基于荷载试验的独塔双索面刚构体系斜拉桥受力分析
斜拉桥
斜拉桥是由斜拉索、塔柱和主梁组成，用若干高强的拉索将主梁斜拉在塔柱上，斜拉索使主梁受到一个压力和一个向上的弹性支承的反力，这就使得桥梁的跨越能力大大增强。
斜拉桥示意图斜拉桥是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。
它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。
斜拉桥是—种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。
按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。
斜拉桥由斜索、塔柱和主梁所组成。
用高强钢材制成的斜索将主粱多点吊起，并将主梁的恒载和车辆荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。
这样，跨度软人的主梁就象一根多点弹性支承(吊起)的连续梁一样工作，从而可使主梁尺寸大大减小，结构自重显著减轻，既节省了结构材料，又大幅度地增大桥梁的跨越能力。
此外，与悬索桥相比，斜拉桥的结构刚度大，即在荷载作用下的结构变形小得多，且其抵抗风振的能力也比悬索桥好，这也是在斜拉桥可能达到大跨度情况下使悬索桥逊色的重要因素。
斜索在立面上也可布置成不同型式。
各种索形在构造上和力学上各有特点，在外形美观上也各具特色。
常用的索形布置为竖琴形(图一)和扇形(图二)两种。
另一种是辐射形布置(图三)因其塔顶锚固结构复杂而较少采用图一竖琴形斜拉桥图二扇形斜拉桥图三放射形斜拉桥斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。
桥的主要承重并非它上面的汽车或者火车，而是它本身，也即我们看的的路面。
现在我们就分析这个：我们以一个索塔来分析。
索塔两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。
现在假设索塔两侧只有两根斜拉索，左右对称各一条，这两根斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力，根据受力分析，左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力；同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力；由于这两个力是对称的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了，最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。
独塔双索面斜拉桥抗震及抗风稳定性分析
１工 程 概 述
工程 主桥为独塔 双索 面预应力混凝 土梁 斜拉
桥 ，跨 径布置 为１６ １２ ７ ｍ＋ ９ ｍ，总长 为３ ８ ６ ｍ。结 构
折减 。边纵 梁和横 梁 的刚度计人 桥 面板 的有效 刚 度 ，桥 面板 及桥 面 系质 量等效 折算 给边纵梁 和横
梁， 边孔１ ２ ／ 简支梁质量堆聚于过渡墩盖梁上。
表１ 成桥状态结构边界条件
（ ） ３ 斜拉索 ：采用镀锌 ７ ｍ ａ ｒ 低松弛高强
平行钢 丝束 ，冷 铸墩头 锚 ，双 面扇形 布置 ，梁上
索距 ３ ６ ～ ｍ。 （ 过 渡墩 及 基础 ：过 渡墩 采用 柱式 桥 ４）
墩 ，Ｌ 形钢筋混凝 土盖梁 ，盖梁上设有一个单向活动 盆式橡 胶支座和一 个双向活动盆式橡胶支座 ，基础
采用 “ 王”字形承台 ， １ｍｍ ８ 钻孔灌注桩基 础 。
２ 结 构 动 力特 性 分析
２ １计算 模型 ．
计算模 型是动力 特性 和动力分析 的关键 ，它
应尽量 与实 际结 构相符 。为 了能 更真实 地反 映桥
注：表中ｄ 、 ｖ ｄ分别表示沿纵桥向、横桥向竖 向的线 ｘ ｄ、 ｚ 位移 ， ］ ｅ 、 ｚ ０ 、 ｙ ０分别表示绕纵桥向 、 （ 横桥向 、 竖向的转 角位移，１ 表示约束，０一 表示放松。 一
维普资讯
（Ｐ Ｓ ＲＥ ＥＣ ＯＬ ＲＥ Ｔ ＳＳＴ ＨＮ
析梁工锃 ｝
