1、第十三章第十三章 斜拉橋的計算理論斜拉橋的計算理論( (同濟大學博士、碩士研究生課程同濟大學博士、碩士研究生課程) ) 肖肖 汝汝 誠誠 ( (同濟大學橋梁工程系同濟大學橋梁工程系) )本章主要內容概概 述述斜拉橋恒載受力狀態的優化斜拉橋恒載受力狀態的優化索力優化的基本概念; 斜拉橋索力優化方法;索力優化的影響矩陣法;斜拉橋的有限位移理論分析斜拉橋的有限位移理論分析前進分析; 倒退分析;初始張拉力與施工預拱度的計算;斜拉橋實時跟蹤控制簡介;斜拉橋的空間分析。第十三章第十三章 斜拉橋的計算理論斜拉橋的計算理論斜拉橋的穩定計算斜拉橋的穩定計算加勁梁的面內穩定實用計算;主塔的實用穩定計算;斜拉橋穩定

2、計算的有限元方法;靜風作用下的橫向穩定分析;考慮二階效應的近似計算考慮二階效應的近似計算活載的線性二階理論近似計算法;偏心增大系數修正法。小小 結結本章主要內容(續)本章主要參考文獻1. 李國豪: , 上海科技文獻出版社 1983 2. 李國豪：.中國鐵道出版社，19923. 周念先、肖汝誠：走向二十一世紀的斜拉橋，鐵道標準設計1998.24. F.Fleming:Nonlinear Static Analysis of Cable-Stayed Bridge Structures, Inter.J.Computers & Structures, Vol.10,1979.5. Tana

3、ka Hiroshi, K.Masahiro and K.Masakatsa: New Cable Tension Adiustment Method for Suspended-Span Bridge, The Second East- Pacific Conf. on Structural Engineering & Construction, Chiarg Mai,Jan. 1989.6. 肖汝誠、賈麗君、宋馨、項海帆.大跨徑斜拉橋設計索力優化及計算施工張拉力的新方法.大型復雜結構的關鍵科學問題及設計理論研究論文集,1999第十三章第十三章 斜拉橋的計算理論斜拉橋的計算理論 斜拉

4、橋誕生于十七世紀。二戰后，由于高強度材料及預應力技術的廣泛應用、施工方法的改進和結構分析理論的發展，使得這一古老橋型喚發出了新的生命力，斜拉橋的復興，成為戰后橋梁發展史上最偉大的成就之一。在短短的五十多年間，斜拉橋有了飛速的發展，成為200米到800米跨徑范圍內最具競爭力的橋梁結構形式之一，并且這一范圍仍有擴大的趨勢。已經建成的日本多多羅橋，跨度高達890m。有理由相信，在大江河口的軟土地基或不適合修建懸索橋的地區，可能修建超過1200米的斜拉橋。1. 1. 概述概述1. 1. 概述概述( (續續) )19381938年，德國年，德國DishingerDishinger提出現代斜拉橋設計概念提

5、出現代斜拉橋設計概念19561956年年, , 德國德國DishingerDishinger在瑞典成功地建造了第一座現代斜拉橋在瑞典成功地建造了第一座現代斜拉橋, , 主跨主跨182.6182.6米的米的StrmsundStrmsund橋橋19601960年，德國年，德國Kln Kln SeverinSeverin橋，主跨橋，主跨301301米的獨塔斜拉橋米的獨塔斜拉橋19621962年，意大利年，意大利MorandiMorandi設計了第一座混凝土斜拉橋，主跨設計了第一座混凝土斜拉橋，主跨235235米的委內瑞拉馬拉開波橋米的委內瑞拉馬拉開波橋1. 1. 概述概述( (續續) )198619

6、86年，加拿大年，加拿大AnnacisAnnacis橋，第一座結合梁橋面斜拉橋，主跨橋，第一座結合梁橋面斜拉橋，主跨465465米米19911991年，挪威年，挪威SkarnsundetSkarnsundet橋橋, , 主跨主跨530530米米, , 是世界最大跨度是世界最大跨度P.C.P.C.斜拉橋斜拉橋1993年，中國上海楊浦大橋年，中國上海楊浦大橋, 主跨主跨602米結合梁斜拉橋米結合梁斜拉橋, 是當時是當時世界最大跨度斜拉橋世界最大跨度斜拉橋1. 1. 概述概述( (續續) )19951995年，法國諾曼第大橋年，法國諾曼第大橋, , 主跨主跨856856米米, , 混合梁斜拉橋，大大

