第一章 緒論

1.1 斜拉橋的發(fā)展概述
斜拉橋結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，仍然散發(fā)著新的活力。數(shù)百年之前，關(guān)于斜拉橋的初步設(shè)想和實踐開始出現(xiàn)在人類的工程活動中。在亞洲，老撾和爪哇都曾發(fā)現(xiàn)過斜拉結(jié)構(gòu)的人行橋，這種斜拉結(jié)構(gòu)通常用藤條和竹子架設(shè)。十八世紀(jì)初，兩座斜拉橋發(fā)生倒塌，來自法國的工程師 Navier 對事故原因進(jìn)行調(diào)查分析后認(rèn)為此次倒塌事故是由超載引起，并認(rèn)為在力學(xué)性能方面懸索橋優(yōu)越于斜拉橋[1]。這一結(jié)論致使斜拉橋在相當(dāng)長的時期內(nèi)被業(yè)內(nèi)工程師們所忽視而發(fā)展十分緩慢[2]。
1955 年，第一座現(xiàn)代化的大跨徑斜拉橋建成并投入使用。二戰(zhàn)結(jié)束后，工程師 Dischinger 設(shè)計建成了位于瑞典主跨徑為 182.6m 姆桑德橋。該橋全部采用斜拉式結(jié)構(gòu)，以鋼板梁為主梁，采用橫梁在中間進(jìn)行連接，利用雙塔式結(jié)構(gòu)，每塔使用兩對高強度的鋼絲拉索，梁上索距為 35m 左右，塔高 28m 為跨徑的 1/6.5，梁高 3.25m 為跨徑的 1/56。以現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)來衡量，這座橋在細(xì)節(jié)上仍然存在著一些不足，例如索塔造型設(shè)計缺乏美感，橋面采用分離式混凝土梁等。但是該橋在橋梁結(jié)構(gòu)上開創(chuàng)了工程界的新紀(jì)元，創(chuàng)造出一種前所未有的橋型結(jié)構(gòu)。

二十世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)理論體系的進(jìn)步和數(shù)值分析技術(shù)不斷成熟，使大跨徑斜拉橋得到發(fā)展。自二十世紀(jì)七十年代開始，斜拉橋的實際工程應(yīng)用進(jìn)入快速發(fā)展的階段。到二十世紀(jì)九十年代，斜拉橋的跨徑達(dá)到懸索橋適應(yīng)的特大跨徑的范圍之內(nèi)，且其建造數(shù)量也不斷攀升。斜拉橋跨徑不斷刷新的世界紀(jì)錄是其不斷發(fā)展的重要標(biāo)志[3][4]。斜拉橋跨徑紀(jì)錄在上世紀(jì)七十到八十年代更新緩慢，自九十年代開始，斜拉橋跨境紀(jì)錄不斷刷新，斜拉橋在工程界的復(fù)興和在工程實踐中的輝煌曾被認(rèn)為是二十世紀(jì)下半葉[5]橋梁界最重要的事，斜拉橋主跨跨徑世界紀(jì)錄見表 1.1。

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1.2 斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點與發(fā)展趨勢
1.2.1 斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點
斜拉橋是一種由受彎為主的構(gòu)件梁、受壓為主的構(gòu)件塔以及索組成的結(jié)構(gòu)。此橋型的工作原理主要是利用斜拉索對主梁起到中間彈性支撐的作用，從而將主梁上出現(xiàn)的最大彎矩降低，這樣便可相應(yīng)減輕主梁的自重，進(jìn)而將斜拉橋主梁的跨徑提高，其中斜拉索會對橋塔和主梁進(jìn)行連接。斜拉橋作為一種應(yīng)用較廣的橋梁形式，同時具有大跨徑梁式橋和懸索橋的特點[7]，受力情況如圖 1.1 所示：
目前對于大跨徑斜拉橋來說，尤其是跨海超大跨斜拉橋，其發(fā)展面臨著諸多技術(shù)問題的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在如下方面：
（1） 超大跨徑斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系及此類橋型力學(xué)性能存在較多問題若斜拉橋跨度超過 2000 米，在進(jìn)行橋梁設(shè)計時需要解決較多的特殊力學(xué)問題。例如：連續(xù)多跨斜拉橋的剛度問題；風(fēng)荷載作用下空氣靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散和側(cè)向彎扭屈問題；超大跨斜拉橋的面內(nèi)屈穩(wěn)定問題以及主梁側(cè)向變形以及顫振穩(wěn)定性問題等。
（2） 高強、輕質(zhì)、耐腐蝕性高的材料有待開發(fā)
為了將超大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)的自重減輕以提高其跨域能力，對于高強、輕質(zhì)、耐腐蝕性高的高性能材料的開發(fā)和研制顯得十分重要。發(fā)展推廣強度高、性能好、耐腐蝕的混凝土材料是減少基礎(chǔ)、橋塔以及橋墩尺寸和造價的需要，也是超跨斜拉橋發(fā)展的需要。除此之外，有一種纖維加勁塑料即 FRP，將此種材料應(yīng)用于超大跨徑斜拉橋是橋梁工程今后發(fā)展的一個新方向。