《ｊ 技 末》 ｏ７ ４ 总第 ３ 予左 ２ｏ年第 期 ６期
图２
№
成桥状态结构动 力特性
∞ （ａ／ ｒｄ ｓ）ｆ（ ） Ｔ（ ） Ｈｚ Ｓ
了良好的基础 ；从抗震角度来说，采用塔 、墩 、梁 固结体系对桥面 以上塔柱的抗震有利 ，但 同时增加 了桥面以下塔柱的地震力 。由于本桥桥面 以下塔柱 较低。再加之为满足运营阶段受力及变形要求 ，下 部 塔柱截 面尺寸一般较大 。地震力不控制设 计 。
独塔平行双索面斜拉桥调索索力计算研究
独塔平行双索面斜拉桥调索索力计算研究发表时间：2018-08-07T13:35:37.897Z 来源：《防护工程》2018年第7期作者：张沧海[导读] 调索为斜拉桥常有的施工阶段，本文利用索力影响矩阵对调索索力进行计算，并给出了利用MIDAS提取索力影响矩阵的方法中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安 710000摘要：调索为斜拉桥常有的施工阶段，本文利用索力影响矩阵对调索索力进行计算，并给出了利用MIDAS提取索力影响矩阵的方法。
将该法应用于某大桥调索索力计算，计算结果表现出高精度与快速收敛。
关键词：斜拉桥；影响矩阵；索力计算；迭代斜拉桥作为一种跨越能力大理论成熟造型优美的桥型，在高速公路以及城市桥梁中运用广泛。
斜拉桥利用斜拉索将主梁重力传递至主塔形成复杂的超静定结构，其索力之间相互影响。
斜拉桥施工过程中考虑施工阶段安全性，合拢时其全桥受力性能往往不能达到最优状态，对于这个问题，二次调索的方法是常用的解决手段。
文章旨在成桥索力确定的情况下，在斜拉桥合拢之后的索力调整中运用影响矩阵计算某大桥所需调索索力。
1、工程概况某跨径组合为120+125=245m的独塔平行双索面钢箱梁斜拉桥，采用平行双索面布置，塔墩固结、主梁半飘浮结构体系，主塔处竖向设置可调高支座、纵横向设置限位支座；边墩纵向设置活动支座、横向设置限位支座。
主塔与横梁相交处采用空心钢筋混凝土结构，横梁上设两个竖向可调高支座。
主塔横梁采用钢桁架结构。
采用平行双索面方式布置斜拉索，塔柱上索距设置为4.8m，主梁上索距设置为9.0m，全桥共设22对斜拉索，两排拉索横向间距37m，全桥共设置44根斜拉索，拉索水平倾角约28度。
大桥采用大型有限元软件Midas Civil程序进行计算，全桥共469个梁单元，44个桁架单元，共计单元数513个。
全桥计算模型采用鱼骨模型，主梁采用杆系结构，斜拉索采用桁架单元，塔、临时支撑等采用空间杆件结构。
斜拉索编号从左至右依次为E11—E1,W1—W11。
斜拉桥索力影响参数分析
Value Engineering———————————————————————作者简介:莫永春（1978-），男，安徽庐江人，本科，高级工程师，研究方向为施工与企业管理。
0引言近年来，我国基础设施建设得到了飞速发展，斜拉桥由于其卓越的跨越能力和良好的受力性能在交通运输中扮演了十分重要的角色。
斜拉桥主要由主塔、主梁、斜拉索组成，主梁直接承受自重及汽车荷载等外荷载，然后再通过斜拉索将荷载传递给主塔，主梁基本呈现为压弯受力状态[1-3]。
主塔除受自重引起的轴力外，还需承受由斜拉索传递的轴力及水平分力，因此索塔属于压弯构件[4，5]。
目前针对斜拉索索力影响因素方面的研究较少，因此本文为研究斜拉桥索力影响参数对斜拉索索力的影响规律，以某大跨度斜拉桥为工程背景，分别选取斜拉桥的主梁刚度、桥塔刚度、斜拉索刚度以及斜拉索损伤情况等四个影响参数，采用有限元软件建立三维空间有限元模型，分析在不同索力影响参数下斜拉索索力的变化规律。
1工程概况某大桥主桥为70+150+70m 双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，采用150m 主跨跨越深水区域，采用70m 边跨跨越两岸大堤，总长290m 。
塔柱采用双柱式，柱尺寸顺桥向4.5m 长，横桥向2.5m 宽，壁厚顺桥向1.25m ，横桥向0.65m ，两主塔均采用塔、梁固结体系，主墩顶设支座。
桥型布置图如图1所示。
2斜拉桥刚度参数对索力影响分析2.1主梁刚度参数选取斜拉桥主梁的刚度分别为原刚度的0.5、1.0、1.5、2.0以及2.5倍五种不同主梁刚度，原主梁刚度记作E 1，提取不同主梁刚度模型计算后的斜拉索索力数据，如图2所示。
