斜拉橋的認(rèn)識(shí).doc

淺談斜拉橋認(rèn)識(shí)斜拉橋又稱斜張橋，是一種纜索承重結(jié)構(gòu)體系，其上部結(jié)構(gòu)由塔、梁、拉索三種基本構(gòu)件組成。由塔柱伸出的斜拉索作為主梁的多點(diǎn)彈性支承，同時(shí)斜拉索拉力的水平分力對(duì)主梁起著軸向預(yù)應(yīng)力作用，因此斜拉橋是一種橋面體系以主梁受壓(密索)或受彎(稀索)為主、支承體系以斜拉索受拉及橋塔受壓為主的橋梁。斜拉橋良好的力學(xué)性能、建造相對(duì)經(jīng)濟(jì)、景觀優(yōu)美，已是我國大跨徑橋梁最流行的橋型之一。一、斜拉橋介紹以斜拉橋的主要結(jié)構(gòu)體系來劃分，斜拉橋的發(fā)展可分成兩個(gè)階段：第一階段，稀索體系；第二階段，密索體系。稀索體系的主梁基本上為彈性支承連續(xù)梁；密索體系的主梁主要承受強(qiáng)大的軸向力，同時(shí)又是一個(gè)受彎構(gòu)件。斜拉橋是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。斜拉橋是一種自錨式體系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩臺(tái)上外，還支承在由塔柱引出的斜拉索上。這樣可使梁體內(nèi)彎矩減小，降低建筑高度，減輕了結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省了材料。斜拉橋是由承壓的塔，受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。索塔型式有A型、倒Y型、H型、獨(dú)柱，材料有鋼和混凝土的。斜拉索布置有單索面、平行雙索面、斜索面等。梁按所用的材料不同可分為鋼斜拉橋、結(jié)合梁斜拉橋和混凝土梁斜拉橋?？v觀斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展歷史，可以看到，加勁梁朝著更細(xì)更柔的方向演變，加勁梁的高跨比不斷減小。唯一的制約來自于空氣動(dòng)力作用，為了使加勁梁獲得令人愉悅的外形而同時(shí)又要保證最小剛度，加勁梁從最初的重質(zhì)量塊發(fā)展到后來的加肋板、箱梁。雖然也有由桁架構(gòu)成的加勁梁體系，但這多應(yīng)用于雙層橋面體系。拉索體系則經(jīng)歷了一個(gè)從無到有、從少到多的過程?，F(xiàn)在稀索體系斜拉橋已經(jīng)很少采用，除非偶爾為了橋梁造型上的求新創(chuàng)異，密索體系以其突出的優(yōu)勢(shì)成為了人們心目中默認(rèn)的斜拉橋體系，也必然將是超千米主跨斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的組成之一。索塔的外形由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，穩(wěn)定性卻在不斷加強(qiáng)，其最初為門式塔，繼而“入形塔，A形塔，鉆石形塔，直至空間塔結(jié)構(gòu)。對(duì)于大跨徑斜拉橋而言，一種合理的結(jié)構(gòu)體系就是要選用合理的構(gòu)件體系，并進(jìn)行有效的組合。斜拉橋作為一種拉索體系，比梁式橋的跨越能力更大，是大跨度橋梁的最主要橋型。二、斜拉橋的受力特點(diǎn)斜拉橋是通過斜拉索、主梁和索塔三部分相互配合而正常工作的。橋塔上引出的斜拉索為主梁提供了一系列彈性中間支承，借以降低梁跨的截面彎矩，減輕梁重，提高梁的跨越能力。同時(shí)，斜拉索拉力的水平分力對(duì)主梁起著軸向預(yù)應(yīng)力作用，增強(qiáng)了主梁的抗裂性能。橋塔上斜拉索拉力在水平方向上可以自相平衡，豎直方向的分力傳遞到橋塔上，再由橋塔傳至基礎(chǔ)。斜拉橋是一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，其自重引起的內(nèi)力和變形可以通過調(diào)整斜拉索的張拉力而人人為地進(jìn)行調(diào)整。