midasCivil2010斜拉橋專題—斜拉橋設計專題IntegratedSolutionSystemforBridgeandCivilStrucutres目錄錄二、斜拉拉橋索力力調整理理論一、斜拉拉橋概述述1.拉索單元元模擬··························································42.未知荷載載系數法法功能···········································73.索力調整整功能··························································74.未閉合配配合力功功能·················································7三、midasCivil中的斜拉拉橋功能能目錄錄四、斜拉拉橋分析析例題1.橋梁概況況·······································································72.斜拉橋成成橋分析析······················································73.斜拉橋倒倒拆分析析·····················································114.斜拉橋正正裝分析析······················································75.斜拉橋穩穩定分析析······················································7一、斜拉拉橋概述述斜拉橋的的上部結結構是由由梁、索索、塔三三個主要要部分組組成，它它是一種種橋面體體系以加加勁梁受受壓(密索)或受彎(稀索)為主，支支承體系系以斜索索受拉及及橋塔受受壓為主主的橋梁梁。1956年，瑞典典建成的的Stroemsund橋拉開了了現代斜斜拉橋建建設的序序幕。隨隨后斜拉拉橋建設設如雨后后春筍般般蓬勃發發展，其其跨徑已已經進入入以前懸懸索橋適適用的特特大跨徑徑范圍。。二、斜拉拉橋索力力調整理理論斜拉橋不不僅具有有優美的的外形，，而且具具有良好好的力學學性能，，其主要要優點在在于：恒恒載作用用下，拉拉索的索索力是可可以調整整的。斜斜拉橋可可以認為為是大跨跨徑的體體外預應應力結構構。在力學性性能方面面，當在在恒載作作用時，，斜拉索索的作用用并不僅僅僅是彈彈性支承承，更重重要的是是它能通通過千斤斤頂主動動地施加加平衡外外荷載的的初張力力，正是是因為斜斜拉索的的索力是是可以調調整的，，斜拉索索才可以以改變主主梁的受受力條件件。活載載作用下下，斜拉拉索對主主梁提供供了彈性性支承，，使主梁梁相當于于彈性支支承的連連續梁。。由此可可見，對對于斜拉拉橋而言言，斜拉拉索的初初張力分分析是非非常重要要的。張拉斜拉拉索時，，實際上上已經將將該斜拉拉索脫離離出來單單獨工作作，因為為斜拉索索的張力力和結構構的其它它部分無無關，而而只與千千斤頂有有關，因因此在張張拉斜拉拉索時，，其初張張力效應應必須采采用隔離離體分析析（midasCivil中采用體體外力來來進行模模擬）。。確定斜拉拉索張拉拉力的方方法主要要有剛性性支承連連續梁法法、零位位移法、、倒拆和和正裝法法、無應應力狀態態控制法法、內力力平衡法法和影響響矩陣法法等，各各種方法法的原理理和適用用對象請請參考劉劉士林等等編著的的公路橋橋梁設計計叢書－－《斜斜拉橋》》。剛性支承承連續梁梁法是指指成橋狀狀態下，，斜拉橋橋主梁的的彎曲內內力和剛剛性支承承連續梁梁的內力力狀態一一致。因因此可以以非常容容易地根根據連續續梁的支支承反力力確定斜斜拉索的的初張力力。