双塔斜拉桥合理成桥状态及结构体系分析
第一章 绪论
斜拉桥结构经历了多年的发展，仍然散发着新的活力。数百年之前，关于斜拉桥的初步设想和实践开始出现在人类的工程活动中。在亚洲，老挝和爪哇都曾发现过斜拉结构的人行桥，这种斜拉结构通常用藤条和竹子架设。十八世纪初，两座斜拉桥发生倒塌，来自法国的工程师 Navier 对事故原因进行调查分析后认为此次倒塌事故是由超载引起，并认为在力学性能方面悬索桥优越于斜拉桥[1]。这一结论致使斜拉桥在相当长的时期内被业内工程师们所忽视而发展十分缓慢[2]。
1955 年，第一座现代化的大跨径斜拉桥建成并投入使用。二战结束后，工程师 Dischinger 设计建成了位于瑞典主跨径为 182.6m 姆桑德桥。该桥全部采用斜拉式结构，以钢板梁为主梁，采用横梁在中间进行连接，利用双塔式结构，每塔使用两对高强度的钢丝拉索，梁上索距为 35m 左右，塔高 28m 为跨径的 1/6.5，梁高 3.25m 为跨径的 1/56。以现代的标准来衡量，这座桥在细节上仍然存在着一些不足，例如索塔造型设计缺乏美感，桥面采用分离式混凝土梁等。但是该桥在桥梁结构上开创了工程界的新纪元，创造出一种前所未有的桥型结构。
二十世纪中叶，结构理论体系的进步和数值分析技术不断成熟，使大跨径斜拉桥得到发展。自二十世纪七十年代开始，斜拉桥的实际工程应用进入快速发展的阶段。到二十世纪九十年代，斜拉桥的跨径达到悬索桥适应的特大跨径的范围之内，且其建造数量也不断攀升。斜拉桥跨径不断刷新的世界纪录是其不断发展的重要标志[3][4]。斜拉桥跨径纪录在上世纪七十到八十年代更新缓慢，自九十年代开始，斜拉桥跨境纪录不断刷新，斜拉桥在工程界的复兴和在工程实践中的辉煌曾被认为是二十世纪下半叶[5]桥梁界最重要的事，斜拉桥主跨跨径世界纪录见表 1.1。
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1.2.1 斜拉桥的结构特点
斜拉桥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。斜拉桥作为一种应用较广的桥梁形式，同时具有大跨径梁式桥和悬索桥的特点[7]，受力情况如图 1.1 所示：
目前对于大跨径斜拉桥来说，尤其是跨海超大跨斜拉桥，其发展面临着诸多技术问题的挑战，主要表现在如下方面：
（1） 超大跨径斜拉桥的结构体系及此类桥型力学性能存在较多问题若斜拉桥跨度超过 2000 米，在进行桥梁设计时需要解决较多的特殊力学问题。例如：连续多跨斜拉桥的刚度问题；风荷载作用下空气静力扭转发散和侧向弯扭屈问题；超大跨斜拉桥的面内屈稳定问题以及主梁侧向变形以及颤振稳定性问题等。
（2） 高强、轻质、耐腐蚀性高的材料有待开发
为了将超大跨径斜拉桥结构的自重减轻以提高其跨域能力，对于高强、轻质、耐腐蚀性高的高性能材料的开发和研制显得十分重要。发展推广强度高、性能好、耐腐蚀的混凝土材料是减少基础、桥塔以及桥墩尺寸和造价的需要，也是超跨斜拉桥发展的需要。除此之外，有一种纤维加劲塑料即 FRP，将此种材料应用于超大跨径斜拉桥是桥梁工程今后发展的一个新方向。
在斜拉桥结构中，因为拉索为其主梁提供了多点弹性支承[11]，正所谓“牵一索而动全桥”，斜拉索索力的微小变化有可能会造成桥梁内力的显著变化。成桥内力分布的好坏是对斜拉桥设计优劣的重要衡量标准之一[12]。桥塔、梁在活、恒载作用下的弯曲应力较小而且其分布较为均匀的受力状态即是斜拉桥合理的成桥状态。通过对斜拉桥进行优化设计找到一组可以使桥梁达到最合理受力状态的最优斜拉索索力。所以，确定斜拉桥合理成桥状态最主要的就是通过设计者的优化设计确定一组合理的成桥索力[13]。
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第二章 斜拉桥结构有限元分析理论
国内外很多学者都做了相关研究，总结来说，索力优化方法主要有：零位移法、刚性支承连续梁法、弯曲能量最小法、弯矩最小法、用索量最小法 内力平衡法及影响矩阵法。前六种方法区别主要在于索力优化目标函数的不同，但是这几种方法都存在一定的局限性，优化目标过于单一，而影响矩阵方法主要是作为斜拉桥这种几何非线性结构索力优化的实现工具，本文通过桥梁专业非线性有限元程序 Midas Civil2012 利用影响矩阵法和刚性支承连续梁法以及主梁力的平衡法结合的方法达到多目标的索力优化。斜拉桥成桥索力优化方法已经在绪论中详细介绍，虽然每一种方法都有其适应性与便捷性，但每种方法也都存在各种各样的局限性。
基于索力影响矩阵的主梁力的平衡法与刚性支承连续梁法相结合确定合理成桥索力的方法克服了其他方法因优化目标过于单一导致的索力不合理的缺点；确定混凝土斜拉桥的合理成桥索力时是以主梁合理的成桥内力为目标，而不是以主梁位移为目标，这种方法直接以主梁控制截面的弯矩值为目标，得到的索力更加接近合理成桥状态的要求。此方法可以考虑预应力钢束的影响作用，在计算恒载弯矩与目标弯矩过程中可以在模型中考虑预应力钢束对结构受力状态的影响。同时，在确定目标弯矩与恒载弯矩的过程中不涉及斜拉索的作用，因此，此方法可以避免考虑斜拉索非线性问题。
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2.2.1 斜拉桥结构有限元分析原理
