现代桥梁之斜拉桥与悬索桥区别与联系[优秀工程范文]
第五篇 第一二三章 斜拉桥与悬索桥简介
第五篇 斜拉桥与悬索桥简介
斜拉桥的构造特点
第一章斜拉桥简介
三、拉索的构造与防护
• 拉索的防护－提高拉索的耐久性，增长使用寿命，减少养护工作 – 钢丝的防护－涂防锈底漆，电泳涂漆或镀锌，或环氧涂层 – 拉索的防护－柔性索套，半刚性索套和刚性索套
• 柔性索套： 1、封闭索防护，制作麻烦，费用高； 2、 平行索用塑料罩套（聚乙烯材料）防护， 1980 年前 后试用的方法，现已不用；3、平行索采用聚乙烯管， 在管内压注水泥浆或树脂等，需要压浆设备，少用； 4、平行索热挤 PE 套防护，广泛采用； 5、钢绞线索 内用 PE 套管（对每股钢绞线），外用聚乙烯硬管， 逐步采用。后两种为主要类型 • 半刚性索套和刚性索套：套管用钢筋混凝土、预应 力混凝土或钢管作成，可以增大刚度，减小挠度， 但施工较复杂，索套迎风面积大（对抗风不利）
2018年8月11日
朱利明 《桥梁工程概论》
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第五篇 斜拉桥与悬索桥简介
斜拉桥的构造特点
第一章斜拉桥简介
四、斜拉索与混凝土梁的锚固形式
第五篇 斜拉桥与悬索桥简介
第二章 悬索桥简介
第五篇 斜拉桥与悬索桥简介
主要组成部分及其为加劲梁提供弹性支承，并 通过桥塔和锚锭将承受的荷载（拉力）传至基础； 桥塔：主要承受由主缆传来的竖向力，并传向基础； 吊索：吊索连接加劲梁与主缆，将桥跨荷载传给主缆； 加劲梁：直接承受桥上荷载，通过吊索传给主缆； 锚定：连接主缆承受主缆的拉力，将其传至基础。
第四篇 混凝土拱桥 第三章 拱桥的计算
END
第五篇 斜拉桥与悬索桥简介
斜拉桥的总体布置
第一章斜拉桥简介
三、索塔的布置
↑横向型式
↑横向型式
↑纵向形式
斜拉桥和悬索桥的区别
斜拉桥和悬索桥的区别斜拉桥和悬索桥的区别在于：斜拉桥的主缆横向布置，悬索桥的主缆竖直布置。
一般说来，斜拉桥跨度小、结构轻巧，而且它可以看作是“吊”起来的；悬索桥则比较笨重，但它形成的强大的横向刚度却使它能够承受巨大的垂直荷载。
另外，由于斜拉桥用的索塔和主梁都是像弹簧一样彼此独立地支撑在各自的基础上的，所以，斜拉桥不仅外观雄伟壮丽，而且内部空间开阔，便于布置管线等设施。
因为这些优点，所以斜拉桥被广泛应用于城市道路交通中。
不过，悬索桥也有它自己的特点。
从历史记录上看，公元前二世纪左右就出现了悬索桥。
当时修建悬索桥是为了军事目的，只要把桥的一端固定住，桥就会稳如泰山，而不必担心会断裂或垮塌。
后来，悬索桥的建造技术逐渐发展，到了19世纪末期，才正式出现了具有完整技术体系的悬索桥。
这种桥利用缆索起重机将桥面吊到高处，再把桥面的重量转移到锚锭上去。
这样做，虽然增加了施工难度，但却减少了许多不安全的因素。
随着科学技术的进步，悬索桥的技术性能已经达到了很高水平。
如今，人类的足迹几乎遍及世界每个角落，而越来越多的人喜欢在大江河流上架设悬索桥。
悬索桥是现代钢铁工业的产物。
第一座真正意义上的悬索桥是1937年建成的美国跨度为1178米的明尼苏达州圣保罗市的金门大桥。
此后不久，德国人首先采用了钢丝绳悬索桥，而后英国人又推出了钢箱形截面悬索桥，这两种桥型一直沿用至今。
日本是亚洲第一个掌握悬索桥制造技术的国家。
该国制造的预应力混凝土悬索桥长1153米，居世界第三位。
这里还需提醒读者注意的是，在悬索桥中有一种半悬索桥。
它实际上是悬索桥与斜拉桥相结合的产物，既有斜拉桥的刚度，又有悬索桥的柔韧性。
