼 矩 阵 ｌ ］ ［ 、 Ｃ 的 － 为 Ｍ］ ［ ］ ｃ 线 性组合 ；Ｋ］ 由梁 、 单 元 刚度 通 过 直 接 刚度 法 ［ 则 索
形成。
采 用 刚性 连接 和弹性 连接来 进行模 拟ｒ ８ ＿ 。为研究 下
部 结构对 整体结 构 动力特性 的影 响 ， 建立 下列三种 形 式 的动力 模型 ： 主墩塔底 固结 ， 渡墩 采用 弹性 连 ① 过 接 。② 主墩墩 底 固结 ， 渡墩 采用 弹性 连 接 。③ 考 过 虑 桩土作 用对结 构 的影 响 ， 土弹簧 单元模 拟桩周 围 用 土抗 力 的影 响 ， 中地基 水平 向抗力 系数取静 力计算 其 的 ２ 值 ＿ 。其 中第 三种 模型如 图 ２ 倍 ５ ］ 所示 。
变 截面箱 梁 ， 梁高 ２ ４ ３ ６ｍ。桥 面全 宽 ２ ．～ ． ８ｍ。主 塔 采用 钢 筋 混 凝 土 独 柱 实 心 矩 形 截 面 ， 桥 向 长 顺
其 中 ，Ｍ］ Ｅ ］ ［ 分 别指 结构 体 系 的质量 、 ［ 、ｃ 、Ｋ］ 阻尼 和
刚度矩 阵 ， Ｏ （） 指 基 础 参 考 输 入 点 的 运 动 位 移 ｛ ｏ ｔ｝
尔 原理 ， 构动 力平 衡方程 为 结
斜拉桥的传力路径

斜拉桥的传力路径

斜拉桥的传力路径斜拉桥的传力路径斜拉桥是一种结构优美、造型独特的大型桥梁，其主要承载结构是由桥塔、斜拉索和桥面板组成的。

其中，斜拉索是承担最大荷载的结构部件之一，其传力路径对于保证整座桥梁的稳定性和安全性至关重要。

一、斜拉索的作用和特点1. 斜拉索的作用斜拉索是斜拉桥中起到承担荷载、传递荷载和保证整座桥梁稳定性和安全性等多种作用的结构部件。

在整座桥梁中，斜拉索处于主要受力状态，因此其设计和制造必须具备高强度、高刚度等特点。

2. 斜拉索的特点（1）高强度：由于斜拉索需要承担巨大的荷载，在设计时需要考虑到它所受到的张力大小，并选择高强度材料进行制造。

（2）高刚度：为了保证整座桥梁在风吹浪打等外界环境下能够保持稳定，需要使得斜拉索具有较高刚度。

（3）轻量化：为了减少整座桥梁的自重，斜拉索需要尽可能轻量化。

二、斜拉索的传力路径1. 概述斜拉桥中，斜拉索通过与桥塔和桥面板的连接，将荷载传递到地基上。

可以说，斜拉索是整座桥梁中最关键的结构部件之一。

其传力路径主要分为以下两个方面：（1）斜拉索与桥塔之间的传力路径；（2）斜拉索与桥面板之间的传力路径。

2. 斜拉索与桥塔之间的传力路径（1）张力传递：当车辆行驶在桥面板上时，荷载会作用于桥面板上，然后通过连接件将荷载传递给斜拉索。

由于斜拉索是受张力状态下工作的结构部件，因此荷载会使得斜拉索产生张力变形。

（2）张力分配：由于每个支撑点所受到的荷载不同，在实际使用中需要对不同支撑点处的张力进行精确分配。

这样才能保证整座桥梁在不同支撑点处具有相应的稳定性和安全性。

（3）张力转移：当荷载通过斜拉索到达桥塔时，需要通过桥塔将张力转移给地基。

这个过程中，桥塔扮演着关键的角色。

3. 斜拉索与桥面板之间的传力路径（1）荷载传递：当车辆行驶在桥面板上时，荷载会作用于桥面板上，然后通过连接件将荷载传递给斜拉索。

由于斜拉索是受张力状态下工作的结构部件，因此荷载会使得斜拉索产生张力变形。