（道路與鐵道工程專業(yè)論文）霍林郭勒自錨式懸索橋方案比選.pdf

中文摘要 摘要 混凝土自錨式懸索橋以其優(yōu)美的外觀 材料的高利用率和其它一些顯著的優(yōu) 點(diǎn)受到了越來越多的歡迎 其常采用混凝土箱梁或混凝土邊主梁代替鋼主梁 本 文中以霍林郭勒市4 號(hào)橋?yàn)楣こ瘫尘?通過有限元程序進(jìn)行計(jì)算分析 研究了主 跨在1 3 0 m 左右的自錨式懸索橋的主梁結(jié)構(gòu)形式以及矢跨比對(duì)自錨式懸索橋的受 力影響 本文主要工作如下 1 詳細(xì)闡述了懸索橋尤其是自錨式懸索橋的發(fā)展概況 歸納總結(jié)了自錨式懸 索橋的構(gòu)造功能和優(yōu)缺點(diǎn) 以及計(jì)算分析理論 2 基于有限元理論以及考慮多種非線性因素的影響 利用大型通用軟件 a n s y s 分別建立了混凝土箱梁和混凝土邊主梁三種不同主梁形式的有限元模型 計(jì)算主梁應(yīng)力并給出了應(yīng)力包絡(luò)圖 對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析比較及結(jié)合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 得出混凝土箱梁為較優(yōu)主梁選擇形式 3 在選定混凝土箱梁作為主梁的基礎(chǔ)上 進(jìn)一步對(duì)主纜矢跨比進(jìn)行了比選 分別建立了不同矢跨比的有限元模型 最終選定該橋的主跨矢跨比為1 5 5 主跨 跨度為1 3 0 m 矢高為2 3 5 m 關(guān)鍵詞 自錨式懸索橋 主梁結(jié)構(gòu)比選 矢跨比 i a n s y s 英文摘要 a b s t r a c t s e l f a n c h o r e ds u s p e n s i o nb r i d g e h a v i n gab e a u t i f u la p p e a r a n c e h i g h e ru s i n g r a t i oo fm a t e r i a la n ds o m eo t h e ro u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s i sb e i n gm o r eu s e d c o n c r e t eb o xg i r d e ro re d g eg i r d e ra r eo f t e na d o p t e di ns e l f a n c h o r e ds u s p e n s i o n b r i d g et or e p l a c es t e e lg i r d e r as p a t i a lf i n i t em e t h o da n a l y s i sm o d e lw a sb u i l tf o ra s e l f a n c h o r e ds u s p e n s i o nb r i d g ew i t l las p a no fa b o u t13 0m t 1 1 eh u o l i n g u o l e n u m b e r4b r i d g en e i m e n g g up r o v i n c e w i t ht h ea i d so faf e a p r o g r a m s t h e i n f l u e n c eo fm a i ng i r d e rs t y l ea n dr i s e s p a nr a t i ot ot h es e l f a n c h o r e ds u s p e n s i o n b r i d g ea r es t u d i e d m a j o rp u b l i ca r ea sf o l l o w s 1 h a sc o n s u l t e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e l a t e dd a t aa n ds u m m a r i z e dt oi t t h i s a r t i c l ee l a b o r a t e s d e t a i l e dt h ed e v e l o p m e n ts u r v e yo fs u s p e n s i o nb r i d g e e s p e c i a l l y s e l f a n c h o r e ds u s p e n s i o nb r i d g e t h i sa r t i c l ea l s oe l a b o r a t e st h es t r u c t u r ef u n c t i o na n d t h eg o o da n db a dp o i n t so fs e l f a n c h o r e ds u s p e n s i o nb r i d g e 2 t h ef i r s ts t e po f p r o j e c to p t i m i z a t i o nm a i f l ya i m so nt h eg i r d e rs t r u c t u r a ls t y l e b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dc o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c e so fm a n yk i n d so f n o n l i n e a rf a c t o r s u s i n gl a r g e s c a l eg e n e r a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t h i sa r t i c l e e s t a b l i s h e sc o n c r e t eb o xg i r d e r s t e e lb o xg i r d e ra n dc o m p o s i t eg i r d e rt h r e ed i f f e r e n t g i r d e rm a t e r i a lo ff i n i t ee l e m e n tm o d e l t h e nc a l c u l a t e sg i r d e r ss t r e s sa n dh a sg i v e nt h e s t r e s se n v e