1)剛性支承承連續梁梁法2)零位移法法3)倒拆和正正裝法零位移法法的出發發點是通通過索力力調整，，使成橋橋狀態下下主梁和和斜拉索索的交點點的位移移為零。。對于采采用滿堂堂支架一一次落架架的斜拉拉橋體系系，其結結果與剛剛性支承承連續梁梁法的結結果基本本一致。。上述2種方法用用于確定定主跨和邊邊跨對稱稱的單塔斜斜拉橋的的索力是是最為有有效的，，對于主主跨和邊邊跨幾乎乎對稱的的3跨斜拉橋橋次之，，對于主主跨和邊邊跨的不不對稱性性較大的的斜拉橋橋，幾乎乎失去了了作用（（因為這這兩種方方法必然然導致比比較大的的塔根彎彎矩，失失去了索索力優化化的意義義）。倒拆法是是斜拉橋橋安裝計計算廣泛泛采用的的一種方方法，通通過倒拆拆、正裝裝交替計計算，確確定各施施工階段段的安裝裝參數，，使結構構逐步達達到預定定的線形形和內力力狀態。。以上簡單單介紹了了斜拉橋橋索力調調整的幾幾種方法法，實際際施工中中的索力力調整是是比較復復雜的，，而且實實踐性很很強。結結構分析析工程師師的經驗驗非常重重要，只只有多次次反復試試算才可可以得到到比較滿滿意的索索力。例例如：對對于錨固固在支座座上方或或附近部部位的斜斜拉索的的索力對對主梁的的彎矩和和位移的的影響非非常小，，如果取取主梁上上的位移移或彎矩矩作為控控制值，，會導致致病態方方程。對對于輔助助墩附近近的斜拉拉索建議議人為假假定索力力進行試試算，以以得到理理想的結結構內力力和線形形。無應力狀狀態法分分析的基基本思路路是：不不計斜拉拉索的非非線性和和混凝土土收縮徐徐變的影影響，采采用完全全線性理理論對斜斜拉橋解解體，只只要保證證單元長長度和曲曲率不變變，則無無論按照照何種程程序恢復復還原后后的結構構內力和和線形將將與原結結構一致致。4)無應力狀狀態控制制法5)內力平衡衡法6)影響矩陣陣法內力平衡衡法的基基本原理理是：設設計適當當或合理理的斜拉拉索初張張力，以以使結構構各控制制截面在在恒載和和活載共共同作用用下，上上翼緣的的最大應應力和材材料允許許應力之之比等于于下翼緣緣的最大大應力和和材料允允許應力力之比。。三、midasCivil中的斜拉拉橋功能能斜拉橋的的設計過過程與一一般梁式式橋的設設計過程程有所不不同。對對于梁式式橋梁結結構，如如果結構構尺寸、、材料、、二期恒恒載都確確定之后后，結構構的恒載載內力也也隨之基基本確定定，無法法進行較較大的調調整。但對于斜拉拉橋，由由于其荷荷載是由由主梁、、橋塔和和斜拉索索分擔的的，合理理地確定定各構件件分擔的的比例是是十分重重要的。。因此斜斜拉橋的的設計首首先是確確定其合合理的成成橋狀態態，即合合理的線線形和內內力狀態態，其中中起主要要調整作作用的就就是斜拉拉索的張張拉力。。確定斜拉拉索張拉拉力的方方法主要要有剛性性支承連連續梁法法、零位位移法、、倒拆和和正裝法法、無應應力狀態態控制法法、內力力平衡法法和影響響矩陣法法等，各各種方法法的原理理和適用用對象請請參考劉劉士林等等編著的的公路橋橋梁設計計叢書－－《斜斜拉橋》》。midasCivil程序針對對斜拉橋橋的張拉拉力確定定、施工工階段分分析、非非線性分分析等提提供了多多種解決決方案，，下面就就一些斜拉橋功能做一一些說明明。第一步成橋狀態態分析第一步：進行成橋橋狀態分分析，即即建立成成橋模型型，考慮慮結構自自重、二二期恒載載、斜拉拉索的初初拉力（（單位力力），進進行靜力力線性分分析后，，利用““未知荷荷載系數數”的功功能，根根據影響響矩陣求求出滿足足所設定定的約束束條件（（線形和和內力狀狀態）的的初拉力力系數。。此時斜拉索需需采用桁桁架單元元來模擬，，這是因因為斜拉拉橋在成成橋狀態態時拉索索的非線線性效應應可以看看作不是是很大，，而且影影響矩陣陣法的適適用前提提是荷載載效應的的線性疊疊加(荷載組合合)成立。