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二、斜拉桥索力调整理论
一、斜拉桥概述
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三、midasCivil中的斜拉桥功能
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目录
四、斜拉桥分析例题
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一、斜拉桥概述
斜拉桥的上部结构是由梁、索、塔三个主要部分组成,它是一种桥面体系以加劲梁受压(密索)或受弯(稀索)为主,支承体系以斜索受拉及桥塔受压为主的桥梁。
1956年,瑞典建成的Stroemsund桥拉开了现代斜拉桥建设的序幕。随后斜拉桥建设如雨后春笋般蓬勃发展,其跨径已经进入以前悬索桥适用的特大跨径范围。
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二、斜拉桥索力调整理论
斜拉桥不仅具有优美的外形,而且具有良好的力学性能,其主要优点在于:恒载作用下,拉索的索力是可以调整的。斜拉桥可以认为是大跨径的体外预应力结构。
在力学性能方面,当在恒载作用时,斜拉索的作用并不仅仅是弹性支承,更重要的是它能通过千斤顶主动地施加平衡外荷载的初张力,正是因为斜拉索的索力是可以调整的,斜拉索才可以改变主梁的受力条件。活载作用下,斜拉索对主梁提供了弹性支承,使主梁相当于弹性支承的连续梁。由此可见,对于斜拉桥而言,斜拉索的初张力分析是非常重要的。
张拉斜拉索时,实际上已经将该斜拉索脱离出来单独工作,因为斜拉索的张力和结构的其它部分无关,而只与千斤顶有关,因此在张拉斜拉索时,其初张力效应必须采用隔离体分析(midasCivil中采用体外力来进行模拟)。
确定斜拉索张拉力的方法主要有刚性支承连续梁法、零位移法、倒拆和正装法、无应力状态控制法、内力平衡法和影响矩阵法等,各种方法的原理和适用对象请参考刘士林等编著的公路桥梁设计丛书-《斜拉桥》。
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刚性支承连续梁法是指成桥状态下,斜拉桥主梁的弯曲内力和刚性支承连续梁的内力状态一致。因此可以非常容易地根据连续梁的支承反力确定斜拉索的初张力。
1)刚性支承连续梁法
2)零位移法
3)倒拆和正装法
零位移法的出发点是通过索力调整,使成桥状态下主梁和斜拉索的交点的位移为零。对于采用满堂支架一次落架的斜拉桥体系,其结果与刚性支承连续梁法的结果基本一致。
上述2种方法用于确定主跨和边跨对称的单塔斜拉桥的索力是最为有效的,对于主跨和边跨几乎对称的3跨斜拉桥次之,对于主跨和边跨的不对称性较大的斜拉桥,几乎失去了作用(因为这两种方法必然导致比较大的塔根弯矩,失去了索力优化的意义)。
倒拆法是斜拉桥安装计算广泛采用的一种方法,通过倒拆、正装交替计算,确定各施工阶段的安装参数,使结构逐步达到预定的线形和内力状态。
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以上简单介绍了斜拉桥索力调整的几种方法,实际施工中的索力调整是比较复杂的,而且实践性很强。结构分析工程师的经验非常重要,只有多次反复试算才可以得到比较满意的索力。例如:对于锚固在支座上方或附近部位的斜拉索的索力对主梁的弯矩和位移的影响非常小,如果取主梁上的位移或弯矩作为控制值,会导致病态方程。对于辅助墩附近的斜拉索建议人为假定索力进行试算,以得到理想的结构内力和线形。
无应力状态法分析的基本思路是:不计斜拉索的非线性和混凝土收缩徐变的影响,采用完全线性理论对斜拉桥解体,只要保证单元长度和曲率不变,则无论按照何种程序恢复还原后的结构内力和线形将与原结构一致。
4)无应力状态控制法
5)内力平衡法
6)影响矩阵法
内力平衡法的基本原理是:设计适当或合理的斜拉索初张力,以使结构各控制截面在恒载和活载共同作用下,上翼缘的最大应力和材料允许应力之比等于下翼缘的最大应力和材料允许应力之比。
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三、midasCivil中的斜拉桥功能
斜拉桥的设计过程与一般梁式桥的设计过程有所不同。对于梁式桥梁结构,如果结构尺寸、材料、二期恒载都确定之后,结构的恒载内力也随之基本确定,无法进行较大的调整。但对于斜拉桥,由于其荷载是由主梁、桥塔和斜拉索分担的,合理地确定各构件分担的比例是十分重要的。因此斜拉桥的设计首先是确定其合理的成桥状态,即合理的线形和内力状态,其中起主要调整作用的就是斜拉索的张拉力。
确定斜拉索张拉力的方法主要有刚性支承连续梁法、零位移法、倒拆和正装法、无应力状态控制法、内力平衡法和影响矩阵法等,各种方法的原理和适用对象请参考刘士林等编著的公路桥梁设计丛书-《斜拉桥》。
midasCivil程序针对斜拉桥的张拉力确定、施工阶段分析、非线性分析等提供了多种解决方案,下面就一些斜拉桥功能做一些说明。
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第一步
成桥状态分析
第一步:进行成桥状态分析,即建立成桥模型,考虑结构自重、二期恒载、斜拉索的初拉力(单位力),进行静力线性分析后,利用“未知荷载系数”的功能,根据影响矩阵求出满足所设定的约束条件(线形和内力状态)的初拉力系数。此时斜拉索需采用桁架单元来模拟,这是因为斜拉桥在成桥状态时拉索的非线性效应可以看作不是很大,而且影响矩阵法的适用前提是荷载效应的线性叠加(荷载组合)成立。
第二步
倒拆施工阶段分析
第二步:利用算得的成桥状态的初拉力(不再是单位力),建立成桥模型并定义倒拆施工阶段,以求出在各施工阶段需要张拉的索力。此时斜拉索采用只受拉索单元来模拟,在施工阶段分析控制对话框中选择“体内力”。
第三步:根据倒拆分析得到的各施工阶段拉索的内力,将其按初拉力输入建立正装施工阶段的模型并进行分析。此时斜拉索仍可采用只受拉索单元来模拟,但在施工阶段分析控制对话框中选择“体外力”。
第三步
正装施工阶段分析
斜拉桥常规分析流程
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但是设计人员会发现上述过程中,倒拆分析和正装分析的最终阶段(成桥状态)的结果是不闭合的。这是因为合拢段在倒拆分析和正装分析时的结构体系差异,导致正装分析时得到的最终阶段(成桥阶段)的内力与单独做成桥阶段分析(平衡状态分析)的结果有差异。即,初始平衡状态分析(成桥阶段分析)时,同时考虑了全部结构的自重、索拉力以及二期荷载的影响;而在正装分析时,合拢之前所有阶段的加劲梁会因为自重、索拉力产生变形,合拢时合拢段只受自身的自重影响而不受其它结构的自重和索拉力的影响。
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几种索单元类型:
桁架单元
只受拉桁架单元
只受拉钩单元
只受拉索单元 (恩斯特公式修正的索单元、 大变形的悬索单元)
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