由图2可以看出，主梁刚度的改变对于全桥的斜拉索的索力影响都很大，其中边跨编号SC12~SC01斜拉索索力和中跨编号MC01~MC06斜拉索索力随着主梁刚度的增大呈现出逐渐增大的变化规律，最大增大幅度为14.5%；但在中跨跨中编号MC07~MC07’斜拉索索力反而随着主梁刚度的增加呈现减小的变化规律，最小减小幅度为14.33%。
斜拉桥设计概念及结构分析
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一、斜拉桥概述 2.1 稀索体系的斜拉桥
2 斜拉桥技术演变
Knie桥纤细的桥塔和主梁（钢结构）
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一、斜拉桥概述 2.1 稀索体系的斜拉桥
2 斜拉桥技术演变
技术特色： 1）非对成的单塔斜拉桥 2）A型桥塔 3）扇形缆索体系
德国科隆 Severins桥
希腊Evripos 桥 1993 , 矩形板厚度 45 cm
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一、斜拉桥概述 主梁柔、薄化
2 斜拉桥技术演变
法国的Bourgogne 桥
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一、斜拉桥概述
2 斜拉桥技术演变
技术特色： 1）目前最大跨度的PC斜拉桥 2）三角形单箱双室箱梁，景观、结构特
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一、斜拉桥概述
斜拉桥和斜腿刚构力学对比
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一、斜拉桥概述
斜拉桥和悬索力学对比
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一、斜拉桥概述
2 斜拉桥技术演变
2 斜拉桥技术演变
斜拉桥的技术演变大致可以分为四个阶段：
1）稀索体系的斜拉桥
1956年开始，主梁大部分采用钢主梁，斜拉索较少，但拉索的直径较大，钢箱 梁索距大约30－60米，混凝土梁的索距大约15－30米。
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一、斜拉桥概述
2 斜拉桥技术演变
德国桥梁工程师Hellmut Homberg 则提出了密索体系的斜拉桥和单索面斜拉桥。
技术特色：第一座密索体系的钢斜拉桥，单索面
独塔双索面斜拉桥抗震及抗风稳定性分析
３斜拉 索 ： ） 采用镀锌 ｍｍ 低松 弛高强平 行钢丝 束 ， 冷铸 墩
双面扇形 布置 ， 梁上索距 ３ｍ～６ｍ。 混凝土梁 。梁侧高 ２ ５ｍ， 、 顶宽 ２ ． 底宽 ２ 、 梁顶 设 ２ 头锚 ， ８ ２ｍ， ６ ２ｍ， ％
原选定的涂料品种及其生产厂家牌号 ， 各种 涂料在施 工前应 有材 设计 干膜厚度 ， 最小 厚度应不小 于设计厚 度的 ７ ％， ５ 当不符合上 料出厂合格证或质量 检验文 件 。２ 对各 种进 场涂料 应取 样检 验 述要求 时 ， ） 应根据情 况进行 局部 和全 面补涂 ， 至达到 要求 的厚 直
及保存样品 ， 并按现行 Ｇ ７６涂料 比重测 定法和 ＧＢ１ ２ Ｂ １５ ７ ９涂料 度 为止 。
固体含量测定法的有关规定测定涂料 的相对 密度 、 固体含量 和湿 ４ ３ 涂层 管理 及 维修 。 膜与干膜厚度的关系 。３ 涂装方法应根 据涂料 的物理性 能 、 ） 施工 １涂层在使 用 过 程 中应定 期 进行 检 查 ， ） 如有 损坏 应及 时修 条件 、 涂装要求 和被涂结 构的情况进行 选择。４ 在进行 涂层 施工 补 。修补用 的涂料应 与原 材料 相 同。２ 当检查发现涂层 有裂纹 、 ） ） 时， 混凝土表面 的含水量 要小 于 １ ％ ， 用前将 基料 与 固化剂 按 气泡 、 ０ 使 严重粉化或 粘结力 低 于１ ５ＭＶ 时 ， ． ａ 可认 为涂 层 的防护能 配套包装重量 比例称量配制 ， 混合均匀后熟化大约 １ ｉ－２ ｋ 力 已经失效 。再作涂层保 护时 ， ５ｒｎ ０ｒｎ ａ ｎ 应将失 效涂层用 汽油喷灯火焰灼 即可施工 ， 由于基料 与 固化 剂混 合会 产生较 大热 量 ， 同时 本身 的 烧后铲 除 ， 然后用饮用水 冲洗干净 后方可涂装 。３ 对防腐蚀涂层 ）