l o p ec h a r t c a r d e do nt h ec o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t s t h ec o n c r e t eb o x g i r d e r ss t r e s sh a sb e e nw o r s t t h i sa l s oe x p l a i n st h ec o n c r e t eb o xg i r d e r sl i m i t a t i o ni n g r e a ts p a nb r i d g ed e s i g n f i n a l l yh a sc o m p a r e dt h et h r e ep l a n s e f f i c i e n c i e s o b t a i n e d t h ec o n c l u s i o nt h a tb o xg i r d e ri st h em o s ts u p e r i o rm a i ng i r d e rs t r u c t u r a ls t y l e 3 t h em a i nc a b l er i s e s p a nr a t i oi sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ri ns u s p e n s i o n b r i d g e b a s e do nu s i n gb o xg i r d e r t h i sa r t i c l eh a sf u r t h e rc a r d e do nt h eo p t i m i z a t i o nt o t h i sp a r a m e t e r t h i sa r t i c l er e s p e c t i v e l ye s t a b l i s h e sf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd i f f e r e n t m a i nc a b l er i s e s p a nr a t i o t h e na n a l y s e st h er e s u l t s f i n a l l yh a sc o m p a r e dt h ee c o n o m y e f f i c i e n c y a r t i s t r ya n ds oo n t h i sb r i d g e sm a i ns p a na r r o ws t e p sc o m p a r e dt oi s1 5 5 s p a nf o rt h em a i ns p a n13 0 m t h eh i g hv e c t o ri s2 3 5 m 英文摘要 k e yw o r d s s e l f a n c h o r e ds u s p e n s i o nb r i d g e s t r u c t u r a ls t y l e h i g hv e c t o r a n s y s 大連海事大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 本論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果 撰寫成碩士學(xué)位論文 堡撻耋疊缸塹紐避益蟹盤耋竺墜 除論文 中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 對(duì)論文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文 中以明確方式標(biāo)明 本論文中不包含任何未加明確注明的其他個(gè)人或集體已經(jīng)公 開發(fā)表或未公開發(fā)表的成果 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解 大連海事大學(xué)研究生學(xué)位論文提交 版權(quán)使用管理辦法 同意大連海事大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位 論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)大連海事大學(xué)可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 也可采用影印 縮印或 掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文 同意學(xué)校有權(quán)將本學(xué)位論文加入全國優(yōu)秀 博碩士學(xué)位論文共建單位數(shù)據(jù)庫 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定 保密口 在 年解密后適用本授權(quán)書 本學(xué)位論文屬于 保密口 不保密一 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打 論文作者簽名 導(dǎo)師簽名 日期 1 肆 4 冬玷 7 月了日 霍林郭勒自錨式懇索橋方案比選 第1 章緒論 1 1 自錨式懸索橋分類及受力特點(diǎn) 自錨式懸索橋區(qū)別傳統(tǒng)的懸索橋就在于而它是把主纜錨固到橋面板或加勁梁的兩 端而不需要龐大的錨旋 由它們來承擔(dān)主纜中的水平力和上拔力 使得不易建造錨旋的 地方修建懸索橋成為了一種可能 自錨式懸索橋保持了傳統(tǒng)地錨式懸索橋橋型優(yōu)美輕便的優(yōu)點(diǎn) 又具有其主纜直接錨 固在加勁梁梁端的特點(diǎn) 節(jié)省了龐大的錨旋結(jié)構(gòu) 使加勁梁直接承受主纜傳來的水平分 力 是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)受力體系 這十分適用于城市以及跨地質(zhì)條件較差的公路橋 梁 加之其新穎的造型 是中小跨橋梁十分有競爭力的橋型 另外 自錨式懸索橋外形 簡潔 可結(jié)合地形取得自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)與環(huán)境的協(xié)調(diào)一致 其獨(dú)特的懸吊受力體系給 人深刻印象 當(dāng)今 工程建設(shè)追求人與自然的和諧 強(qiáng)調(diào)以人為本 城市橋梁則多要求 一橋一景 