第二步倒拆施工工階段分分析第二步：利用算得得的成橋橋狀態的的初拉力力（不再再是單位位力），，建立成成橋模型型并定義義倒拆施施工階段段，以求求出在各各施工階階段需要要張拉的的索力。。此時斜拉索采采用只受受拉索單單元來模擬，，在施工工階段分分析控制制對話框框中選擇擇“體內力力”。第三步：根據倒拆拆分析得得到的各各施工階階段拉索索的內力力，將其其按初拉拉力輸入入建立正正裝施工工階段的的模型并并進行分分析。此此時斜拉索索仍可采用只只受拉拉索單單元來模擬擬，但但在施施工階階段分分析控控制對對話框框中選選擇“體外外力””。第三步步正裝施施工階階段分分析斜拉橋橋常規分析流程但是設設計人人員會會發現現上述述過程程中，，倒拆拆分析析和正正裝分分析的的最終終階段段（成成橋狀狀態））的結結果是是不閉閉合的的。這這是因因為合合攏段段在倒倒拆分分析和和正裝裝分析析時的的結構構體系系差異異，導導致正正裝分分析時時得到到的最最終階階段(成橋階階段)的內力力與單單獨做做成橋橋階段段分析析(平衡狀狀態分分析)的結果果有差差異。。即，，初始始平衡衡狀態態分析析（成成橋階階段分分析））時，，同時時考慮慮了全全部結結構的的自重重、索索拉力力以及及二期期荷載載的影影響；；而在在正裝裝分析析時，，合攏攏之前前所有有階段段的加加勁梁梁會因因為自自重、、索拉拉力產產生變變形，，合攏攏時合合攏段段只受受自身身的自自重影影響而而不受受其它它結構構的自自重和和索拉拉力的的影響響。幾種索索單元元類型型:桁架單單元只受拉拉桁架架單元元只受拉拉鉤單單元只受拉拉索單單元(恩斯特特公式式修正正的索索單元元、大變形形的懸懸索單單元)1.拉索單單元模模擬索單元元的不不同分分析方方式:靜力線線性分分析:按考慮慮恩斯斯特公公式修修正的的等效效桁架架單元元進行行分析析靜力非非線性性分析析(設置非非線性性分析析控制制):按考慮慮大變變形的的懸索索單元元進行行分析析施工階階段考考慮時時間依依存性性效果果（線線性））:按考慮慮恩斯斯特公公式修修正的的等效效桁架架單元元進行行分析析施工階階段考考慮非非線性性分析析:按考慮慮大變變形的的懸索索單元元進行行分析析移動荷荷載分分析或或支座座沉降降分析析:按桁架架單元元(或考慮慮成橋橋時的的幾何何剛度度)進行線線性分分析成橋狀態荷載工況不勾選“在PostCS…”勾選“PostCS…”備注移動荷載按桁架單元考慮（線性疊加）考慮成橋狀態的索單元和梁單元的幾何剛度支座沉降同上同上動力分析（特征值分析等）同上同上溫度荷載按等效桁架單元考慮，基于恩斯特公式進行反復迭代計算同上其它靜力荷載按等效桁架單元考慮，基于恩斯特公式進行反復迭代計算同上不同結結構中中索單單元的的使用用:懸索橋橋的主主纜和和吊桿桿：建建議使使用考考慮大大變形形的懸懸索單單元大跨斜斜拉橋橋的斜斜拉索索：對對于近近千米米或者者超過過千米米的斜斜拉橋橋建議議使用用考慮慮大變變形的的索單單元中小跨跨斜拉拉橋的的斜拉拉索：：建議議使用用考慮慮恩斯斯特公公式修修正的的等效效桁架架單元元拱橋的的吊桿桿：建建議使使用桁桁架單單元或或只受受拉桁桁架單單元系桿拱拱橋的的系桿桿：建建議使使用桁桁架單單元體內預預應力力或體體外預預應力力的鋼鋼索（（鋼束束）：：與索索單元元無關關，使使用預預應力力荷載載功能能按荷荷載來來模擬擬即可可。進行細細部分分析時時對于于鋼束束可以以按桁桁架單單元來來模擬擬中小跨跨斜拉拉橋的的斜拉拉索：：建議議使用用考慮慮恩斯斯特公公式修修正的的等效效桁架架單元元即對采采用索索單元元模擬擬的斜斜拉橋橋進行行線性性分析析，此此時的的索單單元即即是考慮恩恩斯特特公式式修正正的等等效桁桁架單單元。E為考慮慮垂度度影響響的拉拉索換換算彈彈性模模量恩斯特特公式式，由德德國著著名學學者H.