大跨度桥梁的稳定理论
桥梁的马蹄概念
桥梁的马蹄概念桥梁的马蹄概念源自于对桥梁结构的研究和设计中的一种理论模型。
马蹄概念主要是指桥梁的承载结构在荷载作用下形成的一种特殊的变形形态，常见于悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁。
以下将从马蹄概念的起源、桥梁结构中的应用、桥梁的稳定性等方面详细阐述这一概念。
马蹄概念起源于对悬索桥和斜拉桥研究过程中的观察和实践总结。
悬索桥是一种以主梁为主承重构件，通过斜拉索悬挂索索桥塔上的主缆，以此支撑交通、荷载等在桥面上行驶的构造物。
当悬索桥荷载作用下，主梁受到弯矩和挠度的同时，斜拉索、悬索的受力也会发生变化，这种变化的过程中，主梁可以看作是马蹄的下半部分。
桥梁结构中的马蹄概念的应用主要是指悬索桥和斜拉桥在设计与施工中，为了达到更好的结构性能和稳定性，需要考虑桥梁在荷载下的变形行为。
在桥梁设计中，通过对桥梁模型在荷载作用下的变形进行数值计算和实验研究，可以得到桥梁的马蹄形态，从而为后续的设计和施工提供有力的依据。
桥梁的马蹄概念对于桥梁结构的稳定性和安全性具有重要意义。
在桥梁设计中，马蹄概念可以用来评估和预测桥梁结构在荷载下的变形和破坏状态，从而设计出满足荷载要求的合理结构。
在桥梁施工中，通过控制桥梁的马蹄形变，可以保证桥梁的稳定性和安全性，避免出现结构失稳或破坏的情况。
桥梁的马蹄概念不仅应用于悬索桥和斜拉桥的设计和施工中，还可以拓展到其他类型的桥梁结构中。
例如，连续梁桥在荷载作用下会发生挠度和弯矩变化，也类似于马蹄的形态。
因此，马蹄概念对于不同类型的桥梁结构具有一定的普遍性。
总之，桥梁的马蹄概念是指桥梁在荷载作用下形成的一种特殊的变形形态，特别适用于悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁。
通过对桥梁结构中的马蹄概念的研究和应用，可以提高桥梁的结构性能和稳定性，确保桥梁的安全使用。
这一概念将继续在桥梁领域的研究和实践中发挥重要作用，为桥梁工程的发展和进步做出贡献。
大跨度钢结构拱桥承载能力与施工控制研究
大跨度钢结构拱桥承载能力与施工控制研究发布时间：2022-10-30T05:47:18.669Z 来源：《城镇建设》2022年12期6月作者：陈濡森[导读] 随着我国经济水平的日益提高，工程建设的规模逐渐增大，陈濡森珠海航空城工程建设有限公司摘要:随着我国经济水平的日益提高，工程建设的规模逐渐增大，大跨度钢结构技术是桥梁工程建设中最常使用的施工技术，但该技术在实际应用中依然存在一定的风险。
大跨度钢结构能够满足不同大型建筑的需求，主要有以下几个原因:美观的造型、高强度的跨越能力、良好的景观效应、独特的优势。
因此，为了我国交通运输业的稳定发展，务必投入人力、物力研究和探索大跨度钢结构技术，使其在桥梁工程的建设中发挥更大的作用。
于此，文章探索并研究了大跨度钢结构桥梁施工技术，可为今后桥梁工程建设提供一定的参考借鉴。
关键词:大跨度钢结构;恒载索力;几何非线性;极限承载力一、大跨度钢结构桥梁施工技术案例金岛大桥为珠海航空产业园滨海商务区市政配套工程二期中的一座桥梁，该桥位于金岛路上，跨越主排洪渠，桥梁起点为KC0+132.00，桥梁终点为KC0+232.00。
金岛大桥桥孔布置为1×100m，采用非对称异形拱桥结构形式。
上部结构概述；本桥为跨径100m的非对称异形拱肋拱桥，桥梁位于直线段内，凸型竖曲线半径为R=2700m。