这种桥的跨径比单纯的悬索桥要大得多，其结构非常复杂，它既能充分利用悬索桥的柔韧性，又可以避免斜拉桥的笨重。
在我国的南方，也曾有过不少半悬索桥，例如著名的贵州省坝陵河大桥。
半悬索桥既有索桥的刚劲挺拔，又有拱桥的曲线玲珑，它同时兼备了两者的优势，堪称“桥梁新秀”。
现代桥梁之斜拉桥与悬索桥区别与联系[优秀工程范文]
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现代桥梁之斜拉桥与悬索桥区别与联系斜拉桥与悬索桥作为现代桥梁的主要建筑方式,二者之间又存在着怎样的区别与联系呢？下面我们通过结构力学的方法对其进行受力方面的定性分析,来解决一些现实中的现象.首先我们来了解一下他们的定义：斜拉桥又称斜张桥,是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系.其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁.其可使梁体内弯矩减小,降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料.斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成.悬索桥,又名吊桥(suspension bridge)指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁.其缆索几何形状由力的平衡条件决定,一般接近抛物线.从缆索垂下许多吊杆,把桥面吊住,在桥面和吊杆之间常设置加劲梁,同缆索形成组合体系,以减小活载所引起的挠度变形.斜拉桥与悬索桥的结构简图如图a,b所示.下面对一些现实现象进行定性分析.1.为什么斜拉桥和悬索桥可以比其他桥梁的跨度大很多？通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出,斜拉桥和悬索桥都是通过钢索的拉力来代替了桥墩的支持力.因此可以减少桥墩的数量,实现桥梁的大跨度.2.为什么悬索桥可以比斜拉桥的跨度更大？通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出,斜拉桥的钢索是斜着的,以a图C点进行受力分析,为了在C点提供足够的竖直拉力Fcy随着AC距离的增加,Fc和Fcx将会不断增大,这样会不断增大钢索的拉力和桥面的轴向压力,这也是为什么斜拉桥的钢索大多集中在索塔的上端的原因.因此AC之间的距离不能太大,即斜拉桥的跨度不能太大 .而通过悬索桥的结构简图可以看出,悬索桥的钢索受力是竖直方向的,随着跨度的增加并不会增加钢索的受力.因此悬索桥的跨度可以比斜拉桥更大.3.为什么斜拉桥比悬索桥稳定？由斜拉桥的结构简图可以看出绷紧的钢索与索塔及桥面根据三钢片原则构成了不变体系,而有悬索桥的结构简图不难看出悬索桥的主索、细钢索、索塔及桥面之间构成的是可变体系.因此悬索桥的稳定性不如斜拉桥的稳定性好.4.既然增加索塔可以加大桥面的竖向拉力,减小桥面轴向应力鹤岗索拉力,为什么不把索塔建得很高呢？首先,增加索塔的高度会增加桥梁的用料,从而增加桥梁的经济成本高.其次,由于现实生活中桥面的受力情况特别复杂,无法保证索塔两边桥面受力情况完全相同,这会使得索塔两边钢索所受的拉力不同,如果索塔很长会使得索塔与桥面连接处以及桥墩与地面连接处弯矩过大,容易发生破坏.5.为什么斜拉桥的桥面可以比悬索桥的桥面宽很多？斜拉桥的桥面比悬索桥的桥面宽很多是有桥面的材料为混凝土和桥面的受力特点的决定的 .