-J.Ernst提出。。公式式表明明：選選用高高強度度的材材料，，提高高拉索索的工工作應應力，，采用用輕而而有效效的拉拉索防防護手手段，，使拉拉索每每延米米的重重量不不致過過多增增加，，均有有助于于提高高拉索索剛度度，降降低其其非線線性影影響。。結果>未知荷荷載系系數利用未知荷荷載系系數功能，，可以以計算算出最最小誤誤差范范圍內內的能能夠滿滿足特特定約約束條條件的的最佳佳荷載載系數數，利利用這這些荷荷載系系數計計算拉拉索初初拉力力。指定位位移、、反力力、內內力的的“0”值以以及最最大最最小值值作為為約束條件，，拉索索初拉拉力作作為變變量（未知知數））來計算算。計算未未知荷荷載系系數適適用于于線性性結構構體系系，為為了計計算出出最佳佳的索索力，，必須須要輸輸入適適當的的約束條件。。主塔不不受或或只受受較小小的彎彎矩作作用；；主塔彎彎矩均均勻分分布；；主梁的的變形形最小小；最終索索力不不集中中在幾幾根拉拉索，，而是是均勻勻分布布在每每根拉拉索上上。2.未知荷荷載系系數法法功能能復制和和粘貼貼考慮施施工階階段的的未知知荷載載系數數法本程序序還可可考慮慮施工工階段段，計計算未未知荷荷載系系數。。利用用此功功能可可直接接計算算出，，施工工過程程中每每根拉拉索的的拉索索控制制力。。定義正正裝施施工階階段模模型。。將每個個施工工階段段的拉拉索初初拉力力定義義單位位初拉拉力。。（注注：拉拉索過過程必必須單單獨定定義施施工階階段））運行分分析后后，通通過未未知荷荷載系系數計計算，，求得得符合合約束束的條條件的的，施施工過過程中中的拉拉索控控制力力。但，此此方法法不太太容易易定義義約束束條件件。斜拉橋索力力的計算非非常復雜，，過去是依依靠設計人人員判斷以以及參考實實際經驗值值來確定拉拉索張力的的。為了使使設計人員員可以更加加便捷地計計算斜拉橋橋拉索的初初始張力，，midasCivil提供未知荷荷載系數功功能。不過過，由于未未知荷載系系數的功能能提供的張張力結果只只是能夠滿滿足約束條條件的解，，所以有時時無法完全全滿足技術術人員的設設計意圖。。midasCivil2010中，為了改改善未知荷荷載系數功功能，并且且使設計過過程中的反反復調整工工作盡可能能簡便，特特別開發和和提供了索索力調整功功能。索力調整功功能使設計計人員可以以直接調整整索力，并并且不需要要任何重新新分析即可可實時查看看主梁或者者主塔的變變形情況，，因此可以以非常便捷捷、快速地地獲得初始始張力。3.索力調整功功能拉索的張力力(或者荷載系系數)可以利用輸輸入窗口或或柱狀圖進進行微調來來確定最優優索力設計人員指指定的范圍圍(紅線)隨拉索張力力變化的結結果(藍線)影響值(綠線)在影響矩陣陣中確認對對單元影響響最大的張張力后，使使用搜索功功能，確定定最優索力力索力調整步步驟STEP1.斜拉橋建模模STEP2.定義主梁的恒載和各索單位荷荷載的荷載載工況STEP3.輸入恒載和和單位荷載載STEP4.對恒載和單位位荷載進行荷載組組合STEP5.利用未知荷荷載系數功能計算未未知荷載系系數STEP6.利用調索功功能調整拉索初始索力STEP7.查看分析結結果并最終終確定初始索力4.未閉合配合合力功能midasCivil能夠在小位位移分析中中考慮假想想位移，以以無應力長長為基礎進進行正裝分分析。這種種通過無應應力長與索索長度的關關系計算索索初拉力的的功能叫未閉合配合合力功能。未閉閉合配合力力具體包括括兩部分，，一是因為為施工過程程中產生的的結構位移移和結構體體系的變化化而產生的的拉索的附附加初拉力力，二是為為使安裝合合攏段時達達到設計的的成橋階段段狀態合攏攏段上也會會產生附加加的內力。。利用此功功能可不必必進行倒拆拆分析，只只要進行正正裝分析就就能得到最最終理想的的設計橋型型和內力結結果。