拱肋采用钢箱截面，断面尺寸为2.8×2.8m。
主梁为钢—混凝土组合梁结构。
由箱型纵梁、横梁、小纵梁组成的纵横体系，其上设混凝土桥面板。
吊杆采用环氧涂层钢绞线成品吊杆。
为保证施工监控计算数据的准确性，本项目拟采用成熟的有限元软件进行计算，不同计算人员之间相互复核计算成果。
本监控项目采用的计算软件见表6.1。
其中，利用MIDAS/Civil软件建立空间模型，进行施工过程仿真计算、结构安全验算，局部构件分析采用ANSYS分析软件进行。
1.1大跨度钢结构拱桥施工模拟计算的有关问题1.1.1大跨度钢结构拱桥设计计算的校核与施工控制预测计算施工控制在实施时的第一步工作是要形成控制的目标。
《高等桥梁结构理论》教学大纲
《高等桥梁结构理论》教学大纲
课程编号：1321007
英文名称：Advanced Structural Theory in the Bridge
课程类别：学位课学时：60 学分：3 适用专业：土木工程
预修课程：有限元理论与程序设计、桥梁工程
课程内容：
《高等桥梁结构理论》主要介绍桥梁结构的力学理论和分析方法。
介绍桥梁设计计算公式的由来和规范条文的理论依据，从原理上和问题的本质上去认识桥梁结构的受力性能。
课程的主要内容包括：长悬臂行车道板计算理论；薄壁箱梁计算理论；曲线桥计算理论；斜桥计算理论；混凝土的收缩、徐变及温度效应理论；混凝土的强度、裂缝及刚度理论；钢桥的计算理论；桥梁结构几何非线性计算理论；大跨度桥梁的稳定理论。
目的是使学生运用已经掌握的数学力学知识，在解决桥梁结构的基本力学问题时，能够获得比较满意的结果。
学习的重点在于掌握桥梁结构基本分析理论、掌握大跨径桥梁用高性能材料的性能、掌握大跨径桥梁结构模拟分析方法等。
教材：
项海帆. 高等桥梁结构理论. 北京:人民交通出版社，2001
参考书目：
1. 杜国华. 桥梁结构分析. 上海:同济大学出版社，1997
2. 张士铎. 桥梁设计理论. 北京:人民交通出版社，1984
3. 范立础. 桥梁工程. 北京:人民交通出版社，1987
4. 李国豪. 桥梁结构稳定与振动. 北京:中国铁道出版社，1992
考核方式与要求：
课程论文。
大跨度钢管混凝土拱桥受力性能分析
参考内容
基本内容
随着经济的发展和科技的进步，我国基础设施建设规模不断扩大，尤其是大 跨度桥梁的建设取得了长足的发展。大跨度钢管混凝土拱桥作为现代桥梁工程的 重要类型，具有结构轻盈、跨越能力大、美观环保等优点，因此在公路、铁路和 城市交通领域得到广泛应用。
然而，大跨度钢管混凝土拱桥施工过程复杂，涉及众多关键技术，如何确保 桥梁施工过程中的稳定性、安全性和精度控制成为亟待解决的问题。本次演示旨 在探讨大跨度钢管混凝土拱桥施工控制方面的研究，以期为类似桥梁工程建设提 供理论支持和实践指导。
参考内容二
一、引言
随着现代工程技术的不断发展，大跨度桥梁的设计和施工越来越受到人们的。 大跨度桥梁不仅在视觉上提供了宏大的景观效果，而且在功能上满足了跨越大型 河流、峡谷或其他复杂地形的需求。在众多大跨度桥梁中，大跨度钢管混凝土拱 桥因其独特的结构特性，如高强度、耐久性好、造价低等，而在桥梁工程中具有 广泛的应用。
在实验研究方面，学者们通过制作缩尺模型、全桥模型等进行了各种加载实 验，以探究拱桥的受力性能。这些实验表明，大跨度钢管混凝土拱桥具有良好的 承载能力和变形性能，同时拱脚处容易出现裂缝。尽管实验研究在某些方面取得 了成果，但仍存在实验条件与实际环境有所差异等问题。