下面截取斜拉桥和悬索桥的桥面的一个横截面来简化力学模型,并对其进行受力分析.假设桥面受大小为q的均布力,斜拉桥的受力如图c,悬索桥的受力如图d.在斜拉桥的横截面受力图中,桥面横截面受斜向上的钢索拉力,因为斜拉桥的索塔为A型或椡Y型;而在悬索桥的受力图中,桥面横截面只受到竖直向上的拉力,因为悬索桥的索塔为H型.假设斜拉桥和悬索桥桥面长度为l,厚度为2h,则斜拉桥受到的最大拉应力为：米y/Iz-Tt/2lh=0.5ql*lh/Iz-Tt/2lh;悬索桥的最大拉应力为：米y/Iz=0.5ql*l/Iz.由此可见在受力和桥面横截面形状相同的情况下,斜拉桥的最大拉应力比悬索桥小Tt/2lh,又因为桥面材料为混凝土,抗压不抗拉,因此斜拉桥的桥面可以比悬索桥的桥面更宽一些.下面,假设桥面受大小为q的均布力(因为桥面主要受到自身的重力,而桥面自身的重力是均布力),而这也是桥面的,设有n根钢索且每根钢索所受的拉力相等为T=ql/(n+2),并且假设桥面只发生小变形,对力学模型进一步简化后.对斜拉桥和悬索桥进行分析,做出斜拉桥与悬索桥的受力图g,剪力图e,弯矩图f.从斜拉桥和悬索桥加钢索和没加钢索的剪力图可以看出：钢索的增加能有效的减小剪力的不断的增加,将剪力变成一种周期性的力.同时可以看出钢索越多剪力图像中的峰值在斜率不变,钢索的只能更加会使图像的周期减小,因此能有效地减小剪力图像中的峰值(F Q=ql/(n+2)),由米(X)= F Q(X)dx得到斜拉桥和悬索桥的弯矩图.同时从斜拉桥和悬索桥的弯矩图中可以看出来其图像也为周期函数图象.同样其图像的峰值与钢索的数量加2后的平方成反比(米=ql*l/(n+2)*(n+2)).由此可见增加钢索的数量不仅可以减小斜拉桥和悬索桥桥面的剪力和弯矩,同时也可以减小每根钢索的拉力.由此可见准确的估计每一段的受力情况,以此来设置钢索中的预应力是十分重要的,对减小桥面中的剪力和弯矩起着决定性的作用.虽然钢索中的预应力设置不当也可以起到阻止弯矩增大作用,但效果将大打折扣.由此可见对斜拉桥和悬索桥进行准确的受力分析是十分重要的.以上只是在理想化的条件下进行的粗糙的理论分析,现实中总是有着这样或那样的不可控条件.首先,桥面不可能受均布力：其次,大跨度的桥梁并非只发生小变形,而是会发生大变形;最后,斜拉桥的桥面存在着弯矩和轴力混合作用的效应.当然还有其他的一些因素对理论分析的影响没有列举出来,我们就先不讨论了.下面我们来分析一下以上三个方面对我们的分析造成的影响.1.由于桥面的受力并非均布力,虽然桥面自身的重力仍是均布力,但两者相加之后,剪力图e中的剪力就不是线性变化的,这会对钢索预应力的估计造成困难.2.由于大跨度桥梁发生的并非小变形,而是会发生大变形.以上的线弹性的分析方法就不再适用了,应该运用几何非线性的分析方法进行分析.几何非线性问题是指大位移问题,几何运动方程为非线性.在绝大多数大位移问题中,结构内部的应变是微小的 .因为应变是微小的,对线性问题一般是根据变形前的位置来建立平衡方程.但对几何非线性问题,由于位移变化产生的二次内力不能忽略,荷载一变形关系为非线性,此时叠加原理不再适用,整个结构的平衡方程应按变形以后的位置来建立.3. 斜拉桥的斜拉索拉力使其它构件处于弯矩和轴向力组合作用下,这些构件即使在材料满足虎克定律的情况下也会呈现非线性特性.构件在轴向力作用下的横向挠度会引起附加弯矩,而弯矩又影响轴向刚度的大小,此时叠加原理不再适用.但如果构件承受着一系列横向荷载和位移的作用,而轴向力假定保持不变,那么这些横向荷载和位移还是可以叠加的.因此,轴向力可以被看作为影响横向刚度的一个参数,一旦该参数对横向的影响确定下来,就可以采用线性分析的方法进行近似计算.有两种方法可以处理这种由压一弯共同作用引起的非线性问题：一是引入稳定函数,得到梁体单元刚度矩阵元素的修正系数,然后用修正系数在迭代中不断地对小位移线弹性刚度矩阵进行修正;或者在计算单元刚度矩阵时考虑几何刚度矩阵的影响.二是从实际的应变出发列出压弯共同作用的总应变方程,通过虚功原理,得到梁体单元的整体刚度矩阵.。