独塔双索面斜拉桥双非线性地震时程分析
独塔双索面斜拉桥双非线性地震时程分析汶川地震（M8.0），造成直接经济损失1234.6亿美元；2021年的玉树地震（发生两次地震，最高震级M7.1级），因处于地广人稀，造成直接经济损失3亿人民币，但林业经济损失达到25亿元。
而且在城市发生的地震基本属于多次破坏性地震，造成了惨重的生命财产的损失。
强震作用下结构处于非线性状态是地震灾害的显著特点。
因此，有效的分析工具和分析方法的应用，对了解强地震作用下桥梁的破坏机理和提高结构抗震设计水平意义重大。
1 斜拉桥非线性研究的重要性奥登说，我们的世界是一个非线性的集合体。
当材料的应力—应变不成线性关系时称为材料非线性问题；当结构的应变—位移不成线性关系以及结构的小应变假设不成立时，都称为结构的几何非线性；当二者都不满足时，结构就会呈现出几何、材料双重非线性问题。
斜拉桥的结构内力，在考虑几何非线性后有很大变化。
在正常使用状态下，几何非线性对斜拉桥的刚度、强度有很大影响，但是材料非线性问题不一定存在。
从斜拉桥的非线性分析中，可以了解结构的可靠性和安全性，为建设期、营运期管理提供可靠的依据和保障。
当斜拉桥处于正常使用极限状态时，材料发生塑性变形，应同时考虑几何、材料非线性对结构的影响。
1.1 斜拉桥双非线性研究的主要内容及现状Demenico用连续分布荷载等效拉索对主梁和主塔的作用得出结构刚度随位移增加而增大结论。
1996年，Pao-Hsii Wang在拉索的初始状态分析中得出垂度效应是影响斜拉桥几何非线性的最重要因素。
2021年，刘沐宇等在某斜拉桥的几何非线性仿真分析中，得出影响结构变形和应力状态的几何非线性因素很多，忽略其中任何一个因素都会影响计算结果。
2021年贺拴海以一系列假设为前提，用能量法对斜拉桥的非线性承载力进行了分析。
得出能量法计算精度较高，且计算简便速度快，便于实用的结论。
2021年黄艳对某大跨斜拉桥成桥状态非线性分析得出材料非线性对斜拉桥有明显影响。
独塔双索面斜拉桥设计
独塔双索面斜拉桥设计
该桥的设计需要从以下几个方面考虑：
1.桥梁形式：独塔双索面斜拉桥的桥体主要由主梁和桥面板组成，主
梁上设置钢索，桥面板则采用预制混凝土板，以满足桥梁的受力要求。
主
梁的形式可以采用箱形梁或梁板组合形式。
2.塔的设计：对于独塔双索面斜拉桥来说，塔是起到支撑主梁和桥面
板的作用，其结构设计需要满足抗风抗震等要求。
塔的高度一般与跨度成
正比，但需要根据实际情况进行具体确定。
3.索面设计：索面是独塔双索面斜拉桥的核心部分，通过索面的拉力
来支撑桥梁结构。
索面的设计需要根据预计的荷载和跨度进行确定，以确
保桥梁的安全性和稳定性。
4.材料选择：桥梁的材料选择需要综合考虑强度、抗腐蚀和经济性等
因素。
主梁和桥面板一般采用钢材和混凝土材料，索面则采用高强度钢索。
5.施工技术：独塔双索面斜拉桥的搭建需要采用特殊的施工技术，包
括塔的施工、主梁的安装和索面的调节等。
在施工过程中需要严格控制各
个工序的质量，并保证施工的安全性。
总之，独塔双索面斜拉桥是一种结构简单、造价低、抗风能力强的桥
梁形式。
在设计和施工过程中需要考虑桥梁的整体稳定性、荷载要求和材
料选择等因素，以确保桥梁的安全性和可靠性。
同时，施工过程中要注意
控制质量，保证施工的安全性。
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基于荷载试验的独塔双索面刚构体系斜拉桥受力分析
发表时间：
2019-09-16T17:06:14.650Z 来源：《基层建设》2019年第17期 作者： 朱文忠
[导读] 摘要：某独塔双柱双索面预应力混凝土斜拉桥跨径为2×110m，塔墩梁固结体系，横跨京沪铁路，采用转体施工，转体重量21000t。
济南城建集团有限公司 山东济南 250000
摘要：某独塔双柱双索面预应力混凝土斜拉桥跨径为2×110m，塔墩梁固结体系，横跨京沪铁路，采用转体施工，转体重量21000t。为
了详细了解该桥的受力性能和承载能力是否满足设计及规范要求，为该桥的交工验收及后续的养护提供数据支持，对该桥进行了荷载试
验。
[1]~ [2]。