本次演示主要研究大跨度钢管混凝土拱桥的受力性能，借助完善的理论和实 验设施，旨在探寻拱桥结构中应力、应变和强度等指标的变化规律。首先，运用 有限元软件建立大跨度钢管混凝土拱桥的数值模型，进行静力分析和模态分析， 以获取拱桥在自重作用下的应力分布和振动特性。
文献综述
大跨度钢管混凝土拱桥的非线性地震反应研究已经取得了不少进展。国内外 学者通过理论分析、实验研究及数值模拟等方法，对拱桥的地震响应进行了深入 探讨。已有的研究主要集中在以下几个方面：
大跨度钢桁拱桥的极限承载力分析
大跨度钢桁拱桥的极限承载力分析盖卫明;任伟新【摘要】钢桁拱桥是以承压为主的结构体系,随着跨径的不断增大,其非线性效应会变得十分突出,因此研究其极限承载力并对其安全性进行准确评估就变得尤为重要.本文以主跨436m的中承式钢桁拱桥新蕉门大桥为例,运用大型有限元软件ANSYS 详细分析了该桥的极限承载力,并探讨了不同荷载分布方式对其极限承载力的影响.结果表明以分支点稳定理论为基础的线弹性分析大大高估了桥梁的安全系数:与几何非线性分析结果相比较,材料非线性对此桥极限承载能力的影响较大:不同的荷载分布方式对此桥的极限承载力影响较小a.【期刊名称】《土木工程与管理学报》【年(卷),期】2008(025)004【总页数】4页(P328-331)【关键词】钢桁拱桥;几何非线性:材料非线性;极限承载力;有限元分析【作者】盖卫明;任伟新【作者单位】中南大学土木建筑学院,湖南,长沙,410075;中南大学土木建筑学院,湖南,长沙,410075【正文语种】中文【中图分类】U441拱桥的稳定问题一直是人们关心的问题之一。
国内外学者对拱桥稳定的研究，经历了从线性到非线性、从平面到空间、从裸拱到全桥的发展过程，早期多集中于采用线性方法对简化桥梁模型的分析，如今随着电子计算机的快速发展，采用非线性有限元法对实际全桥极限承载力进行研究已成为一种趋势[1,2]。
近年来，我国的拱桥建设不断向大跨度方向发展，特别是钢桁拱桥，拟将建成的重庆朝天门大桥主跨达到了552 m。
随着拱桥跨径的不断增大，其非线性稳定问题会变得尤为突出，所以对其极限承载力进行研究将具有重要意义[3,4]。
本文在总结稳定分析方法的基础上，应用ANSYS详细分析了一座钢桁拱桥的极限承载力。
结构的失稳是由于在平衡路径上出现了奇异点，也叫临界点，包括分支点和极值点两种[4~6]。
分支点失稳假定结构失稳时处于弹性小变形范围，结构的内力与外荷载成比例关系，达到临界荷载时，结构的平衡出现了分支，此时结构的平衡方程为：分支点稳定问题为一特征值问题，求解该特征方程组可得结构临界荷载为。
大跨度结合梁斜拉桥抗风稳定分析
［ （ ６ ．） ／， — ｂ ］６ １ — ５ ｘ—７ ， ｂ ＋ ０ ｏ ￣／
（） ３
式中： 田为截 面形状系数 ； 为扭转基频 ； 为
竖 向 弯 曲 基 频 ； 为 桥 宽 的 一 半 ；＝、 ， ； ６ ｒ ／／ ｍ
＝ ／ｐ ｚ ， ｍ￣ ｂ； 分别为单位长度梁的质量与惯性矩。 ｍ、
桥 址 位 于 甘 肃 省 兰 州 市 西 固区 新 城 镇 ，线路
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ７ ２ １— ３ ２
作者简介 ： 李林（９ ０ ） 男 ， １７ 一 ， 甘肃 兰州人 ， 高级 工程 师， 事桥 从 梁设 计工作 。
面； 钢横 梁采 用 ２２ ０ｍ ８ ｍ×７０ｍ × ０ ２ ） ｍ× ０ ｍ ２ （８ ｍ １ ｍ工 字型截 面 。斜拉 索 采用 直径 ７ｍ ６ｍ ｍ镀 锌 低 松 弛 平 行 钢 丝 束 ， 大 索 长 １９２ １ｍ， 索 与 水 最 ８ ．０ 边 平 面最 小 夹 角 为 ２ ． １ 。 ２９ 。 ７
