人行悬索桥参数分析与优化设计_pdf

ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｕｆｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｆｏｏｔｂｒｉｄｇｅ Ｗａｓ
ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ’ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｌａｎｇｕａｇｅ ＡＰＤＬ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｗｉｌｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ．
ｆｏｏｔｂｒｉｄｇｅ，ｉｔ ｈａｓ ｓｏｍｅ ｉｍｐｅｒｆｅｃｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅｏｒｙ ｔｏ ｐｒａｃｔｉｃｅ．
Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂｒｉｄｇｅ，
ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃｓ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ．Ａｎｄ ｔｈｅ
的桥粱，桥面系构造简单、加工容易、耗铜量低，桥梁架设和维护方便、桥型美
浙江大学硕士学位论文（２０１０）
第一章绪论
观，但是桥梁的刚度也较低。 人行悬索桥具有柔性的特点，是不同于钢结构桥、圬工桥等刚性结构桥的另
一种桥梁体系。与刚性桥梁相比，柔性的人行悬索桥由于其结构的“柔性”，具有 钢性桥梁不具有的显著优点【１１Ｊ：
（１）一跨跨越，可避免在山谷，河谷中修建昂贵的高桥墩和基础； （２）桥身重量轻，材料用量少。柔性人行悬索桥主要的受力构件是缆索，缆 索采用钢丝索组合而成，其容许应力较高，能充分发挥材料强度； （３）施工方便。柔性人行索桥结构简单，高度小，结构构件轻巧，便于采 用悬吊拼装法施工，无需大型吊装设备，可避免使用大量脚手架和模板等附属材 料及专用设备； （４）投资省。与其他桥型相比，当设计通过活荷载与桥本身重量之比愈小 时， 柔性人行索桥方案愈显经济合理，且缆索和横梁等桥体结构可回收重复使 用； （５）柔性人行悬索桥施工速度快，工期短，能满足快速施工的要求。 无论是过去修建的还是现在在建的人行悬索桥，由于地形，地质条件的不同， 以及实际使用的要求，悬索桥按有（无）桥塔、桥塔的个数、吊杆的布置、桥面 系和桥台的设置、斜拉索的设置等可以有众多型式的组合，但基本型式有下述几 种类型ｆ１０１： （１）典型桥型 有２个等高桥塔的对称设计，无边跨或边跨较短（图１－２ａ）。 （２）单塔桥型 只有１个桥塔，桥面系布置分为对称（图１．２ｂ）和非对称（图１．２ｃ）。 （３）混合式桥型 两桥塔端设置部分斜拉索的桥型（图１．２ｄ），或首尾吊杆距桥塔距离较大的 桥型（图１－２ｅ）。 （４）单塔不对称混合式桥型 只有１个桥塔，两端设有部分斜拉索的桥面不对称设计的桥型（图１．２ｆ）。 （５）长边跨桥型 中跨较短，具有较长的边跨，这类桥型又分为边跨有吊杆（图１．２９）和边跨
ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ＡＮＳＹＳ．ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｓｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ５．４％． Ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒａｉｎ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ Ｗａｓ ａｌｓｏ ｍａｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ
本文首先论述了悬索桥的基本计算理论，优化设计理论以及参数化建模的基 本知识。并采用ＡＮＳＹＳ中的ＡＰＤＬ参数化设计语言对呼日人行悬索桥进行了参 数化有限元建模，用于对该桥进行参数分析与优化设计。
为了深入了解人行悬索桥的体系特性，本文以呼日人行悬索桥为工程背景， 针对一些影响人行悬索桥受力性能的关键参数，如主缆矢跨比，塔梁约束方式， 索塔约束方式，跨度比，桥面系恒载集度，纵横梁刚度，跨中吊杆长度等参数进 行静力和动力计算分析与比较，研究总结出了人行悬索桥的一些力学特性，用于 指导设计。
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆＡＮＳＹＳ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｆｏｏｔｂｒｉｄｇｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ
ＡＰＤＬ
浙江大学硕士学位论文（２０１０）
第一章绪论
第一章绪论
１．１人行悬索桥概况
１．１．１悬索桥发展概况
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｄｒａｗｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｃａｂｌｅ ｗｉｒｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇ
ａｃｒｏｓｓ ａｂｉｌｉｔｙ，ｉｔ ｈａｓ ａｌｌ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｕｎｔａｉｎ ａｒｅａ ａｎｄ ｔｈｅ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｆｏｏｔｂｒｉｄｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｅｎ ｋｅｙ
ｖａｒｉｅｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ
