（工程力学专业论文）南平跨江大桥成桥状态与施工关键技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 自锚式悬索一斜拉协作体系桥作为一种高次超静定结构体系，它不仅具有一 般缆索承重桥梁的力学特性，更具有明显的几何非线性特点，同时由于加劲梁 存在很大的轴力，存在着梁一柱效应。自锚式悬索一斜拉协作体系桥在各种荷载 工况作用下，静、动力特性也比悬索桥和斜拉桥更为复杂，本论文以南平跨江 大桥为工程背景，对其成桥状态及施工关键技术进行分析研究。 先对南平跨江大桥的成桥状态进行分析研究，以设计图纸为基础，已知主 缆线形和吊杆与斜拉索索力标准值的情况下，利用主缆线形计算方法节线法求 解各段主缆索力，将所求得的索力赋予有限元模型进行求解分析，验证桥梁结 构达到合理目标成桥状态。 在得到的目标成桥状态下，取出加劲梁的钢一混结合段及与其相连接的钢箱 梁和混凝土箱梁的一部分并结合有限元程序a n s y s 对其进行分析，研究钢一混结 合段的传力与变形的连续性，同时研究剪力钉的受力与传力机理。通过对钢一混 结合段不含剪力钉的整体和钢一混结合段含剪力钉的局部比较分析知，剪力连接 构件一剪力钉能很好的起到抗滑移和传力作用，同时剪力钉与钢板连接端在设计 中需设置加强构件以防止剪力钉被剪断。 为使加劲梁能达到成桥状态下的线形，对贝雷支架系统进行分析，研究预 拱度产生的因素，在混凝土箱梁和钢箱梁的自重作用下，临时墩有一定的弹性 变形，不可忽略不计，最终支架预拱度的设置构成主要有贝雷梁的弹性变形和 由临时墩变形给贝雷梁带来的牵连位移。 对斜主塔竖转吊装结构进行仿真分析，研究主塔在不同位置时转体结构的 最不利状态，发现最不利状态发生在主塔刚被提升时，在转体结构的最不利状 态下局部分析转铰与主塔连接区域的应力与变形，可知转铰的耳板与主塔连接 处应力水平高，需保证焊缝的强度，主塔上变形极小、应力水平较低，能够满 足要求。 关键词：自锚式悬索斜拉协作体系桥，成桥状态，钢混结合段，预拱度，竖转 吊装 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e l f - a n c h o r e dc a b l e s t a y e ds u s p e n s i o nb r i d g ew h i c hi sah i 吐o r d e rs t a t i c a l l y i n d e t e r m i n a t es t r u c t u r en o to n l yh a sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a b l e s u p p o r t e db r i d g e ， a n dh a sg e o m e t r i cn o n l i n e a rf e a t u r e s nh a sb e a m - c o l u m ne f f e c tb e c a u s et h e s t i f f e n i n gg i r d e re x i s te n o r m o u sa x i a lf o r c e t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f s e l f - a n c h o r e dc a b l e - s t a y e d s u s p e n s i o nb r i d g ew h i c h i nv a r i o u sl o a dc a s e sa r e c o m p l e xt h a ns u s p e n s i o nb r i d g eo rc a b l e - s t a y e db r i d g e i t sa n a l y s i sb a s e do nn a n p i n gk u a j i a n gb r i d g ei nt h i sp a p e r s t u d yo nc o m p l e t i o ns t a t eo fn a n p i n gk u a j i a n gb r i d g eb a s e d o nd e s i g nd r a w i n g ， u s i n gs e g m e n tl i n em e t h o dt os o l v i n gc a b l et e n s i o ni nt h ec o n d i t i o no fk n o w nt h e c a b l ec u r v ea n dt h es t a n d a r dv a l u eo fh a n g e rt e n s i o n ，t h e na s s i g nt of i n i t ee l e m e n t m o d e lt oa n a l y s i s i ti sf i n dt h a tt h eb r i d g er e a c ht a r g e tc o m p l e t i o ns t a t et h r o u g ht h e a n a l y s i s u s i n gf i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n s y st oa n a l y s i st h es t e e lc o n c r e t ec o m b i n a t i o n s e g m e n t i nt h e t a r g e tc o m p l e t i o ns t a t e ，r e s e a r c hf o r c e r e c e i v e da n dt r