利用同一河流上不同的橋式促進(jìn)景觀文化建設(shè) 為自錨式懸索橋的發(fā)展提供 難得的歷史機(jī)遇 l 1 1 1 自錨式懸索橋的分類 自錨式懸索橋的形式主要可分為 1 美式自錨式懸索橋 美式的現(xiàn)代懸索橋形式應(yīng)用廣泛 大多地錨式懸索橋都采用美式的 如美國的金門 大橋 維拉扎諾海峽大橋 日本的明石海峽大橋等 而美式自錨式懸索橋其基本特征是 采用豎直吊桿 并采用鋼桁架作為加勁梁 采用鋼桁架的自錨式懸索橋的加勁梁是連續(xù) 的 以承受主纜傳遞的壓力 加勁梁可做成雙層的 供公鐵兩用 如韓國的永宗懸索橋 采用鋼析架可通過增加加勁梁的高度來保證橋梁有足夠的剛度 l 2 英式自錨式懸索橋 2 0 世紀(jì)6 0 年代英國提出的新型懸索橋突破了懸索橋的傳統(tǒng)形式 這種新型懸索橋 的基本特征是采用三角形的斜吊桿和剛度較小的流線形扁平翼狀鋼箱梁作為加勁梁 橋 塔處沒有伸縮縫 用鋼筋混凝土代替鋼橋塔 有的還將主纜和加勁梁在跨中固結(jié) 其優(yōu) 緒論 點(diǎn)是鋼箱梁可減輕恒載 因而減小了主纜截面 降低了鋼材用量 鋼箱梁抗扭剛度大 受到橫向的風(fēng)力小 有利于抗風(fēng) 并大大減小了橋塔所承受的橫向力 缺點(diǎn)是三角形布 置的斜吊桿在吊點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 在自錨式懸索橋中 日本的此花大橋是世界上唯一一 座英式自錨式懸索橋 1 1 3 其他類型自錨式懸索橋 其他類型自錨式懸索橋采用了豎直吊桿和流線形箱梁作為加勁梁 加勁梁的材料可 采用鋼材或鋼筋混凝土材料 現(xiàn)在的鋼筋混凝土自錨式懸索橋都采用這種形式 如中國 撫順萬新大橋等 鋼結(jié)構(gòu)的自錨式懸索橋除有雙層通車要求的采用較多外 還有很多橋 梁也采用這種形式 如美國舊金山一奧克蘭海灣新橋 在國內(nèi) 根據(jù)國情一般采用鋼筋 混凝土材料更經(jīng)濟(jì) 采用鋼筋混凝土材料的加勁梁和鋼材的相比有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 鋼結(jié)構(gòu)由 于要承受主纜傳遞的壓力 為防止鋼結(jié)構(gòu)的壓屈 必須在關(guān)鍵的部位增加構(gòu)件或加大尺 寸 這就使造價(jià)增加 而采用鋼筋混凝土材料則較經(jīng)濟(jì) 由于混凝土是抗壓能力強(qiáng)的材 料 所以比鋼結(jié)構(gòu)更適于承壓 鋼筋混凝土材料一般做成箱梁截面 使其有足夠的抗扭 剛度 1 1 1 1 2 自錨式懸索橋的特點(diǎn) 自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)體系 與地錨式懸索橋一樣 兼有索和梁的受力特點(diǎn) 在外荷 載的作用下 主纜和主梁共同受力 主纜是這種組合體系的主要承重構(gòu)件 承受恒載和 活載 其在荷載作用下的變形直接影響到這個(gè)組合體系的受力分配和變形 而自錨式的 主纜是直接錨固于加勁梁而非錨錠體上 則體系中的主梁不僅要承擔(dān)活載作用 還要承 受由主纜傳遞給主梁的巨大水平軸向分力 因此主梁受力較地錨式的加勁梁復(fù)雜 類似 于一個(gè)偏心受壓構(gòu)件 彎 壓 扭等復(fù)合受力 這就對(duì)主梁的構(gòu)造和材料性質(zhì)要求很高 結(jié)構(gòu)體系內(nèi)任何一個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)對(duì)整個(gè)體系產(chǎn)生很大的影響 2 自錨式懸索橋和地錨式懸索橋具有以下的共同特點(diǎn) 1 懸索橋的平衡應(yīng)建立在變形后的狀態(tài)上 因?yàn)閼宜鳂虻闹骼|是一個(gè)值承受拉力 作用的幾何可變體 影響體系的平衡通過主纜自身的彈性變形和幾何形狀的改變來 霍林郭勒白錨式懸索橋方案比選 2 主纜在初始恒載作用下 具有較大的初拉力 使主纜保持著一定的幾何形狀 當(dāng) 外荷載作用時(shí) 纜索發(fā)生幾何形狀的改變 初拉力對(duì)在外荷載作用下產(chǎn)生的位移存在著 抗力 它和位移有關(guān) 反映纜索的幾何非線性特性 3 主纜的垂跨比是影響結(jié)構(gòu)的受力和剛度的條件之一 自錨式懸索橋垂跨比增大 則主纜的拉力增大 剛度增大 恒 活載作用產(chǎn)生的撓度減小 地錨式懸索橋則相反 4 懸索橋的跨度越大 則加勁梁所受的豎向活載的影響越小 豎向活載引起的變形 也越小 5 跨徑增大時(shí) 增大加勁梁的抗彎剛度對(duì)減小懸索橋豎向變形的作用不大 這是因 為豎向變形是懸索橋整體變形的結(jié)果 加勁梁的撓度受到主纜變形的影響 跨度增大時(shí) 加勁梁在承受豎向荷載方面的功能逐漸減小到只能將活載傳遞給主纜 其自身剛度的貢 獻(xiàn)較小 這一點(diǎn)和其他橋型中主要構(gòu)件截面面積總是隨著跨徑的增大而顯著增大不剛2 1 6 邊跨與中跨的跨徑比例對(duì)懸索橋有很大的影響 通常懸索橋邊跨與中跨跨徑之比 對(duì)懸索橋的撓度和內(nèi)力有影響 當(dāng)邊跨與中跨跨徑比減小時(shí) 其中跨的跨中和l 4 處的 撓度和彎矩值減小 而主纜拉力有所增加 1 2 自錨式懸索橋的發(fā)展歷史 1 2 1 自錨式懸索橋的發(fā)展歷史 1 9 世紀(jì)后半葉 奧地利工程師約瑟夫 朗金和美國工程師查理斯 本德分別獨(dú)立的 構(gòu)思出自錨式懸索橋的造型 朗金首先在1 8 5 9 年寫出了這種設(shè)想 本德在1 8 6 7 年申請(qǐng) 了專利 他們都沒用錨固在梁兩端的連續(xù)纜索 而是把主纜錨固到主梁的跨中位置 1 8 7 0 年朗金在波蘭建造了一座小型的鐵路自錨式懸索橋 而本德則從沒有建造過這種橋梁 盡管他們都沒有直接影響未來的設(shè)計(jì) 但2 0 世紀(jì)初期自錨式懸索橋己經(jīng)在德國興起 3 1 1 9 1 5 年 德國設(shè)計(jì)師在科隆的萊茵河上建造了第一座大型自錨式懸索橋 如圖1 1 所示 這座科隆一迪茲橋主跨1 8 5 m 用臨時(shí)木腳手架支撐鋼梁直到主纜就位 當(dāng)時(shí)主要 是因?yàn)榈刭|(zhì)條件的限制不允許修建巨大的錨碇從而使工程師們選擇了這種橋型 但世界 各國的設(shè)計(jì)師都認(rèn)為這是一種創(chuàng)新 在它建成后的一段時(shí)間里影響了其它橋梁的設(shè)計(jì) 特別是在賓夕法尼亞的匹茲堡跨越阿勒格尼河的3 座橋和在日本東京修建的清洲橋都與 科隆一迪茲橋具有相似的外型 科隆一迪茲橋在1 9 4 