7、推混合梁斜拉橋，大大推進了斜拉橋大跨化進了斜拉橋大跨化19981998年，瑞典厄勒松海峽大橋，主跨年，瑞典厄勒松海峽大橋，主跨490490米，世界最大跨度公鐵米，世界最大跨度公鐵兩用斜拉橋；采用兩用斜拉橋；采用90009000t t巨型浮吊整孔架設技術巨型浮吊整孔架設技術19991999年，日本多多羅橋，主跨年，日本多多羅橋，主跨890890米，是世界最大跨度斜拉橋米，是世界最大跨度斜拉橋1. 1. 概述概述( (續續) )五十年斜拉橋跨徑增長五十年斜拉橋跨徑增長 1. 1. 概述概述( (續續) )世界大跨徑斜拉橋一覽表世界大跨徑斜拉橋一覽表1. 1. 概述概述( (續續) )1. 1. 概

8、述概述( (續續) )梁的高跨比呈減小的趨勢并向輕型化發展梁的高跨比呈減小的趨勢并向輕型化發展 隨著密索體系的采用和跨度的增大，斜拉橋結構體系逐漸演變，隨著密索體系的采用和跨度的增大，斜拉橋結構體系逐漸演變，主梁己由稀索時以受彎為主的壓彎構件，演變為密索時以受壓為主的主梁己由稀索時以受彎為主的壓彎構件，演變為密索時以受壓為主的壓彎構件。結構的整體剛度主要由三角桁架的體系剛度提供，主梁或壓彎構件。結構的整體剛度主要由三角桁架的體系剛度提供，主梁或主塔的構件剛度對整體剛度貢獻不大。主塔的構件剛度對整體剛度貢獻不大。 NormandyNormandy橋主跨橋主跨856 m856 m，梁高，梁高3.0

9、5 m3.05 m； TataraTatara橋主跨橋主跨890 m890 m，梁高，梁高2.7 m2.7 m。 斜拉橋的輕型化使結構非線性問題、靜力穩定問題、抗風抗震問斜拉橋的輕型化使結構非線性問題、靜力穩定問題、抗風抗震問題更加突出，設計、施工難度加大，要精心設計、施工。題更加突出，設計、施工難度加大，要精心設計、施工。 1. 1. 概述概述( (續續) )結構形式多樣化結構形式多樣化 結構體系結構體系縱向縱向獨塔、雙塔、多塔獨塔、雙塔、多塔1. 1. 概述概述( (續續) ) 結構體系結構體系橫向橫向獨柱、雙柱、多柱獨柱、雙柱、多柱1. 1. 概述概述( (續續) ) 結構體系結構體系協

10、作體系協作體系梁梁- -斜拉、懸索斜拉、懸索- -斜拉、剛構斜拉、剛構- -斜拉等斜拉等1. 1. 概述概述( (續續) ) 錨固形式錨固形式 除了傳統的自錨式外，還出現了自錨與地錨結合的形式。除了傳統的自錨式外，還出現了自錨與地錨結合的形式。 我國跨徑我國跨徑414m414m的鄖陽漢江的鄖陽漢江大橋，邊跨大橋，邊跨43m43m，另設，另設43m43m地錨。地錨。邊跨與主跨之比，不包括地錨邊跨與主跨之比，不包括地錨時為時為0.1040.104。主跨中部設鋼箱結。主跨中部設鋼箱結構的無軸力接頭。構的無軸力接頭。 西班牙跨徑西班牙跨徑440m440m的的LunaLuna橋橋，邊跨，邊跨67m67m

11、，另設，另設35m35m地錨。邊地錨。邊跨與主跨之比，不包括地錨時跨與主跨之比，不包括地錨時為為0.1520.152。主跨中部設剪力鉸。主跨中部設剪力鉸。1. 1. 概述概述( (續續) ) 主梁形式主梁形式 除了以往采用鋼和混凝土主梁的斜拉橋外，新出現了：除了以往采用鋼和混凝土主梁的斜拉橋外，新出現了：疊合梁斜拉橋、混合梁斜拉橋疊合梁斜拉橋、混合梁斜拉橋 其它其它 矮塔斜拉橋矮塔斜拉橋( (部分斜拉橋部分斜拉橋) )花色斜拉橋花色斜拉橋1. 1. 概述概述( (續續) )疊合梁斜拉橋、復合梁斜拉橋疊合梁斜拉橋、復合梁斜拉橋 與混凝土斜拉橋相比，與混凝土斜拉橋相比，疊疊合梁斜拉橋跨度大、自重輕