借助這一特性，在施工階段通過調(diào)整斜拉索的索力，可以很有效地改變主梁的受力狀態(tài)和線形，以保證到成橋階段斜拉橋處于一個(gè)理想的成橋狀態(tài)。由于斜拉索的索力將橋梁的重力傳到塔上，橋塔受到壓力作用，同時(shí)主梁也受到斜索的水平分力而受壓。在主梁和索塔變形過程中，軸向力和彎矩相互影響而產(chǎn)生所謂的梁一柱效應(yīng)。同時(shí)由于斜拉橋結(jié)構(gòu)具有柔性特征，在正常荷載作用下結(jié)構(gòu)的幾何形狀發(fā)生變化，引起大位移效應(yīng)。而斜拉索自重垂度引起的索拉力與變形之間的非線性關(guān)系，斜拉橋的這些非線性行為使得結(jié)構(gòu)的受力變的很復(fù)雜。因此在對(duì)斜拉橋穩(wěn)定性和受力分析時(shí)要考慮這些非線性因素。三、問題的提出與研究目的橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是關(guān)系其安全與經(jīng)濟(jì)的主要問題之一，它與強(qiáng)度問題有同等重要的意義。由于大跨度橋梁日益廣泛地采用高強(qiáng)材料和薄壁結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定問題更顯得重要。橋梁結(jié)構(gòu)特別是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不僅在成橋狀態(tài)，而且在分段施工中各個(gè)階段同樣是非常重要的。國內(nèi)外曾經(jīng)有不少橋梁，由于穩(wěn)定計(jì)算不當(dāng)或穩(wěn)定性儲(chǔ)備不夠，在施工過程中發(fā)生失穩(wěn)而導(dǎo)致全橋塌坍陽。例如加拿大魁北克(Quebec)橋，1907年該橋在架設(shè)過程中由于懸臂端下弦桿腹板失穩(wěn)而引起嚴(yán)重破壞事故，震驚全世界，1916年該橋在施工過程中第二次發(fā)生失穩(wěn)事故。1970年，澳大利亞墨爾本附近的西門(West Gate)大橋在對(duì)拼鋼箱梁時(shí)，由于跨中箱梁上翼板翹曲導(dǎo)致1 12m跨徑的鋼梁整孔倒塌。20世紀(jì)80年代，我國四川達(dá)縣某混凝土斜拉橋，由于材料指標(biāo)低，安全儲(chǔ)備嚴(yán)重不足，在雙懸臂施工階段突然整體失穩(wěn)，全橋毀于一旦。1998年9月，寧波招寶山大橋在懸臂施工過程中，主梁發(fā)生突然斷裂。因此斜拉橋在設(shè)計(jì)及施工過程的穩(wěn)定性必須引起我們的足夠重視。大跨度斜拉橋施工工序多、施工工藝復(fù)雜。隨著施工階段的不斷推進(jìn)，斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式、約束條件、荷載形式、混凝土材料的性質(zhì)(彈性模量、強(qiáng)度)均隨時(shí)間變化，同時(shí)施工荷載在混凝土構(gòu)件中產(chǎn)生的荷載效應(yīng)有可能比使用荷載產(chǎn)生的效應(yīng)更為不利。這些都可能引起斜拉橋在施工過程中發(fā)生事故，如出現(xiàn)裂縫、產(chǎn)生過大變形、甚至倒塌等。因此大跨度混凝土斜拉橋每一施工階段的安全程度直接影響整個(gè)建造過程并將影響成橋運(yùn)營階段的安全。實(shí)際上，結(jié)構(gòu)在施工期的平均風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用期，工程結(jié)構(gòu)三分之二的倒塌事故發(fā)生在施工期?！?。同時(shí)對(duì)于大跨度斜拉橋，斜拉橋的梁、塔在外荷載作用下，處在壓、彎狀態(tài)，隨著外荷載增大，梁、塔壓力增大到一定值時(shí)，結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性更加突出，斜拉橋可能產(chǎn)生平面內(nèi)的壓、彎失穩(wěn)或平面外的彎、扭失穩(wěn)。