5 年被毀 而原來橋臺(tái)上的鋼箱槳仍 保存j 令1 4 j 1 5j 幽11 德吲科隆迪茲橋 f i g 11 c o l o g n e z ib r i d g ei ng e r m a n y 2 0 世紀(jì)3 0 年代 些 程師開始熱衷于研究自錨式懸索橋 并不是凼為它沒自錨 破 而是兇為計(jì)算理論簡串 美岡和法圍的一些刊物都提侶j j 彈性理論來計(jì)算自錨式懸 索橋 那時(shí)人們已經(jīng)知道撓度理論是懸索橋精確的計(jì)算打法 但是t 程師們認(rèn)為白錨式 懸索橋加勁粱的軸力將使該種橋梁的受力性能接近于更簡單的彈性理論 基丁彈性理 論 由于力學(xué)分析簡單 2 0 世紀(jì)3 0 年代美國和德國修建了許多庫自錨式懸索橋p 122 國外自錨式懸索橋 1 j 本此花犬橋 n 奉此花火橋建成于1 9 9 0 年 義名大阪北港橋 是1 9 5 4 年以來修建的第一座大型 臼鋪式公路懸索橋 也是世界上唯一一座英崮式自錨式懸索橋 該橋跨徑布置為 1 2 0 m 3 0 0 m 1 2 0 m 是一座單索面大跨度懸索橋 主纜和吊桿沿車道巾一1 2 線在蚓一個(gè)豎 直面內(nèi) 如圖l2 所不 加鯽粱為單箱三室鋼箱粱 梁高3 1 7 m 高跨比1 9 5 橋外形 非常輕巧 87 k n m3 的自重與3 0 0 m 跨度相比非常小 加大矢跨比到l 6 比一艘懸 霍林郭勒自錨式懸索橋方案比選 索橋矢跨比要大 這樣可以減小主粱的軸力 同時(shí)吊索做成傾斜狀 橋塔為a 字形h 1 6 1 圈12 日本此花火橋 f i g 12 k o n o h 如a b r i d g e i nj a p a n 2 韓國永宗大橋 就像1 9 1 5 年科隆一迪茲橋的里程碑作用一樣 此花大橋?qū)ζ渌鼧蛄旱脑O(shè)計(jì)影響也很 大 著名的韓國永宗大橋 結(jié)構(gòu)造型和尺寸都與此花大橋非常相似 如圖13 所示 韓 國永宗大橋位于韓國漢城仁川國際機(jī)場通往漢城區(qū)的高速公路上 是世界上第一座雙層 行車的公鐵兩用白錨式懸索橋 3 0 0 m 的主跨和a 形橋塔與此花大橋幾乎完全相 司 但 永宗大橋和此花大橋有三個(gè)主要不同之處 為了減小加勁粱中主纜產(chǎn)生的軸向力 主 纜的垂度加大到6 0 m 矢跨比為1 5 永宗大橋采用2 根主纜 從塔頂?shù)郊觿帕嚎缰?呈空間三維曲線 加大了橋梁的橫向穩(wěn)定性 加勁梁為7 m 高的桁架 上層為公路 下層為鐵路 在沒有主纜的情況f 容易施工 7 i 圖13 韓國水末大橋 f i g l3 y o n g z o n g b r i d g ei nk o r e a 3 美國舊金山一奧克蘭海灣新橋主橋 原舊金山 奧克蘭海灣橋東橋f 鋼桁架橋 在1 9 8 9 年由于里氏71 級(jí)地震時(shí)局部坍塌 因此決定重建 新橋有寬2 5 m 的橋面 各包括5 個(gè)車道和1 條輕軌鐵路 南側(cè)還有寬 48 m 的人行道 考慮15 0 0 年回歸期的地震作用 重建計(jì)劃主航道為單塔自錨式懸索橋 跨度為3 8 5 m 1 8 0 m 建成后將為世界上跨度晶大的自錨式懸索橋 如圖14 所示 兩 根主纜直徑07 8 m 東f fc 3 8 5 m 側(cè) 將主纜錨固在東墩處的梁上 其索鞍由箱粱支承 并 設(shè)計(jì)成可移動(dòng)的 以平衡兩主纜索力差 西側(cè) 8 0 r n 側(cè) 3 e 纜通過兩分離的索鞍環(huán)繞在西 墩上 這兩個(gè)分離索鞍固定在西墩上 在旌工期間兩主纜索力差異采用一頂進(jìn)的座板柬 平衡 西墩上設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)應(yīng)力帽粱 其重量可以平衡橋粱跨度不對(duì)稱而在西墩產(chǎn)生的恒 載拔力 也用以承受西墩兩土纜在運(yùn)營荷載和地震荷載作用時(shí)其索鞍產(chǎn)生的不同應(yīng)力 塔高1 6 0 m 主纜不跨越而是固定在單一的索鞍上 塔由4 柱組成 沿高度用剪力桿連 接 塔柱為鋼箱 柱問有間距3 m 的橫隔粱連接 承臺(tái)高65 m 支承在1 3 根直徑25 m 的鋼管樁上 樁內(nèi)填灌混凝土 樁凈長2 0 m 嵌入巖石 上部結(jié)構(gòu)為兩個(gè)空心的各向異 性鋼箱 箱內(nèi)橫隔板間距5 m 支承各向異性板 并將吊桿荷載分布存箱梁上 箱粱間 用寬1 0 m 高25 m 間距3 0 m 的橫粱連接 潑橫梁承受吊桿橫向7 2 m 跨的荷載 保證 壁林郭勒自錨式懸索橋方案比選 兩箱在荷載特別是風(fēng)和地震荷載時(shí)的整體作用 吊桿設(shè)在兩箱的外側(cè) 形成兩空間索面 十分美觀m 嗍 圖14 美國1 日金山一奧克蘭海灣橋 f i g 14s a nf r a n c i s c o a u c k l a n dg u l f b r i d g e 4 其它自錨式懸索橋 s o r o k 島橋是韓國g e o g e t t m 島連接本土的橋梁 跨徑布置為1 1 0 m 2 5 0 m 1 1 0 m 矢 跨比為1 5 塔為花瓶型 采用單索面 此橋已開工 愛沙尼亞m u h u 島橋 推薦方案 跨徑布置為2 0 0 m 4 8 0 m 2 0 0 m 矢跨比為1 8 加勁粱為鋼箱梁 高跨比l 4 0 0 橋 塔為h 型 1 9 9 6 年哥本暗根的國際橋梁和結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì) i a b s e 學(xué)術(shù)會(huì)議論文集中 j f k l e i n 介紹了一種自錨式懸索橋的比較方案 跨徑稚置為3 0 3 m 9 5 0 m 3 0 3 m 采用單主 纜 主跨跨中約2 0 0 m 長的豐纜在粱體內(nèi)部 與染固結(jié) 使結(jié)構(gòu)具有很高的剛度 索央 處設(shè)有錨固裝置 所以主纜截面沿橋梁是可變化的 這樣可大大節(jié)省主纜造價(jià) j 123 我國自錨式懸索橋的發(fā)展 自錨式懸索橋在國外產(chǎn)生發(fā)展較早 在國內(nèi)卻是雖近幾年才開始建造 相關(guān)文獻(xiàn)也 很少 使這種橋型在國內(nèi)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外 但混凝土自錨式懸索橋是首先在國內(nèi) 設(shè)計(jì)成功井建造的 在1 9 9 8 年的徐州黃河故道復(fù)興路橋設(shè)計(jì)中 大連理工大學(xué)的張哲 教授首次提出了采用混凝土主梁的自錨式懸索橋方案 并進(jìn)行了技術(shù)設(shè)計(jì) 同時(shí) 我們 也看到 由于自錨式懸索橋獨(dú)特的優(yōu)越性 我國越來越多的學(xué)者和工程師開始關(guān)注這種 橋梁類型 近年來在理論和實(shí)踐上部取得了一定的成就 其中 大連理工大學(xué)橋梁研究 所的張哲教授就較為系統(tǒng)的研究了混凝土白錨式懸索橋體系 大連市盒石灘金灣橋己建成 是世界上第一座鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的自錨式懸索橋 位 于大連金石灘旅游度假區(qū)的濱海路上 橫跨帆船港池入?？?