12、、安裝節段合梁斜拉橋跨度大、自重輕、安裝節段長、施工速度快；與鋼斜拉橋相比，長、施工速度快；與鋼斜拉橋相比，疊疊合梁斜拉橋剛度大、造價低、合梁斜拉橋剛度大、造價低、橋面養護容易。橋面養護容易。疊合或復合梁形式主要有三種方式：疊合或復合梁形式主要有三種方式：(1) (1) 豎向結合：混凝土橋面板和鋼梁結合，即所謂的疊合梁。如豎向結合：混凝土橋面板和鋼梁結合，即所謂的疊合梁。如AnnacisAnnacis橋、橋、南浦大橋、楊浦大橋；南浦大橋、楊浦大橋；(2) (2) 縱向結合：中跨采用鋼梁或結合梁，邊跨采用砼梁的混合結構，縱向結合：中跨采用鋼梁或結合梁，邊跨采用砼梁的混合結構，即所謂的復合梁，如徐

13、浦大橋、即所謂的復合梁，如徐浦大橋、NormandyNormandy大橋、大橋、TataraTatara大橋；大橋；(3) (3) 橫向結合：混凝土邊主梁和鋼橫梁組成格構體系，上面覆蓋混凝橫向結合：混凝土邊主梁和鋼橫梁組成格構體系，上面覆蓋混凝土橋面板；（用于梁高較小、橋面較寬的結構中）土橋面板；（用于梁高較小、橋面較寬的結構中）1. 1. 概述概述( (續續) )部分斜拉橋部分斜拉橋 部分斜拉橋的構造和受力介于連續梁和斜拉橋之間。從外觀看，部分斜拉橋的構造和受力介于連續梁和斜拉橋之間。從外觀看，與常規斜拉橋相比它有以下特點：與常規斜拉橋相比它有以下特點：(1) (1) 橋塔較矮。橋塔高與跨徑

14、之比一般為橋塔較矮。橋塔高與跨徑之比一般為1/121/81/121/8。(2) (2) 斜拉索集中在塔頂鞍座上通過。斜拉索集中在塔頂鞍座上通過。 (3) (3) 沒有端錨索。沒有端錨索。(4) (4) 主梁無索區較長。主梁無索區較長。(5) (5) 邊跨與主跨的跨度之比較大。邊跨與主跨的跨度之比較大。(6) (6) 梁高與跨度之比較大，一般為梁高與跨度之比較大，一般為1/401/401/201/20。(7) (7) 部分斜拉橋的拉索應變幅一般只有斜拉橋的部分斜拉橋的拉索應變幅一般只有斜拉橋的1/31/3左右。左右。(8) (8) 經濟性能好，拉索安全系數一般取與預應力索相同。經濟性能好，拉索安

15、全系數一般取與預應力索相同。 部分斜拉橋尤其適用于多塔多跨和塔高受限制的情形，從剛度和部分斜拉橋尤其適用于多塔多跨和塔高受限制的情形，從剛度和疲勞考慮，它更適用于鐵路橋或雙層橋面。疲勞考慮，它更適用于鐵路橋或雙層橋面。1. 1. 概述概述( (續續) )花色斜拉橋花色斜拉橋 西班牙西班牙AlamilloAlamillo橋橋捷克捷克MarianMarian橋橋 這兩座斜拉橋都沒有背索，其標新立異的不對稱造型顯示出剛勁、這兩座斜拉橋都沒有背索，其標新立異的不對稱造型顯示出剛勁、平衡和力度。平衡和力度。但它違背了基本的受力原理，這種耗資巨大的造型藝術，但它違背了基本的受力原理，這種耗資巨大的造型藝術

