斜拉桥结构整体分析.doc

第4章 结构整体分析 4.1计算原则 斜拉桥的结构分析计算，根据跨度的大小采用两种不同的理论。对于特大跨径的斜拉桥，为消除斜拉索及大变位引起的非线性因素的影响，必须采用有限变形理论；对于中小跨径的斜拉桥，采用小变形理论即可获得满意的结果。平面杆系有限元法是计算斜拉桥内力的基础，其基础理论是小变形理论。 在计算斜拉桥的内力及变形时，一般把空间结构简化成平面结构，但应计算荷载横向分布对结构的影响，以考虑结构的空间效应。而斜拉桥结构较柔，拉索的布置形式，主梁抗扭刚度都有影响，故在计算荷载横向分布系数时应综合考虑。本设计在计算斜拉索和索塔的内力时，采用刚性横梁法来考虑荷载的横向分布系数。 斜拉桥的内力及变形分析主要是斜拉索和索塔，所承受的荷载如2.3.1所述。因主梁的内力计算涉及施工阶段、横向扭转弯矩和剪力滞效应等问题，计算比较复杂，故未进行设计。 本斜拉桥内力计算的基本原则是： （1）采用小变形理论按一般的平面杆系有限元法计算内力，不考虑非线性影响； （2）为方便施工，拉索一次张拉至设计值； （3）索塔在承台处固结，不考虑桩基础的影响； （4）根据结构的对称性，可取一半结构进行计算； （5）斜拉索的安全系数按不小于2.5考虑。 本设计采用MIDAS Civil Ver6.7.0软件进行结构分析。 4.2 基本参数 4.2.1 截面特性 毛截面几何特性计算是结构内力和挠度计算的前提。毛截面计算常用的方法有节线法、分块面积法和AutoCAD的Region/Mass Properties功能等。以下是通过AutoCAD求得的各截面变化处的截面特性，如表4-1所示： 表4-1 截面几何特性 注：混凝土结构计算弹性模量按JTG D62-2004规范取用； 其结构容重C50混凝土为25.0KN/, C60混凝土为26.0KN/。 表4-1中，主梁的截面几何特性是毛截面特性，构件的截面性质应根据不同的计算阶段决定采用换算截面特性还是采用净截面特性；拉索的面积为单根斜拉索的面积。 4.2.2 设计荷载 4.2.2.1 自重 （1）一期自重 主梁混凝土容重为25.0 KN/，桥塔为26.0 KN/，横梁自重按均布荷载作用在杆件元上。一期自重集度为： =25.0×15.335+25.0×0.25×（）=42.0+7.73=49.3 KN/m 4.2.2.2 汽车荷载 （1）设计荷载 公路—I级车道荷载的均布荷载标准值为=10.5 KN/m；集中荷载标准值=360 KN。若计算剪力效应时，集中荷载标准值=360KN×1.2=432KN。 （2）横向折减系数 本斜拉桥横向布置设计车道数为6，取横向折减系数0.55。 （3）纵向折减系数 本桥主跨的计算跨径338m，取纵向折减系数0.97。 （4）冲击系数 双塔斜拉桥（有辅助墩）的竖向弯曲基频： 式中　—竖向弯曲基频（Hz） —斜拉桥主跨跨径（m）=338m，=0.44Hz；当﹤1.5Hz时，=0.05； （5）横向分布系数 《公路斜拉桥设计规范》对荷载横向分布系数的计算方法没有明确规定，经作者反复考虑比较，认为用简化的平面结构计算斜拉桥的内力时，采用考虑主梁抗扭刚度的刚性横梁法来求荷载的横向分布系数是合理的。这种方法适用于有可靠横向联结且桥的宽跨比小于0.5的窄桥。刚性横梁法的计算原理可参照有关资料。 考虑本桥是单索面斜拉桥，横向刚度较大，斜拉索锚固在主梁的扭转中心上，在计算斜拉索的内力时，各偏心车辆荷载在扭转中心所产生的竖向挠度与荷载作用在扭转中心处是等效的，故不需计算横向分布系数。 4.2.2.3 温度作用 均匀温度取±15℃，梁、塔与斜拉索的温差取±10℃，主梁的日照温差按桥面板升温5℃计。 4.2.2.4 基础变位 主墩沉降3.0cm，边、辅助墩沉降2.0cm。 4.3 建模分析　 4.3.1 结构计算简图 图4-1为该桥的结构计算离散图，根据结构对称性，取一半结构进行分析，边界条件为：桥塔固定于承台顶，主梁与塔间为固结，边墩与辅助墩处均设纵向活动支座，结构体系属于刚构体系。索塔与拉索的刚臂连接简化为鱼骨刺形。杆件之间的连接分为两种：主梁和桥塔本身各杆件之间为固结，斜拉索与桥塔及主梁之间为铰结。一个标准梁段分为1个单元，每根斜拉索为一个单元，半桥共划分107个节点，156个单元，其中主梁单元60个，索单元50个，索塔单元36个，主墩单元10个。详见图纸。 图4-1 MIDAS结构计算离散图 注: 图中数字带圆圈者为单元号，无圆圈者为节点号。 4.3.2 索力优化前内力及变形 （1）成桥状态结构自重作用下斜拉索的索力见表4-2： 表4-2 斜拉索的恒载内力