斜拉桥和悬索桥基本受力原理
斜拉桥和悬索桥基本受力原理斜拉桥和悬索桥是现代桥梁工程学中最常见的桥梁类型之一。
与其他类型的桥梁相比，斜拉桥和悬索桥在结构构造、受力原理以及建造技术方面都具有独特的特点。
斜拉桥是一种由主体梁、斜拉索和塔组成的桥梁结构。
主体梁通常由桥面板、箱梁或钢桁架等构成。
斜拉索由高强度的钢丝绳或钢缆制成，用于固定主体梁。
塔是支撑斜拉索的主要悬挂结构。
斜拉桥的受力原理是利用斜拉索对主体梁进行牵拉，从而使主体梁能够承受大约90%的桥面荷载。
在斜拉桥的受力分析中，通过牵拉斜拉索，使力沿着斜拉索传递到塔的支撑墩上，然后再传递到地基。
因此，斜拉桥的塔和支撑墩必须足够坚固，以承受主体梁的重量和拉力。
在斜拉桥的结构设计中，斜拉索的数量、长度和位置是非常关键的。
斜拉索的正确设置可以增强桥梁的稳定性，减少对主体梁的振动和抖动。
同时，斜拉索的拉力方向也需要考虑，以确保它们不会相互冲突或互相干扰。
悬索桥的受力原理是靠索在两个或多个支撑点上承载主体梁和荷载。
索的支撑在塔顶，塔的重力传递到地面，自然就形成了一个悬挂状态。
此时，由于主体梁的承载能力有限，悬挂在索上的荷载必须分散到多个支撑位置上。
在悬索桥的结构设计中，索的支撑点的距离、索的长度和角度等都是非常关键的。
如果索的支撑点距离太远，索的结构就会变得不稳定。
如果角度太小，索的滞后效应就会变得越来越大。
这些因素都需要在悬索桥的设计阶段得到充分考虑。
3. 两种桥梁类型的比较尽管斜拉桥和悬索桥在受力原理方面存在差异，两种结构类型在一些方面都具有相似之处。
例如，它们都依靠主体梁承载荷载，并且都需要塔来支撑索或斜拉索。
此外，两种结构类型都需要进行静态和动态受力计算，以确保结构的稳定性和安全性。
但是，斜拉桥和悬索桥在实际应用中也有许多不同之处。
例如，由于斜拉索承担了大部分的荷载，斜拉桥的主体梁可以相对较轻，而悬索桥的主体梁需要更多的材料和设计。
另外，在建造过程中，斜拉桥需要更长时间的预构件制作和拼装，而悬索桥则需要更多的和更高的起重设备来安装长而重的索。
桥与悬索桥的主梁形式,塔和施工的异同
桥与悬索桥的主梁形式，塔和施工的异同1 斜拉桥与悬索桥的主梁形式的区别斜拉桥的主梁截面可以釆用混凝土主梁、钢一混凝土结合主梁和钢主梁。
我国斜拉桥的主梁形式:混凝土以箱式、板式边箱中板式；钢梁以正交异性极钢箱为主，也有边箱中板式。
钢一混凝土结合主梁一般只适用于双索面斜拉桥。
钢主梁的截面形式有工字形钢主梁、钢箱梁、钢桁梁等。
悬索桥采用钢箱作为加劲梁,在我国较为普遍。
悬索桥加劲梁结构，主要有美国派的桁架式和英国流派的扁平钢箱式前者更适于在铁路或公路铁路两用桥中使用，故日本近代修建悬索桥多釆用桁式加劲梁。
二者用钢量相比,采用钢箱梁略占优势。
具体的形式有:钢板梁、钢箱梁、钢桁梁和混凝土箱梁。
2 塔、索的形式与材料现在已建成的斜拉桥有独塔、双塔和三塔式。
以钢筋混凝土塔为主。
塔型有H形、倒Y形、A形、钻石形等。
两者塔的材料，国外以钢为主，我国以混凝土为主，近年来国外也有向混凝土发展的趋势,基础多为钻孔桩或沉井。