已成為當(dāng)?shù)氐囊惶幘坝^ 如圖1 5 所示 金灣橋總長1 9 8 m 其中主橋長1 0 8 m 引橋長9 0 m 主橋跨徑為 2 4 m 6 0 m 2 4 m 橋?qū)? 2 m 矢跨比為1 8 雙塔雙索面結(jié)構(gòu) 主橋的主粱采用鋼筋混 凝土邊主粱形式 梁高l 米 梁段中間澆注橫隔梁 索塔為鋼筋混凝土門式塔架 塔高 2 7 m 塔柱為圓柱形 直徑15 m 主橋主粱及橫粱采用5 0 號(hào)混凝土 主纜跨過橋塔索 鞍 不散丌 兩端錨固在主梁上 在端部主索套簡內(nèi)設(shè)減震器 主粱上吊桿 日j 距為3 m 金灣橋還將加勁梁做成拱形r 吊拱體系1 用主纜的水平分力來抵抗拱腳的推力 起到了 系桿拱橋中系桿的作用 這樣既滿足了跨中通航的凈空要求 同時(shí)也使主橋兩端的高度 降低 大大減少了引橋的長度 節(jié)省了投資 金石灘懸素橋采用混凝土自錨式這一新的 結(jié)構(gòu)形式 不但取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益 間時(shí)也為該橋型的建造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn) 1 9 1 3 1 圖i5 大連市金石灘金灣懸索橋 f i g l5d a l i a nj i n s h i t a nj i n w 卸s u s p e n s i o nb r i d g e 浙江平湖海鹽塘橋?yàn)橐蛔鳂蚩缍葹? 0 m 7 2 m 3 0 m 自錨式懸索橋 上部結(jié)構(gòu)采用 霍林郭勒自錨式懸索橋方案比選 鋼筋混凝土箱粱 主纜錨固在主粱端部和主粱跨中 塔粱固結(jié) 設(shè)計(jì)構(gòu)思獨(dú)特 主梁采 用鋼筋混凝土箱粱 利用主纜水平分力為主粱施加免費(fèi)預(yù)應(yīng)力 主梁在縱向不再配置預(yù) 應(yīng)力鋼束 塔頂不設(shè)置鞋座 主纜直接錨固在塔頂上陸 1 撫順萬新大橋位于撫順市區(qū)東部 跨越渾河 道路等級(jí)為城市主干路 如圖1 6 所 示 萬新大橋車道布置為雙向6 車道 兩側(cè)均枷置人行道和非機(jī)動(dòng)車道 橋面盤4 1 m 該橋壘長4 7 61 5 m 其中主橋?yàn)殡p塔取索面的混凝土自錨式懸索橋 豐跨跨徑為1 6 0 m 邊跨為7 0 m 錨固跨為15 m 形成了 5 m 7 0 m 1 6 0 m 7 0 m 1 5 m 的跨徑組合 是目前世 界上棍凝土自錨式懸索橋的最大跨徑 萬新大橋的主纜中心距為2 65 m 吊索沿順橋向 的間距為5 m 主粱采用鋼筋混凝土箱梁 箱粱的標(biāo)準(zhǔn)斷面為尊箱托室 粱寬4 1 m 粱 中心高度為25 m 主粱的高跨比為1 6 4 設(shè)雙向15 橫坡 橋梁在縱橋向的坡度為 2 萬新大橋主粱采用吼雷桁架現(xiàn)澆施工 先澆注兩邊錨固跨 在架設(shè)主纜的同時(shí)澆 注主梁的其它部分 咀縮短工期 3 i 圖l6 撫順市萬新人橋效果圈 f i gi6 p a n o r a m a o f w 蛐x i n b r i d g e f u s h u n c h i n a 蘭旗松花江大橋方案為白錨式混凝士懸索橋 該方案主跨為2 4 0 m 邊跨9 0 m 錨 固跨2 5 m 主橋全長2 5 m 9 0 m 2 4 0 m 9 0 m 2 5 m 4 7 0 m 吊索叫距為6 m 主粱采片l 混 凝上箱粱 粱寬2 8 m 粱中心高度27 5 m 每6 m 設(shè)一道橫梁 主粱縱向受主纜水平力 作用 在各種工況荷載作用下均不出現(xiàn)拉應(yīng)力 為全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu) 索塔采用富于變化且 緒論 顯得高而挺拔的h 型塔 塔柱采用變厚度矩形實(shí)體截面 橫梁采用兩條共扼曲線組成的 變截面梁 經(jīng)過經(jīng)濟(jì)比較 綜合考慮主纜矢跨比對(duì)索塔高度 主纜長度和截面 吊桿長 度 主梁截面及其壓應(yīng)力的影響 主纜中跨矢跨比采用l 7 單根主纜直徑4 9 4 3 c m 全部鋼絲分成6 l 束索股 采用冷鑄錨錨于錨固跨主梁的錨固塊上 6 l 束索股分別架設(shè) 錨固 架設(shè)完畢后用擠圓機(jī)將全部索股擠成圓形 錨固墩處主梁內(nèi)設(shè)散索鞍 散索鞍下 設(shè)置板式橡膠支座 利用支座的剪切變形實(shí)現(xiàn)散索鞍與主梁之間的相對(duì)滑動(dòng) 蘇州市竹 園大橋東接勞動(dòng)路 西連竹園路 北側(cè)不遠(yuǎn)處為獅山大橋及新建成的蘇州體育中心 橋 梁跨越京杭大運(yùn)河 是連接蘇州中心城區(qū)和新區(qū)的城市橋梁 如圖1 7 所示 該橋的建 成 大大改善了蘇卅i 城西的交通狀況 加強(qiáng)了中心城區(qū)和新區(qū)的聯(lián)系 進(jìn)一步優(yōu)化了蘇 州的投資環(huán)境 竹園大橋主橋采用的是三跨自錨式懸索橋體系 跨徑布置為 3 3 m 9 0 m 3 3 m 該橋?yàn)槿邕B續(xù)結(jié)構(gòu) 主梁除邊跨端錨固段采用混凝土截面形式外 其余均為疊合截面 全橋疊合梁梁高2 4 5 m 寬3 7 o m 由二根箱形鋼主梁和鋼橫梁 小縱梁組成的鋼構(gòu)架與0 2 5 米厚的混凝土橋面板形成整體疊合截面 主塔采用扁平的半 弓形環(huán)狀雙塔 雙塔間不設(shè)橫梁 為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 塔直立部分作為主體受力構(gòu)件 主要承擔(dān)主纜傳遞過來豎向力及不平衡水平力 彎曲弧形部分作為輔助構(gòu)件 保證索塔 側(cè)向穩(wěn)定 兩部分在塔頂 底部聯(lián)成整體 該橋的兩根主纜橫向間距為2 9 5 m 矢跨比 約為1 8 總索力約為3 0 0 0 噸 根 主纜采用冷鑄錨錨固體系 