分析>施工階段分分析控制數數據斜拉橋施工工時，最終終階段往往往是跨中合合攏的施工工。跨中合合攏的一剎剎那，結構構體系完全全轉換。需需要說明的的是，利用用成橋模型型計算未知知荷載系數數時，跨中中合攏段處處于連續狀狀態。但在在施工合攏攏段時，合合攏段并非非處于連續續狀態，即即兩端的彎彎矩為0。按照前面面介紹的分分析方法，，結果會出出現不必和和的情況。。通過未必和和配合力的的分析方法法，可以得得到最終合合攏后的階階段與成橋橋目標函數數完全閉合合的結果。。未必和配合合力方法，，僅通過正正裝模型就就可以計算算拉索張拉拉控制力，，沒必要像像前面所訴訴的方法，，還需要建建立一個倒倒拆模型來來求得。未必和配合合力計算原原理：激活活斜拉索之之前，拉索索兩端節點點因前一階階段的荷載載，發生的的變形。激激活拉索時時，已輸入入的體內力力還不能把把發生變形形的節點拉拉回原位，，還需要補補一定量的的張力，此此張拉力即即為未必和和配合力。。程序不僅可可以計算出出，每根斜斜拉索的未未必和配合合力，還可可計算出合合攏段的未未必和配合合力。使最最終階段的的內力以及及變形結果果與成橋目目標完全閉閉合。（注：合攏攏段的未必必和配合力力，其實也也沒有實際際意義。因因目前還沒沒有能夠對對于合攏段段預加內力力的工具））四、斜拉橋分析析例題本例題中的的橋是一座座跨度為（（70m+125m+70m）雙塔斜拉拉橋梁，塔塔高約60米。1.橋梁概況為了決定安安裝拉索時時的控制張張拉力，首首先要確定在成橋階階段恒載作作用下的初初始平衡狀狀態，然后后再按施工工順序進行行施工階段段分析。首先通過倒拆分分析計算初初張拉力，，然后進行行正裝施工工階段分析析。在本例例題將介紹紹通過未知荷荷載系數法法并配合斜斜拉橋調索索功能進行行斜拉橋成橋分析；；以成橋狀狀態為基礎礎然后進行行斜拉橋倒倒拆模擬；；最后采用未閉合合配合力功功能或者施工階階段的未知知荷載系數數法進行斜拉橋的正裝分析模擬。橋梁有限元元模型2.斜拉橋成橋橋分析第一步建立成橋模模型關鍵點：為為了結合未未知荷載系系數法進行行調索，索結構必須用桁架（線性性）單元進行模擬，，這樣結構構才支持荷荷載的線性性疊加功能能。第二步定義荷載工工況關鍵點：將將不同的索索力定義為為不同的荷荷載工況，，作為未知知荷載來考考慮。第三步采用未知荷荷載系數法法進行斜拉拉橋調索關鍵點：定定義成橋約約束條件，，求解最優優的荷載組組合系數（（未知荷載載系數）斜拉橋成橋分析流程第四步采用調索功功能進行斜斜拉橋索力力微調關鍵點：結結合影響矩矩陣，找出出影響效應應大的索單單元，對此此索單元做做優先考慮慮的微調（如果調索索幅度太大大的話，可可能會引起起其它結構構不滿足最最優化狀態態）3.斜拉拉橋橋倒倒拆拆分分析析第一一步步建立立倒倒拆拆施施工工階階段段模模擬擬模模型型關鍵鍵點點：：將將調調索索成成功功的的成成橋橋索索力力（（單單位位荷荷載載*組合合系系數數））作作為為體內內力力賦予予給給相相應應的的索索結結構構，，然然后后對對結結構構進進行行倒倒拆拆模模擬擬。。第二步得出出倒倒拆拆的的各各施施工工階階段段的的索索力力斜拉拉橋橋倒拆拆分析析流程程4.斜拉拉橋橋正正裝裝分分析析第一一步步建立立正正裝裝施施工工階階段段模模擬擬模模型型關鍵鍵點點：：將將倒倒拆拆的的各各施施工工階階段段的的索索力力作作為為體外外力力加在在相相應應的的正正裝裝階階段段。。第二步調整整索索力力使使正正裝裝的的最最后后階階段段與與成成橋橋基基本本相相符符關鍵鍵點點：：采采用用未未知知荷荷載載系系數數法法進進行行施施工工階階段段的的索索力力二二次次調調整整第一步采用用未未閉閉合合配配合合力力法法進進行行斜斜拉拉橋橋調調索索關鍵鍵點點：：直直接接將將調調索索成成