斜拉索仍以传统的平行镀锌钢丝、冷铸锚头为主。
斜拉桥的钢索一般采用自锚体系。
近年来，开始出现自锚和部分地锚相结合的斜拉桥,如西班牙的鲁纳（Luna）桥，主桥440m；我国湖北郧县桥，主跨414m。
地锚体系把悬索桥的地锚特点融于拉桥中，可以使斜拉桥的跨径布置更能结合地形条件，灵活多样，节省费用。
恐索桥结合地形、地质、水文可采用单跨悬吊、双跨不对称悬吊和三跨悬吊（简支和连续体系）。
据查,世界悬索桥多为单跨悬吊,其次是不对称双跨和三跨简支悬吊。
三跨悬吊连续体系最少。
丹麦大带桥，三跨悬吊连续，其跨径为535m + 1624m+ 535取中国的II门海沧大桥，三跨悬吊连续，其跨径为230m + 648m + 230m，可称世界同类桥梁的第二位。
3 斜拉桥与悬索桥的施工的区别斜拉桥的施工方法：混凝土斜拉桥主要采用悬臂浇筑和预制拼装；钢箱和混合梁斜位桥的钢箱采用正交异性板，工厂焊接成段，现场吊装架设。
钢箱与钢箱的连接，一是螺栓，二是全焊，三是栓焊结合。
斜拉桥与悬索桥之比较
第四篇斜拉桥与悬索桥第一章斜拉桥教学目的：1、掌握斜拉桥桥型的构造及力学特点。
2、了解斜拉桥的设计简介。
教学内容：1、斜拉桥主要由主梁、索塔和斜拉索三大部分组成。
2、斜拉桥常见的孔跨布置方式和立面上的布置方式。
3、斜拉桥的梁、塔、墩的结合方式。
4、斜拉桥的设计简介。
重点：1、斜拉桥构造特点。
2、斜拉桥的梁、塔、墩的结合方式。
难点：斜拉桥的梁、塔、墩的结合方式。
思考题及习题：1．斜拉桥的主要受力特点是什么?2．斜拉桥主梁常采用哪些截面，各有何特点?第一章斜拉桥1、组成:主梁——混凝土、钢—混凝土组合、钢索塔——钢筋混凝土斜拉索——高强材料(高强钢丝或钢绞线)2、荷载传递路径：主梁——多跨弹性支承的连续梁。
斜拉索对主梁的多点弹性支承作用，只有在拉索始终处于拉紧状态时才能得到充分发挥。
因此在主梁承受荷载之前对斜拉索要进行预张拉。
预张拉力——主梁一个初始支承力——调整主梁初始内力，并提高斜拉索的刚度。
斜拉索水平分力对主梁预压，——增强主梁的抗裂性能，节约高强钢材的用量3、斜拉桥与悬索桥的区别：结构刚度大小主梁承受轴力——可以对主梁内力进行调整刚度可改变4、索力调整——主梁受力均匀——经济、安全——工序繁琐5、拉索的防护、新型锚具的工艺和耐疲劳问题（一）孔跨布置:双塔三跨式最常见，主跨跨径较大，适用较大河流主跨作用活载时，塔向中跨侧发生水平倾斜，此时边跨刚度将显著减小塔的倾斜量，从而提高了中跨的刚度。
有效办法：加粗端锚索或增加边跨辅助墩。
独塔双跨式常见：主跨跨径比双塔三跨式主跨跨径要小，适用中小河流和城市道路当边跨较大时，一般需在边跨范围内布置辅助墩，以提高主跨刚度三塔四跨式和多塔多跨式非常少原因：中间塔没有端锚索来有效地限制它的变位，可将中间塔做成刚性塔(例如A形塔)，或用拉索对中间塔顶加劲，或增加主梁梁高、采用矮塔部分斜拉桥体系（二）构造1、斜拉索抗拉强度高、弹性模量大且抗疲劳性能好的钢平行高强钢丝束、平行钢绞线束斜拉索造价约占全桥造价的25％一30％。
斜拉桥与悬索桥性能对比分析
（1）对于一般跨径的混凝土斜拉桥结构计算，可按经典结构力学或有限元方法计算；
（2）对于跨径较大的斜拉桥，应计入结构几何非线性及材料非线性对结构的影响；
（3）斜拉桥为空间结构体系，在静力分析时可将空间结构简化为平面结构进行计算，动力分析应按空间结构计算；
（4）在结构计算中，必须计入拉索垂度对结构的非线性影响，可源自用拉索换算弹性模量的方法计入其影响；
几点增加风动力稳定性的措施：
1.梁的宽高比B/h要大于6，最好在6～10之间；