冷鑄錨頭現(xiàn)場鑄造 在 主纜散索鞍后 主纜呈輻射形散開 每根主給分成1 9 股 分別錨固在端錨梁上1 9 1 3 霍林郭勒自錨式懸索橋方案比選 圖17 蘇州市竹園大橋效果倒 f i g i7p 明 ao f z h u y u a nb d g e s l 曲o u c m n 曲 正在設(shè)訓(xùn)的獵德大橋位于廣州市新光快速路 比選方案之一為主橋采用獨(dú)塔兩跨自 錨式懸索橋 跨度布霄為4 7 m 1 6 7 m 2 1 9 m 4 7 m 如圖1 8 所示 主塔塔身外觀似兩個(gè) 貝殼狀弧形殼體相扣 高1 3 1 m 頂部裝飾高2 5 m 塔柱截面為單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土 結(jié)構(gòu) 主橋采用扁平鋼箱粱 兩端設(shè)置風(fēng)嘴 箱梁頂寬3 61 m 底板直線段1 2 m 粱高 35 m 其4 7 m 的兩錨固跨和毗鄰的主 邊跨各一段采用混凝土梁 混凝土梁段外形同 鋼箱粱 在主纜錨固區(qū) 即橋墩處 將梁高增加為45 m 和5 m 全橋共設(shè)兩報(bào)主纜 吊索 采用空間布置 其與鉛垂線成7 左右夾角ii 此外 我國已建和即將建設(shè)的自錨式懸索橋還有永康市溪心橋 3 7 m 9 0 m 3 7 m 佛山平勝丈橋 5 x 4 0 m 3 0 m 3 5 0 m 3 0 m 2 96 m 圖19 長沙三漢磯湘江大橋 7 0 m 1 3 2 m 3 2 8 m 1 3 2 m 7 0 m 幽1 o 余華康濟(jì)橋 3 3 m 1 0 0 m 3 3 m 北 關(guān)人橋 4 0 m 1 1 8 m 4 0 m 和青島海灣大沽河橋 8 0 m 1 9 0 m 2 6 0 m 8 0 m 等 總之 自錨式懸索橋以其外形美觀 結(jié)構(gòu)新穎等優(yōu)越性 正在中華大地上雨后春筍般的出現(xiàn) 盡管自錨式懸索橋有著自身的缺點(diǎn)和局限 但在中小跨徑上是一種很有競爭力的方案 它會(huì)越來越受到人們的重視和歡迎 這種在2 0 世紀(jì)曾被忽視很長一段時(shí)問的橋型隨著 社會(huì)的進(jìn)步又得到了人們的重新認(rèn)識(shí) 隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累 自錨式懸索橋的設(shè)計(jì)理論 和施 方法也將趨于完善 跨越能力也會(huì)不斷提高 相信在毗后會(huì)育越束越多的方案傾 向于這種橋 i l 圖18j 州l 貓德人橋ii 錨式愚索橋做震l 劃 f i g 18p a n o r a n l ao f ii e d es e l f s u s p e n s i o nb r i d g e g u a n g z h o u c h i n a l h l9 佛山半勝夫橋 f i gi9p i n g s h e n g b r i d g e f o s h a n c h i n a 霍林郭勒自錨式懸索橋方案比選 圖1l o 長沙三漢磯湘江太橋 f i g 11 0s a n c h a i l b n d g e i n x i a n g j i a n g f i v e r f c h a n g s h a c h i n a 13 自錨式懸索橋主要構(gòu)造及應(yīng)用前景 131 自錨式懸索橋的主要構(gòu)造及功能 白錨式懸索橋與地錨式懸索橋相同 由主纜 吊索 加勁粱 主塔 鞍座及錨固構(gòu) 造等部分構(gòu)成 主纜 主纜是懸索橋的主要承重構(gòu)件 除承受自身恒載外 纜索本身通過索夾和吊 索承受活載和加勁粱 包括橋面系 的恒載 除此以外主纜還承擔(dān)一部分橫向風(fēng)荷載 并 將它傳遞到橋塔頂部 主纜材料大多采用平行鋼絲繩或高強(qiáng)銅絲 主纜不僅可以通過自 身彈性變形 而且可以通過其幾何形狀的改變引起結(jié)構(gòu)剛度的變化 從而影響體系的平 衡 表現(xiàn)出大位移非線性的力學(xué)特征 主纜在恒載作用下具有很大的初始張拉力 對(duì)結(jié) 構(gòu)形狀的潛在變化提供強(qiáng)大的初應(yīng)力剛度 吊索 吊索也稱吊桿 是主纜與加勁粱之間的紐帶 將活載和加勁粱的恒載傳遞到 主纜的構(gòu)件 吊索的布置形式有垂直和傾斜兩種 上端通過索夾和主纜相連 下端錨固 在加勁粱上 吊索內(nèi)恒載軸力的大小 既決定了主纜在成橋狀態(tài)的真實(shí)索形 也決定了 加勁梁的恒載彎矩 加勁粱 加勁梁的主要功能是提供橋面和防止橋面發(fā)生過大的撓曲變形和扭曲變 形 同時(shí)承受主纜的水平分力和豎向分力 加勁梁是承受風(fēng)荷載和其它橫向水平力的主 緒論 要構(gòu)件 大跨度懸索橋由于加勁梁自重的限制一般采用鋼桁架形式主梁和鋼箱梁形式主 梁 對(duì)于鋼筋混凝土材料的加勁梁由于自重大 所以就限制了跨度的大小i l 主塔 主塔是支承主纜的重要構(gòu)件 懸索橋的活載和恒載 包括橋面 加勁梁 吊 索 主纜及其附屬構(gòu)件如鞍座和索夾等的重量 以及加勁梁支承在塔身上的反力 都將 通過橋塔傳遞到下部的塔墩和基礎(chǔ) 橋塔同時(shí)還受到風(fēng)力和地震力的作用 橋塔的高度 主要由矢跨比確定 橋塔可采用鋼結(jié)構(gòu) 也可采用混凝土結(jié)構(gòu) l 鞍座 根據(jù)鞍座所處的位置及功能不同可分為主索鞍 散索鞍及轉(zhuǎn)索鞍 主索鞍在 主塔上 用來支撐和固定主纜 通過它可以使主纜的拉力以垂直力和不平衡力的方式均 勻的傳遞到塔頂 散索鞍位于主纜錨固處 作用是將主纜的索股分開 分別進(jìn)行錨固 一般應(yīng)用在跨度較大的自錨式懸索橋中 由于跨度較大的懸索橋其主纜傳遞到主梁上的 壓力很大 所以必須將主纜散開分別錨固 轉(zhuǎn)索鞍用于改變主纜的方向 當(dāng)采用通長的 主纜 在梁端環(huán)繞通過時(shí) 通過轉(zhuǎn)索鞍來實(shí)現(xiàn) 采用這種索鞍時(shí) 不需要錨固構(gòu)造 加 勁梁端部尺寸也相對(duì)較小i l 錨固構(gòu)造 自錨式懸索橋的主纜錨固在加勁梁端部 因此強(qiáng)大的端橫梁即為錨固構(gòu) 造 l 1 3 2 自錨式懸索橋的優(yōu)缺點(diǎn) 自錨式懸索橋由于其自身的受力特點(diǎn) 形成以下幾方面的優(yōu)缺點(diǎn) 自錨式懸索橋的優(yōu)點(diǎn) 1 不需要修建大體積的錨碇 所以特別適用于地質(zhì)條件很差的地區(qū) 同時(shí)又不僅 局限于在地基很差 錨錠修建困難的地區(qū)修建 1 2 受地形限制小 