a n s f e r m e c h a n i s m m e a n w h i l e ，i ti st or e s e a r c ha n t i - s l i d i n ga n dt r a n s f e rm e c h a n i s mo ft h e s h e a rs t u d s i tf m d i n gt h a tt h es h e a rc o n n e c t i n gc o m p o n e n t s h e a rs t u d sh a sa a n t i - s h d i n ge f f e c ta n d m u s ts e ts t i f f e n i n gm e m b e ri nr o o to ft h es h e a rs t u d st op r e v e n t s h e a rb r e a k ，b yt h ea n a l y s i sb e t w e e nt h ew h o l es t e e lc o n c r e t ec o m b i n a t i o ns e g m e n t m o d e la n dl o c a lm o d e l i ta n a l y z e sb a i l e ys u p p o r t i n gs y s t e mo fs t i f f e n i n gg i r d e rf o rt h ep u r p o s eo f r e a c h i n gd e s i g na l i g n m e n ta n dc o m p o s i t i o no fc a m b e r t h et e m p o r a r yp i e rw i l lh a v e e l a s t i cd e f o r m a t i o nu n d e rs e l fw e i g h to fs t i f f e n i n gg i r d e re f f e c t s ，a n dt h ed e f o r m m i o n c a n ti g n o r e t h ef i n a l l yc a m b e ri sc o m p o s e do fe l a s t i cd e f o r m a t i o no fs t i f f e n i n g g i r d e ra n dt e m p o r a r yp i e r w h e nt h em a i nt o w e ri si nt h e d i f f e r e n t p o s i t i o n o ft h ev e r t i c a lr o t a t i o n c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，s e a r c ht h em o s tu n f a v o r a b l es t a t eo fs t r u c t u r e ，a n dk n o w ni t h a p p e n e di nt h eb e g i n n i n go ft h ep r o c e s s i ta n a l y z e ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 l o c a lr e g i o nf r o mt h ec o m b i n a t i o no fh i n g ea n dm a i nt o w e r , a n df i n d st h es t r e s sl e v e l o fl u ga n ds t e e lp l a t e sc o n n e c t e dr e g i o ni sv e r yh i g h ，a n dm u s ta s s u r et h ei n t e n s i t yo f w e l d i n gl i n e t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s so fm a i nt o w e ra r ev e r ys m a l l ，a n dc a nm e e t r e q u i r e k e y w o r d s ：s e l f - a n c h o r e dc a b l e - s t a y e ds u s p e n s i o nb r i d g e ；c o m p l e t i o ns t a t e ；s t e e l c o n c r e t ec o m b i n a t i o ns e g m e m ；v e r t i c a lr o t a t i o nc o n s t r u c t i o np r o c e s s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：诽型! 亟日 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：挥d 及 导师( 签名) ：辙日期 如7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 悬索斜拉协作体系桥的概述 随着汽车产业的迅猛发展，交通运输的压力日益增大，必须建设完善的交 通网络，作为其中枢纽工程的桥梁建设更加重要。跨江，跨海峡特大桥梁的建 设势在必行，而大跨度桥梁多为缆索承重桥梁n 1 ，缆索承重桥梁顾名思义，是指 以缆( 悬索桥德主缆) 或索( 斜拉桥的拉索) 作为主要承重构件的桥梁。