簧＝ｒ Ｂｅ ｆ ｏ
（ ２ ）
式中 ： 为全桥宽 ｉ 为基本扭转频率 ； ＝ ．・ 野 ５ ２ 、 ／ ，称为西欧多森数的倒数 ； 为单位长度 桥梁与空气密度 比； ６ ｒ 为惯性半径 比。 ／ 当桥梁发生弯扭耦合颤振时 ，其临界风速常
用克 罗 伯公 式计 算 ：
以 ＝
５ ０ｍｍ×１ ０ ｍ×５ （ ０ ｍ ０ ０ｍ ０ ０ ８ ） ｍ×２ ８ｍｍ工字 型截
式 中： Ｋ为 综 合 安 全 系 数 ， １ ； 考 虑 风 速 取 ． 为 ２ 脉 动影 响 和水 平 相关 特性 的系 数 。根 据计 算 结 果 ， 主 梁 成 桥 状 态 颤 振 检 验 风 速 ［ ＝ ０ｍｓ 主 梁 施 Ｖ， ４ ／， ］ 工 状态 颤 振检 验 风速 ［＇＝ ．４Ｖｒ ３ ． ｍｓ Ｖｃ Ｏ８ ［ ＝ ３６ ／。 ｒ ］ ］ ２２ 颤 振 临界 风 速 ． Ｈ ｒ ｇ 建 议 的桥 跨 结 构 颤 振 临 界 风 速 实 用 ｅｚ 所 ｏ 公 式 如下 ：
大跨度施工桥梁控制
• 斜拉索张拉索力与理论预报值的相对误差应控制 在2%以内； • 挂篮定位标高与预报标高之差控制在1厘米以内； • 斜拉索张拉完后，如梁端测点标高与控制预报标 高之差超过4厘
米，需研究调整方案，确定索力调整措施。
测量值和控制措施
观测变量为：标高、索力、塔顶水平位移、主梁及塔 身的局部温度场和应力场；混凝土徐变系数和弹性模 量测试试验；在悬臂浇筑之前对挂篮进行了现场预压 试验。 控制措施：斜拉索的索力及梁段的立模标高。
参数估计计算原理
影响方程
待估计参数
Z A (S)
可测量变量
调整影响函数
优化目标方程
实际测量值
预计测量值
约束条件
J min f (Z - Z) min f [Z - A(S)]
优化目标
优化目标函数
si si max (i 1，2，，r)
参数估计方法分类
一类是基于误差最小化的算法，如最 小二乘法
施工操作误差的累计误差较大 • 斜拉桥设计规范中把施工控制作为实现设计目
标的必要措施
二.施工控制的思路
开环施工控制——适用于简单桥梁或非循 环式施工桥梁
反馈施工控制——适用于结构参数比较稳 定的桥梁
自适应施工控制——适用于循环式施工桥 梁
目前尚没有一种算法可直接用于施工控制， 控制方法只是一种思路的应用
的影响非常明显， 钢梁的抗拉、抗压能力均较强。
大跨度钢斜拉桥控制对策
在确定施工控制目标时，一般使用无应力状态法。 由于梁段间相对位置不能调整，某一梁段的误差除影
响本节段外，误差的趋势还将影响以后的梁段，因此， 拼装阶段的线形是控制的主要目标，必须在下一节段 拼装前通过斜拉索索力的调整来纠正已建成梁段的线 形误差，而将索力控制在一定误差范围内。
第1章桥梁结构稳定
13
Aug. 27th
A9L
57
3、魁北克桥第一次事故
1907 年 8 月 29 日 ， 魁 北 克 桥的第一次破坏事故，造 成了75名工人当场死亡， 另有11名重伤；
3、魁北克桥第二次事故
1913年，大桥开始重建，新桥主要受压构件的截面积比原设 计增加了一倍以上。然而，在1916年9月，由于悬臂安装时一 个锚固支撑构件断裂，挂梁再次落入圣劳伦斯河中，并导致 13名工人丧生；
2、能量准则与能量法
能量准则：
结构体系的总势能为：Ep = Eε + (−W )