可結(jié)合地形靈活布置 既可做成雙塔三跨式懸索橋 也可做成 單塔雙跨式懸索橋等不同的結(jié)構(gòu)形式 1 1 3 由于自錨式懸索橋是由主梁的受彎 受壓及主纜受拉來承受荷載 受力比連續(xù) 梁更為合理 由于它不需要巨大的錨碇 對(duì)于中 小跨度橋梁 可以和斜拉橋方案相競 爭 受力性能與系桿拱橋類似 但吊桿長度普遍比系桿拱橋的吊桿短 其矢跨比選擇的 余地比系桿拱大 9 1 霍林郭勒白錨式懸索橋方案比選 4 對(duì)于混凝土材料加勁梁的自錨式懸索橋 加勁梁由于承受主纜傳遞的壓力 剛 度會(huì)提高 可以節(jié)省大量的預(yù)應(yīng)力構(gòu)造 因此較以往鋼加勁梁的自錨式懸索橋用鋼量明 顯降低 建造和后期維護(hù)費(fèi)用也大幅度降低 9 f 1 0 1 5 自錨式懸索橋由于保留了傳統(tǒng)懸索橋美觀的外形 在中 小跨度上是很有競爭 力的方案 白錨式懸索橋用于小跨度也是一種很好的橋型 如人行橋 在過去的2 0 多 年里 德國工程師j o r g s c h l a i c h 及其同伴在德國設(shè)計(jì)出了很多著名的自錨式人行橋吲 d o o 自錨式懸索橋的缺點(diǎn) 1 由于主纜直接錨固在加勁梁上 梁承受了很大的軸向力 主梁應(yīng)力增加 同時(shí) 還要考慮失穩(wěn)的問題 為此需要加大梁的截面 對(duì)于鋼加勁梁和混凝土加勁梁都明顯增 加了造價(jià)和自重 同時(shí)使主纜鋼材用量增加 所以采用這兩種材料跨度都會(huì)受到限制 2 施工步驟受到了限制 自錨式懸索橋必須在主梁 主塔做好之后再吊裝主纜 安裝吊索 因此需要搭建大量臨時(shí)支架以安裝主梁 所以自錨式懸索橋若跨度增大 其 額外的施工費(fèi)用就會(huì)增多 同時(shí)還會(huì)影響到橋下的通航或通車 1 嗍 3 錨固區(qū)局部受力復(fù)雜 需要進(jìn)行詳細(xì)分析 白錨式懸索橋的特點(diǎn)是把主纜直接 錨固于加勁梁上 將主纜的力直接傳遞給加勁梁 體系中的主梁受力較地錨式懸索橋的 加勁梁復(fù)雜 尤其是主纜錨固區(qū)不僅要承擔(dān)活載作用 還要承受由主纜傳遞的巨大水平 軸向分力和上拔力 這就使得自錨式懸索橋的主纜錨固構(gòu)造很復(fù)雜 錨固體系應(yīng)力分布 難以準(zhǔn)確把握 9 10 1 4 相對(duì)地錨式而言 由于主纜非線性的影響 使得吊桿張拉時(shí)施工控制更加復(fù)雜 l o 5 由于加勁梁除承受主纜傳遞的壓力外 還承受主纜拉力的豎向分力 所以應(yīng)盡 量減小主纜錨固處與主梁的夾角 必要時(shí)需要設(shè)置較大的錨塊或者采用引橋進(jìn)行壓重 l o 1 4 本課題主要研究內(nèi)容 本文主要工作包括以下幾個(gè)方面 緒論 首先詳細(xì)的闡述了懸索橋尤其是自錨式懸索橋的發(fā)展概況 并歸納總結(jié)了自錨式懸 索橋的構(gòu)造功能和優(yōu)缺點(diǎn) 綜述了自錨式懸索橋各種計(jì)算理論和分析方法 包括最初的 彈性理論乃至現(xiàn)在的有限元方法 其次 以霍林郭勒自錨式懸索橋?yàn)槔?對(duì)其方案進(jìn)行了比選及優(yōu)化 第一步主要針 對(duì)主梁的結(jié)構(gòu)形式 基于有限元理論 考慮多種非線性因素 分別建立了三種不同主梁 形式的有限元模型 對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析比較并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮 建議主梁采用箱梁 最后 在選定箱梁的基礎(chǔ)上 建立了不同矢跨比的有限元模型 對(duì)自錨式懸索橋進(jìn) 行了矢跨比的優(yōu)化 霍林郭勒白錨式懸索橋方案比選 第2 章自錨式懸索橋的計(jì)算理論 懸索橋靜力分析方法的目的是以分析懸索橋結(jié)構(gòu)工作時(shí)受力情況 人們對(duì)懸索橋受 力特點(diǎn)的研究越來越正確及數(shù)值方法與計(jì)算機(jī)的發(fā)展 根據(jù)年代和內(nèi)容的不同 懸索橋 的計(jì)算理論可以分為三類 彈性理論 撓度理論和有限位移理論及非線性理論 2 1 彈性計(jì)算理論 大約在1 8 8 0 年前后 在美國以l e v y 為代表的一批學(xué)者曾嘗試使用n a v i e r 以及 c a s t i g l i a n o 建立的結(jié)構(gòu)分析理論來分析懸索橋的內(nèi)力 在歐洲n a v i e r 及c a s t i g l i a n o 本人 也嘗試將分析拱的力學(xué)理論來分析懸索橋的內(nèi)力 這就逐漸建立了最初的的懸索橋彈性 理論 彈性理論是最早出現(xiàn)的懸索橋計(jì)算理論 屬于微小變形理論 它是一種將懸索橋 看作為主纜與加勁梁結(jié)合體的最早期的計(jì)算理論 是建立于超靜定結(jié)構(gòu)分析方法基礎(chǔ)上 的一種方法 它只考慮由荷載產(chǎn)生的新的截面內(nèi)力之間的平衡 沒有考慮結(jié)構(gòu)體系變形 對(duì)內(nèi)力的影響 其特點(diǎn)是對(duì)恒載和活載的作用沒有本質(zhì)上的區(qū)別 以當(dāng)時(shí)世界上跨度最 大的布魯克林橋?yàn)槭椎脑S多美國懸索橋都是用這個(gè)理論作的分析計(jì)算 1 2 1 1 4 1 6 用彈性理論作懸索橋結(jié)構(gòu)分析時(shí) 作了如下假定 1 主纜只受拉力 其本身不承受彎矩 水平均布的恒載使主纜的幾何形狀為二次 拋物線 而且 恒載完全由主纜承擔(dān) 活載作用在橋上時(shí) 主纜的幾何形狀及長度假定 保持不變 2 假定梁的抗彎剛度e i 沿梁長不變 3 將布置很密的吊索 按形成 膜 來考慮 并假定吊索長度不因活載而伸長 這樣 在活載作用下 沿主纜各點(diǎn)的豎向撓度就和沿梁長各相應(yīng)點(diǎn)的撓度一樣 按照上述假定 懸索橋就是纜和加勁梁的簡單組合體系 用普通結(jié)構(gòu)力學(xué)即可求解 計(jì)算方便 而且用彈性理論簡化的結(jié)構(gòu)具有線彈性性質(zhì) 疊加原理對(duì)它適用 在進(jìn)行設(shè) 計(jì)時(shí) 可以為其沿梁各點(diǎn)繪制彎矩和剪力的影響線 然后讓活載布置在最不利位置 進(jìn) 行梁的彎矩和剪力值計(jì)算 并按照這些值對(duì)梁進(jìn)行驗(yàn)算 在這種情況下 加勁梁是承重 結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分 