由于斜拉橋在成橋狀態(tài)和施工階段，受力狀態(tài)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)很大的非線性，因此斜拉橋?qū)κ┕み^程尤其是最不利工況下(最大雙懸臂、最大單懸臂)以及成橋階段的穩(wěn)定性分析顯得特別重要。目前斜拉橋的理論研究工作主要集中在結(jié)構(gòu)受力分析和動(dòng)力性能上，并且還不完善，還不能滿足斜拉橋不斷發(fā)展的需要，而且對(duì)斜拉橋的穩(wěn)定性研究更少。就目前我國斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范而言，主要要求對(duì)索塔和主梁進(jìn)行穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定安全系數(shù)不得小于4。這種分別進(jìn)行的驗(yàn)算方法不能完全反應(yīng)結(jié)構(gòu)的真實(shí)性能。事實(shí)上，索、塔和梁相互作用聯(lián)成一整體，三者相互影響，所以還必須對(duì)其總體穩(wěn)定性予以關(guān)注。同時(shí)斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范中要求斜拉橋的“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于4”，其“條文說明中指出：斜拉橋的“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)取值是參照拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)取用。在公路橋梁中，“傳統(tǒng)”的對(duì)拱橋整體穩(wěn)定安全系數(shù)K要求大于4-5的概念來源于第一類穩(wěn)定問題，本質(zhì)上是針對(duì)簡(jiǎn)化的平面計(jì)算模型所給出的彈性穩(wěn)定安全系數(shù)。這種簡(jiǎn)化計(jì)算并不能完全反映斜拉橋的真實(shí)受力情況。應(yīng)用有限元方法精確計(jì)算斜拉橋在索、梁、塔耦合作用下的整體穩(wěn)定性，對(duì)評(píng)估大跨斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有特別重要的意義口3。此外，施工過程中的臨時(shí)荷載變化、施工誤差、非對(duì)稱施工、靜風(fēng)作用、材料的彈性模量、輔助墩設(shè)置與否等都會(huì)對(duì)斜拉橋的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，對(duì)此進(jìn)行研究也將具有重要意義。其中國內(nèi)外在此方面都有較深入的研究，其中對(duì)于大跨度斜拉橋的非線性計(jì)算理論已經(jīng)取得一定的成果，但還有待進(jìn)一步深入探討，大致可以歸納為以下三個(gè)方面：1、斜拉橋各種非線性單元模式合理性及其精度的研究；2、斜拉橋幾何非線性描述參考構(gòu)形及非線性求解方法的研究；3、斜拉橋有限元離散方法、結(jié)構(gòu)模型化方法對(duì)幾何非線性分析結(jié)果的影響研究。四、斜拉橋發(fā)展展望隨著技術(shù)的進(jìn)步、時(shí)代的發(fā)展，今后斜拉橋的發(fā)展將主要表現(xiàn)張以下幾個(gè)方面：1、橋面輕型化近年來，材料強(qiáng)度及其性能的提高，使得橋面結(jié)構(gòu)輕型化成為可能，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)橋址的地形、環(huán)境等條件選擇更加合理的橋面系。在大跨徑的跨江、跨海斜拉橋設(shè)計(jì)中更多地采用疊臺(tái)梁和混合梁，從而有效地減輕了橋面系重量，提高了跨越能力。2、塔結(jié)構(gòu)的多樣化早期斜拉橋橋塔多采用單柱式，現(xiàn)在則更多的采用“A型”、“倒Y型”、“H型”塔或其組合型塔，以更好的抵抗索塔所承受的彎矩，同時(shí)也提高了抗振能力；材料上也從先前的鋼結(jié)構(gòu)橋