2.迎风面做成流线形；
3.可用横向放置的 形人行道板之类来形成导流器，以减少桥面局部真空；
4.尽可能使两索面拉开，以增加抗扭刚度，用三角形索面效果最好；
5.结构体系选用密索体系的连续梁；
6.减小索距
结语
通过以上的特点对比可以很清晰的看到悬索桥与斜拉桥的结构特点、受力特点、适用范围，再次的基础上要更注意二者之间的区别：1、两者的刚度差别很大；2、前者主梁受很大的水平分力而成为偏心受压构件，后者加劲梁不承受轴向力；3、前者课通过调整索力调整内力分布，后者不可；4、前者可通过斜拉索初张力、间距和数量的改变来改变刚度，后者不可。因此在设计选择桥梁类型时，要充分考虑桥梁的性能，选出最经济合理的设计方案。
四、风振问题及抗风措施
特点：
（1）一般的中、小跨径桥梁风作为静力计算，对风荷载也化为静力处理。
（2）大跨径桥梁中，除了考虑风的静力作用外，还必须考虑风的动力作用。
（3）桥梁的风振包括两大类，
（4）一类是当自然风达到某一临界值时，桥梁振幅不断增大直至结构损坏的自激振动，它是一种发散振动；
（5)另一类是限幅振动，它所引起的振幅有限，不会发散，但在低风速下经常发生。对桥梁危害最大的就是自激发散振动。
斜拉桥与悬索桥之比较
斜拉桥与悬索桥之比较斜拉桥与悬索桥作为现代桥梁的主要建筑方式，二者之间又存在着怎样的区别与联系呢？下面我们通过结构力学的方法对其进行受力方面的定性分析，来解决一些现实中的现象。
首先我们来了解一下他们的定义：斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。
斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。
悬索桥，又名吊桥（suspen sionbridge）指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。
其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。
从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。
斜拉桥与悬索桥的结构简图如图a，b所示。
下面对一些现实现象进行定性分析。
1.为什么斜拉桥和悬索桥可以比其他桥梁的跨度大很多？通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出，斜拉桥和悬索桥都是通过钢索的拉力来代替了桥墩的支持力。
因此可以减少桥墩的数量，实现桥梁的大跨度。
2.为什么悬索桥可以比斜拉桥的跨度更大？通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出，斜拉桥的钢索是斜着的，以a图C点进行受力分析，为了在C点提供足够的竖直拉力Fcy随着AC距离的增加，Fc和Fcx将会不断增大，这样会不断增大钢索的拉力和桥面的轴向压力，这也是为什么斜拉桥的钢索大多集中在索塔的上端的原因。
因此AC之间的距离不能太大，即斜拉桥的跨度不能太大。
而通过悬索桥的结构简图可以看出，悬索桥的钢索受力是竖直方向的，随着跨度的增加并不会增加钢索的受力。
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现代桥梁之斜拉桥与悬索桥区别与联系
斜拉桥与悬索桥作为现代桥梁的主要建筑方式,二者之间又存在着怎样的区别与联系呢？下面我们通过结构力学的方法对其进行受力方面的定性分析,来解决一些现实中的
现象.