若该体系受到微小的扰动，在初始平衡位置足够小的邻域内 发生某一可能变形，则体系的总势能Ep存在一个增量Δ Ep ： 当Δ Ep >0，总势能增大(Ep为最小值)，说明初始平衡位置是 稳定的；
当Δ Ep <0，总势能减小(Ep为最大值)，说明初始平衡位置是 不稳定的；
主讲：徐略勤 副教授 土木建筑学院桥梁工程系
xulueqin@
² 李国豪. 桥梁结构稳定与振动. 中国铁道出版社， 1992
² Timoshenko SP, Gere J. Theory of Elastic Stability, 2nd Edition. McGraw Hill Inc. 1961
当轴向荷载较小时，杆件只产生 轴向压缩变形，保持平直的直线 平衡状态；
若此时给杆件施加一微小扰动水 平力，杆件会发生微小弯曲，取 消这一水平力后，杆件将恢复原 来的直线平衡状态，即该平衡状 态是稳定的。
2、理想压杆的稳定问题
当轴向荷载达到Fcr时，施加微小的扰动水平力使杆件产生弯 曲，取消这一扰动后，杆件仍保持微弯状态，不会恢复到原 来的直线平衡状态，这个平衡是随
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图 12.1 中心受压的理想直杆
12.1.3 稳定问题求解方法的评述
研究压杆屈曲稳定问题常用的方法有静力平衡法(Eular 方法)、能量法(Timoshenko方法)、缺陷法和振动法 。
12.1.2两类稳定问题
物体的平衡可能是稳定的、不稳定的或者是随遇的。 物体从一种平衡状态稍微偏至邻近状态之后，如果仍能回 复到原来的状态，则原来的平衡状态为稳定的；如果不能 回复到原来的状态而将继续离去，则原来的平衡状态为不 稳定的；如果可以在任意新的位置上保持平衡，则为随遇 平衡。
以刚性小球在不同曲面上的平衡状态为例，小球在凹面 的最低位置为稳定平衡，在凸面的最高位置为不稳定平衡， 在水平面上为随遇平衡。在一般情况下，平衡的性质可随物 体的偏移方向而异。如小球在双曲抛物面中点，其平衡状态 在一个方向是稳定的，而在其它方向则是不稳定的。在桥梁 结构中，总是要求其保持稳定平衡，也即沿各个方向都是稳 定的。随遇平衡可认为是稳定与不稳定的过渡状态，也属于 不稳定的范畴。
结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时，稳定性平 衡状态开始丧失，稍有扰动，结构变形迅速增大，使结构失 去正常工作能力的现象。研究稳定可以从小范围内观察，即 在邻近原始状态的微小区域内进行研究。为揭示失稳的真谛， 也可从大范围内进行研究。前者以小位移理论为基础，而后 者建立在大位移非线性理论的基础上。引出了研究结构稳定 问题的两种形式：
第十二章 大跨度桥梁的稳定理论
12.1 概 述 12.2 第一类弹性及弹塑性稳定分析 12.3 拱桥稳定分析和非保向力效应 12.4 材料非线性问题 12.5 桥梁结构的极限承载力及其全 过程分析 12.6 小结
12.1 概述
12.1.1 稳定理论的发展历程
稳定问题是力学中一个重要分支，是桥梁工 程中经常遇到的问题，与强度问题有着同等重要的 意义。随着桥梁跨径的不断增大，桥塔高耸化、箱 梁薄壁化以及高强材料的应用，结构整体和局部的 刚度下降，使得稳定问题显得比以往更为重要。