在斜拉橋結(jié)構(gòu)中，因為拉索為其主梁提供了多點彈性支承[11]，正所謂“牽一索而動全橋”，斜拉索索力的微小變化有可能會造成橋梁內(nèi)力的顯著變化。成橋內(nèi)力分布的好壞是對斜拉橋設(shè)計優(yōu)劣的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一[12]。橋塔、梁在活、恒載作用下的彎曲應(yīng)力較小而且其分布較為均勻的受力狀態(tài)即是斜拉橋合理的成橋狀態(tài)。通過對斜拉橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計找到一組可以使橋梁達(dá)到最合理受力狀態(tài)的最優(yōu)斜拉索索力。所以，確定斜拉橋合理成橋狀態(tài)最主要的就是通過設(shè)計者的優(yōu)化設(shè)計確定一組合理的成橋索力[13]。

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第二章 斜拉橋結(jié)構(gòu)有限元分析理論

2.1 斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計理論
國內(nèi)外很多學(xué)者都做了相關(guān)研究，總結(jié)來說，索力優(yōu)化方法主要有：零位移法、剛性支承連續(xù)梁法、彎曲能量最小法、彎矩最小法、用索量最小法 內(nèi)力平衡法及影響矩陣法。前六種方法區(qū)別主要在于索力優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的不同，但是這幾種方法都存在一定的局限性，優(yōu)化目標(biāo)過于單一，而影響矩陣方法主要是作為斜拉橋這種幾何非線性結(jié)構(gòu)索力優(yōu)化的實現(xiàn)工具，本文通過橋梁專業(yè)非線性有限元程序 Midas Civil2012 利用影響矩陣法和剛性支承連續(xù)梁法以及主梁力的平衡法結(jié)合的方法達(dá)到多目標(biāo)的索力優(yōu)化。斜拉橋成橋索力優(yōu)化方法已經(jīng)在緒論中詳細(xì)介紹，雖然每一種方法都有其適應(yīng)性與便捷性，但每種方法也都存在各種各樣的局限性。

基于索力影響矩陣的主梁力的平衡法與剛性支承連續(xù)梁法相結(jié)合確定合理成橋索力的方法克服了其他方法因優(yōu)化目標(biāo)過于單一導(dǎo)致的索力不合理的缺點；確定混凝土斜拉橋的合理成橋索力時是以主梁合理的成橋內(nèi)力為目標(biāo)，而不是以主梁位移為目標(biāo)，這種方法直接以主梁控制截面的彎矩值為目標(biāo)，得到的索力更加接近合理成橋狀態(tài)的要求。此方法可以考慮預(yù)應(yīng)力鋼束的影響作用，在計算恒載彎矩與目標(biāo)彎矩過程中可以在模型中考慮預(yù)應(yīng)力鋼束對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響。同時，在確定目標(biāo)彎矩與恒載彎矩的過程中不涉及斜拉索的作用，因此，此方法可以避免考慮斜拉索非線性問題。

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2.2 斜拉橋結(jié)構(gòu)有限元分析理論
2.2.1 斜拉橋結(jié)構(gòu)有限元分析原理
通常選用空間桿系模型進(jìn)行分析計算[38]；嚴(yán)格意義上說這是一種對斜拉橋空間效應(yīng)的近似和簡化的方法，而且實踐經(jīng)驗表明這種處理方法是行之有效的。橋梁設(shè)計中常常需要考慮的問題是幾何非線性問題[39][40]。在設(shè)計過程中，除了考慮桿系結(jié)構(gòu)的有限位移理論之外，往往要考慮關(guān)于幾何非線性效應(yīng)的三方面因素：

在進(jìn)行斜拉橋設(shè)計時，斜拉索索力不僅需要有較大的靈活性而且需要均勻分布。通常，斜拉索索力的分布規(guī)律為長索索力相對較大而短索索力相對較小，呈遞減趨勢，但是局部地方同樣允許索力的突變，這樣有利于長索剛度的提高同時可以減小下?lián)虾驼穹鵞37]。在成橋狀態(tài)下，斜拉橋主梁的恒載彎矩需要控制在“可行域”的范圍之內(nèi)。為了發(fā)揮斜拉橋主塔作為橋體承壓構(gòu)件的特長，橋主塔上的彎矩不能太大。邊墩和輔助墩支座在恒載下要有足夠的壓力儲備。