首先我们来了解一下他们的定义：
斜拉桥又称斜张桥,是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系.其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁.其可使梁体内弯矩减小,降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料.斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成.
悬索桥,又名吊桥(suspension bridge)指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁.其缆索几何形状由力的平衡条件决定,一般接近抛物线.从缆索垂下许多吊杆,把桥面吊住,在桥面和吊杆之间常设置加劲梁,同缆索形成组合体系,以减小活载所引起的挠度变形.
斜拉桥与悬索桥的结构简图如图a,b所示.
下面对一些现实现象进行定性分析.
1.为什么斜拉桥和悬索桥可以比其他桥梁的跨度大很多？
通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出,斜拉桥和悬索桥都是通过钢索的拉力来代替了桥墩的支持力.因此可以减少桥墩的数量,实现桥梁的大跨度.
2.为什么悬索桥可以比斜拉桥的跨度更大？
通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出,斜拉桥的钢索是斜着的,以a图C点进行受力分析,为了在C点提供足够的竖直拉力Fcy随着AC距离的增加,Fc和Fcx将会不断增大,这样会不断增大钢索的拉力和桥面的轴向压力,这也是为什么斜拉桥的钢索大多集中在索塔的上端的原因.因此AC之间的距离不能太大,即斜拉桥的跨度不能太大 .而通过悬索桥的结构简图可以看出,悬索桥的钢索受力是竖直方向的,随着跨度的增加并不会增加钢索的受力.因此悬索桥的跨度可以比斜拉桥更大.
3.为什么斜拉桥比悬索桥稳定？
由斜拉桥的结构简图可以看出绷紧的钢索与索塔及桥面根据三钢片原则构成了不变体系,而有悬索桥的结构简图不难看出悬索桥的主索、细钢索、索塔及桥面之间构成的是可变体系.因此悬索桥的稳定性不如斜拉桥的稳定性好.
4.既然增加索塔可以加大桥面的竖向拉力,减小桥面轴向应力鹤岗索拉力,为什么不把索塔建得很高呢？
首先,增加索塔的高度会增加桥梁的用料,从而增加桥梁的经济成本高.其次,由于现实生活中桥面的受力情况特别复杂,无法保证索塔两边桥面受力情况完全相同,这会使得索塔两边钢索所受的拉力不同,如果索塔很长会使得索塔与桥面连接处以及桥墩与地面连接处弯矩过大,容易发生破坏.
5.为什么斜拉桥的桥面可以比悬索桥的桥面宽很多？
斜拉桥的桥面比悬索桥的桥面宽很多是有桥面的材料为混凝土和桥面的受力特点的决定的 .下面截取斜拉桥和悬索桥的桥面的一个横截面来简化力学模型,并对其进行受力分析.假设桥面受大小为q的均布力,斜拉桥的受力如图c,悬索桥的受力如图d.
在斜拉桥的横截面受力图中,桥面横截面受斜向上的钢索拉力,因为斜拉桥的索塔为A型或椡Y型;而在悬索桥的受力图中,桥面横截面只受到竖直向上的拉力,因为悬索桥的索塔为H型.假设斜拉桥和悬索桥桥面长度为l,厚度为2h,则斜拉桥受到的最大拉应力为：米y/Iz-Tt/2lh=0.5ql*lh/Iz-Tt/2lh;悬索桥的最大拉应力为：米y/Iz=0.5ql*l/Iz.由此可见在受力和桥面横截面形状相同的情况下,斜拉桥的最大拉应力比悬索桥小Tt/2lh,又因为桥面材料为混凝土,抗压不抗拉,因此斜拉桥的桥面可以比悬索桥的桥面更宽一些.