一、工程概况
该桥为独塔双柱双索面预应力混凝土斜拉桥，塔墩梁固结体系，横跨京沪铁路，采用转体施工，转体重量21000t。跨径为2×110m，桥
面标准宽度
23.2m，主塔墩总高66.7m（塔座以上），上塔柱为2根一字型箱型截面，下塔柱采用空心倒梯形结构型式。主梁采用双边主梁箱
型截面，最低点高度
2.6m，桥面设置2%横坡，除0号段和边跨现浇段采用C50外，其它梁段混凝土均采用C60混凝土。设计荷载等级为公路-
I
级。
二、理论分析及现场试验
（1）模型分析
理论计算采用桥梁专用程序MIDAS CIVIL建立斜拉桥空间模型进行整体分析。
（2）索力测试
斜拉索的索力状态是衡量斜拉桥是否处于正常受力状态的一个重要标志，在荷载试验前进行索力测试，不仅能为总体上评估斜拉桥的
工作状态提供依据，同时也能在一定程度上反映拉索锚固系统及主塔受力是否正常
[3]。
全桥共68根拉索，采用动态信号测试分析系统，分别对左右侧拉索进行测试，并与设计索力对比。
测试采用频率法。频率法是依据索力与索的振动频率之间存在对应关系的特点，在已知索长度、两端约束情况、分布质量等参数时，
将高灵敏度的拾振器绑在斜拉索上，拾取拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、信号放大、
A/D转换和频谱分析即可测出斜拉索的
自振频率，进而由索力与拉索自振频率之间的关系获得索力。
计算采用考虑拉索抗弯刚度的索力公式：
注：——对应n阶自振频率的索力；——拉索线密度；——拉索第n阶自振频率；——拉索计算长度；——索的振动阶数；
——
索的抗弯刚度。
为了减弱日照温度对索力的影响，本次索力测试选择在夜间进行。
图3 实测索力与设计成桥索力对比图
通过对实测值的分析，1#、1’#、2#、2’#拉索因内置减震装置对短索索力测试有较大影响，所以仅做参考，不做评价外。该桥其余实测
索力值接近设计索力值，且两侧对应索力比较接近，成对称性。
（3）荷载试验
荷载试验分为静载试验和动载试验。
静载试验主要通过在桥梁结构上施加与设计荷载基本相当的外荷载，采用分级加载的方法，利用检测仪器测试桥梁结构的控制部位与
控制截面在各级试验荷载作用下的挠度、应变等特性的变化，将测试结果与结构按相应荷载作用下的计算值及有关规范规定值作比较
[4]。
根据本桥的结构特点和有限元模型计算结果确定受力最不利截面为控制断面，试验工况为主梁最大正弯矩、最大挠度、墩塔梁固结处
最大负弯矩、塔顶纵向偏位、索力增量等
13个测试工况。各工况实际试验效率ηq=0.99~1.05，满足JTG/T J21-2011中试验效率要求
（
0.95≤ηq≤1.05），说明本次试验能够反映结构的控制截面在设计荷载（公路-I级）下的工作性能。
动载试验主要通过对结构进行脉动测试、跑、跳车试验，测试桥梁结构的自振频率、冲击系数等动力特性参数，将测试结果与理论计
算值作比较，得到结构的实际动力特性
[5]。
三、试验结果分析
通过试验得到截面实测应变与截面高度的关系曲线接近于直线，实测中性轴与理论中性轴基本吻合，应变沿截面高度分布符合平截面
假定。且试验加载前后均未发现裂缝产生，同时也未发现其他异常情况。
各工况的挠度校验系数在0.62~0.83之间，应变校验系数在0.63~0.90之间，塔顶偏位校验系数为0.84，各工况下斜拉索实测索力增量均
小于计算索力增量，说明斜拉索受力正常，结构的强度和刚度均满足设计要求。
主桥的实测一阶自振频率（f’1=1.076Hz）高于理论计算频率（f1=0.802Hz），实测冲击系数µ=1.04低于理论冲击系数µ=1.05；说明该
桥动刚度和抗冲击性能满足设计要求。
参考文献：
[1]
中华人民共和国交通部行业标准﹒公路桥梁荷载试验规程（JTG/T J21-01-2015）[S]﹒北京：人民交通出版社，2015
[2]
中华人民共和国交通部行业标准﹒公路桥梁承载能力评定规程（JTG/T J21-2011）[S]﹒北京：人民交通出版社，2011
[3]
范立础﹒桥梁工程[M]﹒北京：人民交通出版社，2001
[4]
宋一凡﹒公路桥梁荷载试验与结构评定[M]﹒北京：人民交通出版社，2002
[5]
宋一凡﹒公路桥梁动力学[M]﹒北京：人民交通出版社，2000
作者简介：朱文忠，男，1991.11.16，助理工程师。