16、，人們評說不一。人們評說不一。 無背索斜拉橋無背索斜拉橋 1. 1. 概述概述( (續續) ) 曲線斜拉橋曲線斜拉橋 1. 1. 概述概述( (續續) )大跨化大跨化 1999年年5月月1日，位于日本日，位于日本Nishi-Seto高速公路上的高速公路上的Tatara斜拉橋建成，斜拉橋建成，其主跨長達其主跨長達890米，超過了米，超過了1995年建成的主跨為年建成的主跨為856米的法國米的法國Normandy斜斜拉橋，成為當今世界上主跨最大的斜拉橋。拉橋，成為當今世界上主跨最大的斜拉橋。 1. 1. 概述概述( (續續) ) 正在修建的中國蘇通長江大橋主跨將達到正在修建的中國蘇通長江大橋主跨將

17、達到1088m。1. 1. 概述概述( (續續) ) 正在修建的中國香港昂船洲大橋的主跨達到正在修建的中國香港昂船洲大橋的主跨達到1018m。1. 1. 概述概述( (續續) ) 修建中的上海修建中的上海-崇明通道，斜拉橋主跨將達到崇明通道，斜拉橋主跨將達到730。 我國的斜拉橋設計建造技術已跨入世界先進行列：建成的上海楊浦大橋，跨度達602米，是世界矚目的疊合梁斜拉橋。隨著一系列跨海通道被列入議事日程，已經開始建造跨徑超過1000米的斜拉橋。斜拉橋是塔、梁、拉索三種基本構件組成的纜索承重結構體系，結構表現為柔性的受力特性。斜拉橋的設計計算要根據其結構形式、設計階段和計算要求來選用相應的力學模

18、式和計算理論。1. 1. 概述概述( (續續) )1. 1. 概述概述( (續續) )q計算模式是設計計算的關鍵。計算模式是設計計算的關鍵。在概念設計階段，主要研究結構的設計參數，以求獲得理想的結構布置，因此，對結構內力精度要求不高，可以采用平面桿系模式；在技術設計階段，若僅僅計算恒、活載作用下結構的內力，仍可選用平面桿系模式，此時活載的空間效應用橫向分布系數或偏載系數來表達；1. 1. 概述概述( (續續) )q 計算模式是設計計算的關鍵。若要計算空間荷載(風載、地震荷載、局部溫差等)作用下的靜力響應時，一般選用空間桿系模式，如圖13.1(a)所示。選用這種模式，要特別注意實際結構與計算模式

19、間的剛度等效性；若要計算全橋構件的應力分布特性，可選用空間板殼、塊體和梁單元的組合模式，如圖13.1(b)所示。選用這類模式須特別注意不同單元結合部的節點位移協調性。 a) a) 空間桿系模式空間桿系模式 b) b) 塊、殼、梁組合模式塊、殼、梁組合模式 圖圖13-1 13-1 斜張橋計算模式斜張橋計算模式 q計算模式是設計計算的關鍵。為了研究斜拉橋結構中特殊部件(如斜拉索錨索區、塔梁固結區)的應力集中現象，可進行局部應力有限元分析。根據圣維南原理，將特殊構件從整體結構中取出，細分結構網格，將整體結構在分離斷面處的內力、位移作為被分析子結構的邊界條件進行二次分析。總之，選取力學模式要力求簡單、

20、合理，并能抓住主要矛盾。q計算理論的選用也是十分重要的。計算理論的選用也是十分重要的。大跨徑斜拉橋是柔性結構體系，非線性影響較為突出。非線性主要體現在材料和幾何非線性兩個方面。在概念設計階段，主要研究成橋狀態下宏觀的力學響應特征，此時結構剛度較大，因此，計算可采用計入徐變、收縮的準非線性分析理論，對特大跨徑柔性斜拉橋也可按線性二階理論進行分析。在技術設計階段，中等跨徑的斜拉橋恒載分析仍以準非線性分析理論為主。超大跨徑斜拉橋一般都要按有限位移理論進行驗算。用有限位移理論計算的結果已自動計入了偏心受壓構件的偏心增大系數，設計中不應重復計入。 q斜拉橋要經歷一個分階段施工的過程。施工分析的最終結果就是斜拉橋成橋時的理論受力狀態。結構在施工過程中剛度遠比成橋狀態為小，幾何非線性突出;結構的荷載(自重、施工機具、預應力等)是在施工過程中逐級施加的;每一施工階段都可能伴隨結構構形變化；構件材料的徐變、收縮；邊界約束增減；預應力張拉和體系轉換。后期結構的受力狀態和力學性能與