下面,假设桥面受大小为q的均布力(因为桥面主要受到自身的重力,而桥面自身的重力是均布力),而这也是桥面的,设有n根钢索且每根钢索所受的拉力相等为T=ql/(n+2),并且假设桥面只发生小变形,对力学模型进一步简化后.对斜拉桥和悬索桥进行分析,做出斜拉桥与悬索桥的受力图g,剪力图e,弯矩图f.
从斜拉桥和悬索桥加钢索和没加钢索的剪力图可以看出：钢索的增加能有效的减小剪力的不断的增加,将剪力变成一种周期性的力.同时可以看出钢索越多剪力图像中的峰值在斜率不变,钢索的只能更加会使图像的周期减小,因此能有效地减小剪力图像中的
峰值(F Q=ql/(n+2)),由米(X)= F Q(X)dx得到斜拉桥和悬索桥的弯矩图.同时从斜拉桥和悬索桥的弯矩图中可以看出来其图像也为周期函数图象.同样其图像的峰值与钢索的
数量加2后的平方成反比(米=ql*l/(n+2)*(n+2)).由此可见增加钢索的数量不仅可以减小斜拉桥和悬索桥桥面的剪力和弯矩,同时也可以减小每根钢索的拉力.由此可见准确的估计每一段的受力情况,以此来设置钢索中的预应力是十分重要的,对减小桥面中的剪力和弯矩起着决定性的作用.虽然钢索中的预应力设置不当也可以起到阻止弯矩增大作用,但效果将大打折扣.由此可见对斜拉桥和悬索桥进行准确的受力分析是十分重要的.
以上只是在理想化的条件下进行的粗糙的理论分析,现实中总是有着这样或那样的不可控条件.首先,桥面不可能受均布力：其次,大跨度的桥梁并非只发生小变形,而是会发生大变形;最后,斜拉桥的桥面存在着弯矩和轴力混合作用的效应.当然还有其他的一些因素对理论分析的影响没有列举出来,我们就先不讨论了.下面我们来分析一下以上三个方面对我们的分析造成的影响.
1.由于桥面的受力并非均布力,虽然桥面自身的重力仍是均布力,但两者相加之后,剪力图e中的剪力就不是线性变化的,这会对钢索预应力的估计造成困难.
2.由于大跨度桥梁发生的并非小变形,而是会发生大变形.以上的线弹性的分析方法就不再适用了,应该运用几何非线性的分析方法进行分析.几何非线性问题是指大位移问题,几何运动方程为非线性.在绝大多数大位移问题中,结构内部的应变是微小的 .因为应变是微小的,对线性问题一般是根据变形前的位置来建立平衡方程.但对几何非线性问题,由于位移变化产生的二次内力不能忽略,荷载一变形关系为非线性,此时叠加原理不再适用,整个结构的平衡方程应按变形以后的位置来建立.
3. 斜拉桥的斜拉索拉力使其它构件处于弯矩和轴向力组合作用下,这些构件即使在材料满足虎克定律的情况下也会呈现非线性特性.构件在轴向力作用下的横向挠度会引起附加弯矩,而弯矩又影响轴向刚度的大小,此时叠加原理不再适用.但如果构件承受着一系列横向荷载和位移的作用,而轴向力假定保持不变,那么这些横向荷载和位移还是可以叠加的.因此,轴向力可以被看作为影响横向刚度的一个参数,一旦该参数对横向的影响确定下来,就可以采用线性分析的方法进行近似计算.有两种方法可以处理这种由压一弯共同作用引起的非线性问题：一是引入稳定函数,得到梁体单元刚度矩阵元素的修正系数,然后用修正系数在迭代中不断地对小位移线弹性刚度矩阵进行修正;或者在计算单元刚度矩阵时考虑几何刚度矩阵的影响.二是从实际的应变出发列出压弯共同作用的总应变方程,
通过虚功原理,得到梁体单元的整体刚度矩阵.。