通常选用空间杆系模型进行分析计算[38]；严格意义上说这是一种对斜拉桥空间效应的近似和简化的方法，而且实践经验表明这种处理方法是行之有效的。桥梁设计中常常需要考虑的问题是几何非线性问题[39][40]。在设计过程中，除了考虑杆系结构的有限位移理论之外，往往要考虑关于几何非线性效应的三方面因素：
在进行斜拉桥设计时，斜拉索索力不仅需要有较大的灵活性而且需要均匀分布。通常，斜拉索索力的分布规律为长索索力相对较大而短索索力相对较小，呈递减趋势，但是局部地方同样允许索力的突变，这样有利于长索刚度的提高同时可以减小下挠和振幅[37]。在成桥状态下，斜拉桥主梁的恒载弯矩需要控制在“可行域”的范围之内。为了发挥斜拉桥主塔作为桥体承压构件的特长，桥主塔上的弯矩不能太大。边墩和辅助墩支座在恒载下要有足够的压力储备。
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3.1 合理成桥索力确定原则............................... 18
3.2 基于影响矩阵的斜拉桥合理成桥索力确定综合方法 ........18
第四章 工程实例分析 ...................................23
4.1 工程概况 .......................................... 23
4.1.1 工程简介........................................ 23
第五章 双塔斜拉桥结构体系分析.........................53
5.1 斜拉桥结构体系 .................................... 53
5.2 双塔斜拉桥结构体系对比分析....................... 53
第五章 双塔斜拉桥结构体系分析
组成斜拉桥的构件有斜拉索、主梁、索塔、桥墩、基础等，斜拉桥最大优点是具有比较大的跨越障碍及河流的能力，从而减少山谷或水中的桥墩，为桥梁下部通航提供比较大的空间；在斜拉桥设计总体布局时，通常综合考虑当地的地形、经济、跨径的需求确定选用独塔、双塔或多塔方案，，再结合结构的受力状态、结构整体刚度、边孔通航需求、经济条件、施工的安全性等布置一个或多个辅助墩。本章结合第四章所介绍的本文背景工程设计过程进行双塔斜拉桥结构体系分析，分别分析了边跨辅助墩设置和斜拉索布置形式的成桥阶段静力分析对比结果，通过分析结果总结出结构体系变化对双塔斜拉桥受力特征的影响。
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5.2.1 斜拉索布置
将背景工程双塔斜拉桥原竖琴式拉索布置（如图 5. 1）改为拉索扇形辐射布置（如图 5. 2），再将拉索扇形布置的斜拉桥结构进行合理成桥状态确定，进行成桥静力分析，将结果值与原设计方案进行对比，对比结果如表 5.1 所示。
由对比结果可以看出，此双塔斜拉桥在竖琴式斜拉索布置与扇形辐射布置相比时，由于前者斜拉索在索塔上的锚固长度比后者长，对索塔的受力状态不利，索塔的弯矩有所增加，但在斜拉桥设计过程中我们可以调节边跨配重来改善索塔弯矩状态。同时，我们发现斜拉索扇形辐射布置时，主梁刚度、主梁应力、斜拉索索力与应力幅等都较竖琴布置时所增大。
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第六章 结论与展望
本文以某双塔斜拉桥工程为依托工程，对该斜拉桥进行了合理成桥索力确定，同时对双塔斜拉桥结构体系影响进行了分析，研究的主要成果及结论如下：
1、本文采用非线性有限元软件 Midas Civil 2012 对依托双塔斜拉桥工程进行模拟，根据工程所在地实际交通状况与环境状况对该双塔斜拉桥成桥状态及运营阶段状态进行比较真实的模拟，进行静力非线性分析，为双塔斜拉桥的有限元程序模拟方法提供了比较有参考价值的方法。2.、研究了斜拉桥几何非线性问题和斜拉桥结构有限元分析理论，总结了当前斜拉桥结构几何非线性问题的有限元解决方法与原理。
3、针对目前常用的几种合理成桥索力确定方法的优缺点进行了对比分析，阐述了基于索力影响矩阵的主梁力的平衡法与刚性支承连续梁法相结合确定合理成桥索力的方法的原理与实现步骤，该方法克服其它方法优化目标单一与过程繁琐的缺点，对于预应力混凝土斜拉桥可以计入预应力的影响。在斜拉索力与主梁恒载共同作用下主梁达到刚性支承连续梁状态时，斜拉桥达到合理成桥状态。同时，在确定目标弯矩与恒载弯矩的过程中不涉及斜拉索的作用，因此，此方法可以避免考虑斜拉索非线性问题。
4、基于背景工程合理成桥索力的确定，所求得索力与设计索力比较接近，验证了基于索力影响矩阵的主梁力的平衡法与刚性支承连续梁法相结合确定合理成桥索力的方法是可行的。
5、从斜拉桥的设计角度对背景工程的成桥与运营阶段进行计算分析，包括静力分析、动力特性分析、稳定计算及索塔与下部构造分析，证明了双塔斜拉桥在所求得成桥索力的作用下满足设计规范要求。
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参考文献（略）
本文编号：208601
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/208601.html