静力平衡法是从平衡状态来研究压杆屈曲特征的，即研 究载荷达到多大时，弹性系统可以发生不同的平衡状态，其 实质是求解弹性系统的平衡路径(曲线)的分支点所对应的载 荷值(临界载荷)。能量法则是求弹性系统的总势能不再是正 定时的载荷值。缺陷法认为：完善而无缺陷的理想中心受压 直杆是不存在的。由于缺陷的影响，杆件开始受力时即产生 弯曲变形，其值要视缺陷程度而定。在一般条件下缺陷总是 很小的，弯曲变形并不显著，只是当荷载接近完善系统的临 界值时，变形才迅速增至很大，由此确定其失稳条件。振动 法以动力学的观点来研究压杆稳定问题。当压杆在给定的压 力下，受到一定的初始扰动之后，必将产生自由振动，如果 振动随时间的增加是收敛的，则压杆是稳定的。
桥梁结构的失稳现象表现为结构的整体失稳或局部 失稳。局部失稳是指部分子结构的失稳或个别构件的失 稳，局部失稳常常导致整个结构体系的失稳。
历史上有过许多因桥梁失稳而造成事故的例子。例 如，俄罗斯的克夫达(K eвдa)敞开式桥，于1875年因上 弦压杆失稳而引起全桥破坏；加拿大的魁北克(Quebec) 桥于1907年在架设过程中由于悬臂端下弦杆的腹版翘曲 而引起严重破坏事故；苏联的莫兹尔(Mозыр)桥，于 1925年试车时由于压杆失稳而发生事故；澳大利亚墨尔 本附近的西门(West Gate)桥，于1970年在架设拼拢整 孔左右两半(截面)钢箱梁时，上翼板在跨中央失稳，导致 112m的整跨倒塌。
第一类稳定：分支点失稳问题 如图12.1(a)所示中心受压的理想直杆。当载荷P低于特
定的临界值Pcr时，如果施加微小干扰使之弯曲，卸去干扰 后杆件仍回到原始直线状态。这时，称压杆的直线平衡形式 是稳定的。以中点挠度f为横坐标，载荷P为纵坐标，如图 12.1(b)所示，则OA上任一点表示一种直线平衡状态。称 OA为原始平衡路径(Primary equilibrium path)。当P超 过Pcr时，压杆可能处于直线平衡状态，也可能处于弯曲平 衡状态。但直线平衡状态是不稳定的，稍有干扰，压杆就失 去平衡而发生弯曲至B点。曲线AB称为第二平衡路径，A点 称为分支点。这种具有分支点的平衡问题称为第一类平衡问 题。分支点A处第二路径的切线是水平的，因此在一阶无穷 小邻域内，挠度为不定值。结构分支点失稳是理想力学模型 和小位移理论的产物。
桥梁失稳事故的发生促进了桥梁稳定理论的发展。早在 1744年，欧拉(L.Eular)就提出了压杆稳定的著名公式。此 后彭加瑞(A.Poincare,1885)明确了稳定概念，并推广到流 体力学的层流稳定问题中，即稳定分支点的概念。恩格塞 (Engesser)和卡门(Karman)等根据大量中长压杆在压曲前已 超出弹性极限的事实，分别提出了切线模量理论和折算模量 理论。普兰特尔和米歇尔几乎同时发表了关于梁侧倾问题的 研究成果。近代桥梁工程中由于采用了薄壁轻型结构，又为 稳定问题提出了一系列新的实际课题。瓦格纳 (H.Wagner,1929)及符拉索夫(В.З.ВЛаCOB,1940)等人关 于薄壁杆件的弯扭失稳理论，证明其临界荷载值大大低于欧 拉理论的临界值，同时又不能用分支点的概念来解释。因而 引入了极值点失稳的观点以及跳跃现象的稳定理论。随着科 学技术的发展，稳定理论与非线性理论的联系越来越密不可 分。研究表明，只有通过对结构几何非线性关系以及材料非 线性本构关系的研究，稳定：极值点失稳问题 一般结构体系并不存在分支点，这样就不能以平衡形式
发生分支现象来定义失稳特征。但是，在结构失稳过程中， 其荷载、变形曲线常具有极值点，如图12.1(b)所示。在OA 段内，结构始终处在弯曲平衡状态，更大可能是出现部分塑 性变形。当荷载达到极大值Pcr时，即使外力不再增加，结 构位移也可能急速增大，结构呈不稳定现象，这就是第二类 稳定：极值点失稳问题。