ｂｅａｍ，ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｒｉｓｅ ｔｏ ｓｐａｎ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ｗａｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｗｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ
浙江大学硕士学位论文（２０１０）
摘要
摘要
人行悬索桥经济性好，造型美观，对地质地形状况适应性强，能充分发挥高 强钢丝绳受拉强度大的特点，不需要特别高的桥塔，就可架设较大跨径桥梁，在 山区和旅游景点有广泛的应用前景。现代悬索桥理论往往注重大跨径公路悬索桥 的研究，而对于简易柔性人行悬索桥的理论研究较少。
悬索桥又称吊桥，是一种古老的桥型，以悬挂的主缆为主要承重构件，荷载 由吊杆传至主缆，再由主缆传至主塔和锚碇。构造简单，受力明确，造型优美是 其主要特征。
悬索桥在中国古代已见其例，多用于人行。早在公元前２５０年就有李冰所建 的人行“笮桥”，汉宣帝甘露四年建成长百米铁索桥【ｌ】。在１６６５年，徐霞客的一 篇题为《铁索桥记》的游记被传教士Ｍａｒｔｉｎｉ翻译到西方，书中详细记载了１６２９ 年在中国贵州境内修建的一座跨度约为１２２Ｍ的铁索桥；在１６６７年，法国的传 教士Ｋｉｒｃｈｅｒ从中国回去后，出版了中国奇迹览胜（Ｃｈｉｎａ Ｍｏｎｕｍｅｎｔｓ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ） 一书，书中记载了建于公元６５年的云南兰津铁索桥。据李约瑟（Ｊｏｓｅｐｈ Ｎｅｅｄｈａｍ） 指出，这两本书直接导致了西方人进行悬索桥的尝试。文献史料记载，１７３４年 沙克森的军队远征但泽，途径奥得河时，修建了西方第一座临时性铁索桥【２１。因 此可以说中国古代的悬索桥技术在世界上处于领先地位。
浙江大学硕士学位论文（２０１０）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ａቤተ መጻሕፍቲ ባይዱＳＴＲＡＣＴ
Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｂｅａｕｔｉｆｕｌ
ｓｃｕｌｐＬ ｔｈｅ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｌａｎｄｆｏｒｍ，ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｏｆ ｔｈｅ
以呼日人行悬索桥为工程背景，利用大型通用有限元软件ＡＮＳＹＳ中的优化 模块，以材料费用为目标函数对呼日人行悬索桥部分结构尺寸进行优化设计，取 得了节约材料费用５．４％的效果；以恒载作用下主缆线形与设计线形的差为目标 函数，运用优化设计的方法确定了主缆的初应变。
关键词： 人行悬索桥参数分析优化设计ＡＰＤＬ
ｃｏｍｍｏｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｗｈｉｃｈ Ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
Ａｓ Ｈｕｆｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｆｏｏｔｂｒｉｄｇｅ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ
ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｆｏｏｔｂｒｉｄｇｅ Ｗａｓ ｍａｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ
浙江大学硕士学位论文（２０１０）
第一章绪论
（１）主缆采用空中编缆法架设。 （２）加劲梁采用非连续的钢绗梁，适应双层桥面，并在桥塔处设伸缩缝。 （３）桥塔采用铆接或栓接钢结构 （４）索夹分为左右两半，在其上下采用水平高强螺栓紧固。 （５）鞍座采用大型铸钢件。 （６）桥面板采用钢筋混凝土构件。 欧洲的悬殊桥大部分由英国人所设计，１９６４年英国修建福斯公路桥，这是 欧洲第一座跨度超过１０００ｍ的大桥。１９６６年英国又建成塞文桥，其加劲梁采用 全焊的扁平钢箱梁，就抗风和节省钢材而言开辟了一条新途径，从而形成了悬索 桥建设的英国流派，其主要特点如下： （１）采用流线型扁平钢箱梁作为加劲梁。 （２）早期采用铰接斜吊索。 （３）索夹分为上下两半，在其两侧采用垂直于主缆的高强螺栓紧固。 （４）桥塔采用焊接钢结构或钢筋混凝土结构。 （５）钢桥面板采用沥青混合料铺装。 日本的悬索桥出现较晚，直到７０年代，日本一跃成为经济大国，悬索桥建 设也得到了迅猛发展，其联系本周和四国的本四联络线上建有多座大跨悬索桥。 其中最为著名的有１９９８年建成的跨径１９９０．８Ｍ的明石海峡大桥。它将悬索桥夸 奖从２０世纪３０年代的１０００ｍ提高到接近２０００ｍ，是世界悬索桥建设使上的又 一座丰碑。在国际上悬索桥技术日益完善的情况下，日本结合自己的国情，吸收 世界上的先进技术，也形成了自己的流派，其主要特征为： （１）采用预制平行钢丝索股架设主缆，简称ＰＷＳ法。 （２）加劲梁主要采用美国钢桁梁形式，少数单层公路桥也开始采用流线型 扁平钢箱梁。 （３）桥塔采用钢结构，主要采用焊接方式。 （４）鞍座采用铸焊混合方式。 （５）主缆采用预应力锚固系统。 我国现代悬索桥的建设与外国比还存在一定的差距，现代悬索桥的建设明 显晚于西方发达国家。在建国以后的３０多年中，我国也修建了一些小跨度的悬
进入２０世纪西方国家首先在悬索桥建设中使用高强度钢缆，拉开了现代悬 索桥建设的序幕，悬索桥的跨径不断增大，结构形式也更轻盈美观。并逐渐形成 了美国、英国和日本三个悬索桥大国。【３】１４】【５】
美国在６０年代之后修建新的悬索桥相对比较少，但至今世界上拥有与修建 悬索桥数量最多的仍是美国，跨度在１０００Ｍ以上的已有４座，在５００Ｍ以上的 根据不完全统计也达１５座以上。１９３１年首先建成跨度突破千米的乔治华盛顿桥， 该桥在纽约跨越赫德森河，主跨１０６７ｍ。１９４０年，美国发生塔克马桥风毁事故， 该事故也成为桥梁风工程研究的起点。并由此创立了桥梁风振理论和大跨度桥梁 抗风设计理论的基本框架。美国在悬索桥的发展上花了将近１００年的时间，技术 上日趋成熟，为全球悬索桥的发展奠定了基础，并形成了自己的流派，其主要特 点有：