而結(jié)構(gòu)在活載下的撓度則是與加勁梁抗彎剛度e i 密切相關(guān) 的 當(dāng)懸索錢的跨度不大且加勁梁的高度取為跨徑的1 4 0 左右時(shí) 采用彈性理論分析是 自錨式懸索橋的計(jì)算理論 合適的 而對(duì)于大跨徑懸索橋設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí) 由于彈性理論是在不考慮結(jié)構(gòu)體系變形對(duì)內(nèi) 力影響的前提下推導(dǎo)出來的方法 所以有兩個(gè)非常明顯的缺點(diǎn) 一是沒有考慮恒載對(duì)懸 索橋剛度的貢獻(xiàn) 二是沒有考慮懸索橋結(jié)構(gòu)非線性大位移影響 使按彈性理論計(jì)算出的 加勁梁彎矩值偏大 結(jié)構(gòu)太保守 偏于安全 浪費(fèi)材料 因此當(dāng)設(shè)計(jì)2 0 0 m 以上大跨度 懸索橋時(shí) 應(yīng)采用計(jì)入體系變形對(duì)內(nèi)力影響的撓度理論方法計(jì)算或有限位移理論計(jì)算 1 2 1 1 4 16 o 2 2 撓度計(jì)算理論 在1 9 世紀(jì)上半葉 人類在用彈性理論設(shè)計(jì)懸索橋時(shí) 已經(jīng)意識(shí)到受均布荷載的懸 索當(dāng)再承受一集中荷載時(shí) 其行為是非線性的 1 8 8 8 年 奧地利m e l a n 教授等人提出 了考慮纜索豎向位移影響的 撓度理論 后在1 9 0 6 年作了改進(jìn) 撓度理論的特點(diǎn)是 當(dāng)懸索橋因活載產(chǎn)生豎向變形時(shí) 原有恒載已產(chǎn)生的主纜軸力由于變形的關(guān)系將產(chǎn)生新 的抗力 也就是說必須考慮結(jié)構(gòu)體系變形對(duì)內(nèi)力的影響 即主要計(jì)算分析纜索的非線性 變形 是二次內(nèi)力影響 應(yīng)用這個(gè)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí) 主梁的作用就退化為橋面系力的局 部傳遞 跟以前相比 主梁高度的迅速降低和跨度的迅速增加是這一時(shí)期懸索橋的變革 這個(gè)認(rèn)識(shí)隨即改變了懸索橋的跨度 使其一下就進(jìn)入了1 0 0 0 米以上的大跨度 此理論 最早應(yīng)用于美國曼哈頓橋 而以1 9 3 7 年5 月建成的美國金門大橋最為突出 1 2 用撓度理論對(duì)懸索橋結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí) 應(yīng)基于以下的假定 1 假定恒載為沿跨度均布 在無活載狀態(tài)下 主纜為拋物線型 加勁梁內(nèi)無應(yīng)力 2 吊索為豎直 沿橋跨密布 不考慮在活載作用下的拉伸和傾斜 當(dāng)作僅在豎向 有抗力的薄膜 3 在每一跨內(nèi)加勁梁為等直截面梁 即截面慣性矩在一跨內(nèi)為常量 4 主纜及加勁梁都只有豎向位移 不考慮其在縱向的位移 撓度理論的基本微分方程如下 彤窘一日窘 p 卅以萬d 2 y 2 其中 h i 以 霍林郭勒自錨式懸索橋方案比選 刀 為恒載作用下主纜索的水平拉力 以 萬9 1 2 以為活載作用下主纜索的水平拉力 u 為活載作用下主纜的撓度 y 為主纜索的線形 p x 為活載 主纜的相容條件為 以 等 等r u h 嵋 2 2 其中 l 面d x 厶 l 而d x n q 用傅罩葉級(jí)數(shù)求解某本方稗 為了簡化撓度理論的計(jì)算工作 國內(nèi)外曾經(jīng)提出了一些簡化的近似方法 常用的幾 種近似方法有 線性撓度理論 圖表法 代換梁法 重力剛度法 l2 1 一般來說 用撓度理論來分析計(jì)算懸索橋結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了相當(dāng)高的精度 可以滿足工 程設(shè)計(jì)精度的要求 所以現(xiàn)在許多大跨度懸索橋也還用撓度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算 但是 撓度理論因采用了若干理想化假定 因此嚴(yán)格說來就包含一些近似性 在撓度理論的假 定中 沒有考慮以下因素 吊桿的傾斜與拉仲 纜索和加勁梁的縱向位移 另外在纜索 相容方程中還忽略了二階非線性項(xiàng) 并隱含了纜索傾角及傾角變化為小量的假定 這些 假定會(huì)使分析結(jié)果受到影響 1 2 1 4 17 1 2 3 有限位移理論和非線性理論 隨著橋梁跨度不斷增大的同時(shí) 以及加勁梁相對(duì)剛度的不斷減小 線性撓度理論引 起的誤差已不容忽略 這就使1 9 8 0 年以后發(fā)展了以使用計(jì)算機(jī)為前提的有限位移理論 因?yàn)榭紤]吊索的離散狀態(tài) 以有限位移理論為基礎(chǔ)的矩陣結(jié)構(gòu)分析較為適用 它不僅收 斂迅速和分析嚴(yán)謹(jǐn) 并且特別適合電算 有限位移理論還可以較全面的考慮大位移引起 的懸索橋幾何非線性的因素 這些因素主要有 荷載作用下的結(jié)構(gòu)大位移 纜索自重垂 度的影響 恒載初始內(nèi)力對(duì)主纜剛度的影響 有限位移理論是目前大跨度懸索橋分析計(jì) 算中普遍采用的方法 1 2 另外 彈性理論和撓度理論一般只適用于結(jié)構(gòu)面內(nèi)分析 而有限位移理論的應(yīng)用范 1 9 自錨式懸索橋的計(jì)算理論 圍要廣泛得多 除了結(jié)構(gòu)面內(nèi)分析之外 還可用作結(jié)構(gòu)的空間分析 當(dāng)懸索橋同時(shí)承受 多個(gè)方向的荷載 或由于結(jié)構(gòu)上的變化使得懸索橋不能分為多個(gè)力學(xué)系統(tǒng)單獨(dú)分析再迭 加得總效的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí) 就需用有限位移理論進(jìn)行空間分析1 1 2 用有限位移理論對(duì)懸索橋結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí) 應(yīng)基于以下的假定 1 全部應(yīng)力在比例極限以下 2 各桿件為等截面 3 材料性能服從虎克定律 4 防止了結(jié)構(gòu)面外的屈曲 認(rèn)為結(jié)構(gòu)無面外屈曲 5 纜索和吊索彎曲為柔性的 6 荷載集中于節(jié)點(diǎn) 這個(gè)解法中 可計(jì)入吊桿及塔的伸縮對(duì)主