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第三章 斜拉橋合理成橋索力確定...........................18
3.1 合理成橋索力確定原則............................... 18
3.2 基于影響矩陣的斜拉橋合理成橋索力確定綜合方法 ........18
第四章 工程實例分析 ...................................23
4.1 工程概況 .......................................... 23
4.1.1 工程簡介........................................ 23
第五章 雙塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系分析.........................53
5.1 斜拉橋結(jié)構(gòu)體系 .................................... 53

5.2 雙塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系對比分析....................... 53

第五章 雙塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系分析

5.1 斜拉橋結(jié)構(gòu)體系

組成斜拉橋的構(gòu)件有斜拉索、主梁、索塔、橋墩、基礎(chǔ)等，斜拉橋最大優(yōu)點是具有比較大的跨越障礙及河流的能力，從而減少山谷或水中的橋墩，為橋梁下部通航提供比較大的空間；在斜拉橋設(shè)計總體布局時，通常綜合考慮當(dāng)?shù)氐牡匦�、�?jīng)濟(jì)、跨徑的需求確定選用獨塔、雙塔或多塔方案，，再結(jié)合結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)整體剛度、邊孔通航需求、經(jīng)濟(jì)條件、施工的安全性等布置一個或多個輔助墩。本章結(jié)合第四章所介紹的本文背景工程設(shè)計過程進(jìn)行雙塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系分析，分別分析了邊跨輔助墩設(shè)置和斜拉索布置形式的成橋階段靜力分析對比結(jié)果，通過分析結(jié)果總結(jié)出結(jié)構(gòu)體系變化對雙塔斜拉橋受力特征的影響。

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5.2 雙塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系對比分析
5.2.1 斜拉索布置
將背景工程雙塔斜拉橋原豎琴式拉索布置（如圖 5. 1）改為拉索扇形輻射布置（如圖 5. 2），再將拉索扇形布置的斜拉橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理成橋狀態(tài)確定，進(jìn)行成橋靜力分析，將結(jié)果值與原設(shè)計方案進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表 5.1 所示。

由對比結(jié)果可以看出，此雙塔斜拉橋在豎琴式斜拉索布置與扇形輻射布置相比時，由于前者斜拉索在索塔上的錨固長度比后者長，對索塔的受力狀態(tài)不利，索塔的彎矩有所增加，但在斜拉橋設(shè)計過程中我們可以調(diào)節(jié)邊跨配重來改善索塔彎矩狀態(tài)。同時，我們發(fā)現(xiàn)斜拉索扇形輻射布置時，主梁剛度、主梁應(yīng)力、斜拉索索力與應(yīng)力幅等都較豎琴布置時所增大。

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第六章 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論
本文以某雙塔斜拉橋工程為依托工程，對該斜拉橋進(jìn)行了合理成橋索力確定，同時對雙塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系影響進(jìn)行了分析，研究的主要成果及結(jié)論如下：
1、本文采用非線性有限元軟件 Midas Civil 2012 對依托雙塔斜拉橋工程進(jìn)行模擬，根據(jù)工程所在地實際交通狀況與環(huán)境狀況對該雙塔斜拉橋成橋狀態(tài)及運營階段狀態(tài)進(jìn)行比較真實的模擬，進(jìn)行靜力非線性分析，為雙塔斜拉橋的有限元程序模擬方法提供了比較有參考價值的方法。2.、研究了斜拉橋幾何非線性問題和斜拉橋結(jié)構(gòu)有限元分析理論，總結(jié)了當(dāng)前斜拉橋結(jié)構(gòu)幾何非線性問題的有限元解決方法與原理。
3、針對目前常用的幾種合理成橋索力確定方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了對比分析，闡述了基于索力影響矩陣的主梁力的平衡法與剛性支承連續(xù)梁法相結(jié)合確定合理成橋索力的方法的原理與實現(xiàn)步驟，該方法克服其它方法優(yōu)化目標(biāo)單一與過程繁瑣的缺點，對于預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋可以計入預(yù)應(yīng)力的影響。在斜拉索力與主梁恒載共同作用下主梁達(dá)到剛性支承連續(xù)梁狀態(tài)時，斜拉橋達(dá)到合理成橋狀態(tài)。同時，在確定目標(biāo)彎矩與恒載彎矩的過程中不涉及斜拉索的作用，因此，此方法可以避免考慮斜拉索非線性問題。
4、基于背景工程合理成橋索力的確定，所求得索力與設(shè)計索力比較接近，驗證了基于索力影響矩陣的主梁力的平衡法與剛性支承連續(xù)梁法相結(jié)合確定合理成橋索力的方法是可行的。

5、從斜拉橋的設(shè)計角度對背景工程的成橋與運營階段進(jìn)行計算分析，包括靜力分析、動力特性分析、穩(wěn)定計算及索塔與下部構(gòu)造分析，證明了雙塔斜拉橋在所求得成橋索力的作用下滿足設(shè)計規(guī)范要求。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：208601