自锚式悬索—斜拉组合体系桥合理成桥状态及参数分析

第一章绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2悬索—斜拉组合体系桥的发展现状 (2)

1.2.1组合体系的发展历程 (2)

1.2.2悬索—斜拉组合体系的构造及施工 (6)

1.2.3悬索—斜拉组合体系的受力特点 (7)

1.3本文研究的主要内容 (8)

第二章悬索桥与斜拉桥计算理论 (9)

2.1悬索桥计算理论 (9)

2.2悬索桥合理成桥状态的计算方法 (12)

2.3斜拉桥合理成桥状态的计算方法 (13)

2.4悬索—斜拉协作体系桥合理成桥状态计算理论 (15)

2.4.1力学计算图示 (15)

2.4.2悬索部分合理成桥状态的确定 (16)

2.4.3斜拉桥部分合理成桥状态的确定 (18)

2.4.4整体模型最终合理成桥状态的确定 (18)

第三章自锚式悬索—斜拉组合体系桥合理成桥状态的分步计算方法 (19)

3.1依托工程简介 (19)

3.1.1工程概况 (19)

3.1.2有限元模型的建立 (21)

3.2合理成桥状态的确定原则 (22)

3.3分步成桥计算方法概述 (23)

3.4自锚式悬索段合理成桥状态计算方法 (27)

3.4.1自锚式悬索体系的参数计算 (28)

3.4.2自锚式悬索部分简化的初始平衡状态分析 (30)

3.4.3自锚式悬索段精确的初始平衡状态分析 (36)

3.4.4自锚式悬索段整体结构的初始平衡状态分析 (36)

3.5斜拉段合理成桥状态的计算方法 (38)

3.5.1使用弯曲能量最小法初步确定斜拉索力 (38)

3.5.2使用影响矩阵法进行索力调整 (39)

3.5.3进行非线性迭代确定斜拉索索力 (41)

3.6组合体系合理成桥状态的计算方法 (41)

3.7小结 (43)

第四章自锚式悬索—斜拉组合体系桥的影响参数分析 (45)

4.1 部分参数研究结论 (45)

4.1.1 全桥约束形式 (45)

4.1.2 主跨截面高度 (46)

4.1.3 斜拉索间距 (47)

4.2 副塔倾角 (47)

4.2.1副塔倾角工况介绍 (47)

4.2.2三种工况成桥状态索力对比分析 (48)

4.2.3三种工况成桥状态主梁内力对比分析 (53)

4.3 悬索主缆矢跨比 (56)

4.3.1矢跨比工况介绍 (56)

4.3.2三种工况成桥状态索力对比分析 (58)

4.3.3三种工况成桥状态主梁内力对比分析 (62)

4.4 小结 (65)

结论与展望 (66)

结论 (66)

展望 (67)

参考文献 (68)

攻读硕士学位期间的研究成果 (71)

致谢 (72)

第一章绪论

1.1引言

近年来交通事业蓬勃发展，对桥梁结构体系创新的要求愈来愈高，桥梁工作者愈发重视桥梁结构的新颖和力学美。结构体系创新取得的最瞩目的成就之一就是缆索承重体系的演变，所谓缆索承重桥梁即主要承重构件为主缆或拉索的桥梁，目前来说，缆索承重体系桥主要是悬索桥、斜拉桥[1]。

斜拉桥主要由斜拉索、桥塔和主梁组成，由于斜拉索自锚，无需修建庞大锚碇，整体刚度大，抗风稳定性好[2]。2008年6月建成通车连接江苏南通和苏州的苏通长江大桥（如图1.1所示），总长达到8206m，主跨1088m，目前居世界第一。斜拉桥虽然刚度大，但是施工时悬臂长度大，稳定性不足；拉索过长，比如上海苏通大桥最长拉索长达580m，有明显的垂度效应；主梁轴向压力大，为避免主梁屈曲，必须增加主梁的截面积或梁高，从而导致主梁自重增大，拉索张力增大而效率降低；通常斜拉桥的塔高（桥面以上）为主跨的1/4～1/6，塔高随跨径增大而增加，抗风稳定性降低，施工难度加大，工程造价增加[3]。

悬索桥有地锚式和自锚式两种形式，用料节约，自重小，有卓越的跨越能力[4]。悬索桥理论日益成熟，大量的大跨径的悬索桥陆续建成。现在世界上跨径最大的悬索桥是日本明石海峡大桥，它坐落于本州和四国中间，于1998年建成（如图1.2所示），主跨布置形式为960m + 1990.8m + 960.3m长达1991m，主塔高286.7m，主梁高14m，主缆直径1.12m[5]。悬索桥虽然跨越能力大但是刚度小，荷载作用下挠度大，抗风稳定性差，对于地锚式悬索桥还需要修建庞大的锚碇，造价高，同时对地质条件的要求高[6]。

同样作为缆索承重体系的悬索桥和斜拉桥受力上有明显区别：对于斜拉桥来说，主梁上的荷载由锚点传给斜拉索；对于悬索桥来说，主梁上的荷载由锚点传递给吊杆再由吊杆传到主缆上，受力特点不同导致两者的结构刚度不同。对于地锚式悬索桥来说，主缆锚固在锚碇上，主缆对主梁不产生轴向压力；而斜拉桥大多为自锚式，拉索对主梁产生较大的轴向压力。斜拉桥的刚度主要由拉索提供，因此可以通过改变拉索的数量、张力和锚固间距达到改善主梁内力和结构刚度的目的。悬索桥虽然不能实现斜拉桥这样的目标，但能提高截面利用率和跨越能力。