斜拉桥与悬索桥计算理论简析.doc

斜拉桥与悬索桥计算理论简析 以前忘记在哪里看到这篇文章了，感觉就像是研究生交的作业一样，呵呵，不过深入浅出，讲的挺明白，把斜拉桥和悬索桥基本的东西都写出来了。我把它修改了一下贴出来，大家可以当科普性的东西看看。 正文： 斜拉桥与悬索桥是桥梁结构中跨越能力最大的两种桥型，随着桥梁建造向大跨径方向发展，它们越来越成为人们研究的热点。通过大跨径桥梁理论的学习，我对斜拉桥与悬索桥的计算理论有了较为系统的了解。在本文中，我想从一个设计者的角度，在概念层次上，对斜拉桥与悬索桥的计算理论做个总结，以加深自己对这些计算理论的理解。 一、斜拉桥的计算理论 斜拉桥诞生于十七世纪，在最近的五十年间，斜拉桥有了飞速的发展，成为200米到800米跨径范围内最具竞争力的桥梁结构形式之一。有理由相信，在大江河口的软土地基上或不适合建造悬索桥的地区，有可能修建超过1200米的斜拉桥。斜拉桥是塔、梁、索三种基本结构组成的缆索承重结构体系，一般表现为柔性的受力特性。 （一）、斜拉桥的静力设计过程 1、方案设计阶段 此阶段也称为概念设计。本阶段的主要任务是凭借设计者的经验，参考别的斜拉桥的设计，结合自己的分析计算，来完成结构的总体布置，初拟构件尺寸。根据此设计文件，设计者或甲方（有些地方领导说了算）进行方案比选。 2、初步设计阶段 本阶段在前一阶段工作的基础上进一步细化。主要任务是：通过反复计算比较以确定恒活载集度、恒载分析、调索初定恒载索力、修正斜拉索截面积、活载及附加荷载计算、荷载组合及梁体配索、索力优化以及强度刚度验算等。 3、施工图设计阶段 此阶段要对斜拉桥的每一部位以及每一施工阶段进行计算，确保结构安全。主要计算内容有：构件无应力尺寸计算、对施工阶段循环倒退分析、计算斜拉索初张力、预拱度计算、强度刚度稳定性验算以及前进分析验算等。 （二）、斜拉桥的计算模式 1、平面杆系加横分系数 此模式用在概念设计阶段研究结构的设计参数，以求获得理想的结构布置。还可用于技术设计阶段，仅仅计算恒载作用下的内力。 2、空间杆系计算模式 此模式用在空间荷载（风载、地震荷载以及局部温差等）作用下的静力响应分析。此模式按照主梁可分为三种：“鱼骨”模式、双梁式模式与三梁式模型。 3、空间板壳、块体和梁单元计算模式 此模式用在计算全桥构件的应力分布特性，这类模式要特别注意不同单元结合部的节点位移协调性。 4、从整体结构中取出的特殊构件 此模式主要是为了研究斜拉索锚固区等的应力集中现象。根据圣维南原理，对结构进行二次分析。 （三）、斜拉桥的计算理论 根据线性与非线性将其分为三类。 1、微小变形理论，即弹性理论 这种计算方法将拉索简化为桁单元，其余部分用梁单元进行模拟，不考虑非线性影响。此计算方法适用于中小跨径的斜拉桥，或用于方案设计阶段。 2、准非线性计算理论 包括三种：计入收缩徐变的线性弹性分析理论、考虑二阶效应的近似计算以及弹性理论计算结果乘以增大（大于1）系数。适用于概念设计阶段的计算，或计算中小跨径的斜拉桥。 3、有限位移理论 这是精确分析施工和正常使用阶段，以及结构在各种荷载下的静力响应的方法，适用于大跨桥梁设计的技术设计阶段的计算。用于前进分析与倒退分析中，以及成桥状态最优索力的确定。引起斜拉桥几何非线性的因素主要有以下三个方面：（1）索的垂度的影响 将斜拉索模拟成桁单元，并用修正的弹性模量。当索力应力水平较低时，可直接用柔索单元来模拟斜拉索。（2）梁柱效应 斜拉桥的主梁、主塔都工作在压弯状态，引起了梁柱效应。用梁单元分析时，可用稳定函数表示的几何非线性刚度矩阵和一般的几何刚度矩阵，来计入这一效应。（3）大位移效应 由于斜拉桥为柔性结构，外荷载作用下结构变形较大。可用大位移刚度矩阵或基于U.L列式的有限位移理论（拖动坐标法）计入这一效应。恒载与附加荷载的非线性计算，以计算荷载作用前的状态为初态，活载的非线性计算以成桥状态为初始内力状态，活载用影响区加载法来计算。 （四）、斜拉桥的计算内容 按照设计过程，斜拉桥的计算内容包括： 1、斜拉桥的恒载受力状态的优化计算 以往的斜拉桥索力优化计算归为三大类：指定受力状态的索力优化、无约束的索力优化和有约束的索力优化。肖老师利用调值计算的原理，提出了索力优化的影响矩阵法，用于成桥状态的索力优化与施工阶段的索力优化。 2、倒退分析 以成桥状态t=t0时刻的最优内力状态为参考状态，以设计的成桥线形为参考线形，对结构进行倒退分析。考虑到计算状态的不闭合；结构预应力、徐变、收缩引起结构倒退分析内力和实际内力的不闭合；以及斜拉索垂度效应和大位移效应等几何非线性的因素，肖老师提出了采用前进、倒退分析交互迭代法，可消除这些不闭合因素。通过倒退分析，可以得到初始张拉力、施工张拉力及预拱度。 3、前进分析 即施工仿真计算，施工终态的内力即为实