缆索 承重桥梁有两个重要的特点：一是主要受力构件承受轴向力，缆、索承受轴向 拉力，桥塔和斜拉桥的加劲梁主要受压力作用，二是主要承重构件缆索是采用 高强度材料制成，其强度大，自重轻。由以上两个特点决定了缆索承重桥梁相 对于其他桥型而言更适合于向大跨度方向发展。就目前而言，缆索承重桥梁的 常用结构型式主要有悬索桥和斜拉桥。 传统地锚式悬索桥是以主缆、桥塔和锚碇作为主要受力构件的桥梁结构。 荷载由桥面通过吊杆传到主缆，进而在传到桥塔与锚碇，传力途径简捷、明确。 目前世界上跨度最大的悬索桥为日本明石海峡大桥，主跨为1 9 9 1m 。但是对于 悬索桥而言，加大跨度需要更大的主缆与锚碇，从而使桥梁的造价提高，此外 桥梁的刚度随着桥梁跨度的增加而降低，风动稳定性问题突出。 斜拉桥是由加劲梁、拉索和主塔三种构件组成瞄1 。荷载由桥面传给拉索，再 传给主塔，加劲梁主要承受压力，相对于悬索桥而言，其整体刚度较大，刚度 特性比较好。目前世界上跨度最大的斜拉桥为中国江苏的苏通长江公路大桥， 主跨为1 0 8 8m 。但当跨度过大的时候，斜拉索将较多，斜拉索与水平倾角也将 变得很小，加劲梁承受的轴向压力将会很大，此时加劲梁的屈曲问题突出，需 要加大加劲梁截面以满足屈曲稳定性要求，而当加劲梁自重增加，斜拉索承受 的拉力也会增加，从而降低了斜拉索的效率；一般来说，斜拉桥的主塔高度( 桥 面以上) 为主跨的1 4 1 6 。】，当桥梁跨度很大时，主塔会很高，主塔的高度增 高将会造成主塔的抗风稳定性、施工难度和造价的增加。 综合以上两种桥型的优缺点，将两种桥型组合起来从而形成了一种组合型 式桥桥梁，悬索一斜拉协作体系桥( 又称为吊拉组合桥) ，它既有悬索桥跨越能 力大的优点，又具有斜拉桥刚度较好的优点，相互弥补不足，以提高桥梁的跨 武汉理工大学硕士学位论文 度和刚度，降低索塔高度与锚碇体积。 1 2 国内外悬索斜拉协作体系桥的发展历史 美国的罗勃林( j o h n a r o e b l i n g ) 于1 8 8 3 年设计建成了世界上最早的悬索一 斜拉协作体系桥布鲁克林桥( b r o o k l y nb r i d g e ) ，布鲁克林桥结构上采用了抗弯 刚度大的加劲梁桁架和斜拉索来弥补单纯悬索体系抗风稳定性的不足，该体系 也被称为“罗勃林体系”。在这种体系中，悬索桥的吊杆全桥布置，只是在边跨和 主跨中与边跨对称的每根吊杆处布置斜拉索。该桥跨越纽约伊斯特河，主跨为 4 8 6 m ，为当时世界上最大的缆索承重桥。 直到1 9 3 8 年，德国著名的桥梁工程大师狄辛格在系统研究和分析了罗勃林 体系用拉索来增强悬索桥的刚度的利弊后认为“罗勃林设计桥梁中的拉索己证明 是完全无效的”，在战争后重建前联邦德国桥梁时创造性地形成了在跨径的中部 由悬索支承以及两旁部分从塔柱顶部辐射散开的拉索支承的新构想，即著名的 狄辛格体系。 在狄辛格体系中斜拉索分布较稀，集中力较大，随着斜拉桥的发展，人们 认识到稀索体系有很多不足，现代桥梁专家和学者致力于将狄辛格体系中的斜 拉索部分采用密索形式，使得结构具有良好的连续性。由于这种体系是在狄辛 格体系基础上不断改造与完善的，故称之为修正的狄辛格体系。 1 9 7 8 年丹麦的大贝尔特桥的初步设计方案中曾提出跨径4 0 0 + 1 5 0 0 + 4 0 0 m 的 悬索斜拉协作体系方案，与罗勃林体系相似，但不同的概念不是用斜拉索加固 悬索桥，而是两者有机协作来共同承担荷载。但由于担心塔顶移位问题，最终 被主跨1 6 2 4m 的悬索桥方案所取代。 1 9 8 4 年，林同炎提出的直布罗陀海峡大桥方案，其结构特点是：用两个刚 性斜撑支承桥塔附近的桥面荷载，主跨中间部分由悬索体系承担。增加刚性斜 撑后，极大的提高了桥梁的整体刚度，有利于桥梁结构的动力稳定性。但是该 方案桥塔高度比同跨径的悬索桥增高很多，桥塔施工稳定性还存在一些问题。 在国外悬索斜拉协作体系方案不止一次地被工程师提出，但是由于种种原 因，都没能够付诸实施，而被结构更为简练，技术更为成熟的悬索桥或斜拉桥 所取代。因此悬索斜拉协作体系在过去很长时间都没有得到发展。 二十世纪九十年代处，我国的一批桥梁专家也开始了对悬索斜拉协作体系 桥的研究。1 9 9 1 年湖南公路局和交通设计院就广州汕头海湾大桥提出主跨6 2 0m 武汉理工大学硕士学位论文 的悬索一斜拉协作体系方案，鉴于该桥所处的位置地质条件，要修建悬索桥，所 需要修建锚碇的费用很大，而采用悬索斜拉协作体系桥会降低拉力，建造锚碇 的费用也会相对降低。随着桥梁计算理论和计算机技术的长足发展，在我国桥 梁工作者不断地努力下，原来造成悬索。斜拉协作体系无法实施的一些问题基本 得到了解决，1 9 9 7 年在贵州省建成了世界上第一座现代化的悬索斜拉协作体系 桥一乌江大桥。该桥跨径为6 0 + 2 8 8 + 6 0 聊，主跨为2 8 8m ，悬索部分1 6 8 m 。 如同国外，虽然国内众多工程中都有悬索一斜拉协作体系方案被提出，但最 后被其他桥型桥梁所代替，没有得到实施。 1 3 自锚式悬索斜拉协作体系桥的相关分析理论 自锚式悬索一斜拉协作体系桥是一种新颖的桥型，为悬索桥和斜拉桥的组合 结构，分析理论可分别参考悬索桥与斜拉桥的分析理论。 1 3 1 悬索桥分析理论 悬索桥在竖向荷载下的分析理论发展过程体现了人们对悬索桥结构愈来愈 正确的认识过程，期间经历了弹性理论、挠度理论和有限位移理论三个阶段“瑚， 构成了近代悬索桥的理论基础。 ( 1 ) 弹性理论 弹性理论是最早的计算分析理论，自1 9 世纪末至2 0 世纪初的悬索桥，几 乎都是用弹性理论进行分析计算的。用它做结构分析，有如下计算假定： 1 ) 假定缆索无弯曲刚度，只承受拉力，不承受弯矩，水平均布荷载g 使主 缆的几何形状为二次抛物线，且恒载完全由缆索承担； 2 ) 假定加劲梁全桥为等截面，抗弯刚度e i 沿梁长不变； 3 ) 吊杆沿跨密布，并假定吊索长度不因活载伸长； 4 ) 在活载作用下，缆索形状与纵坐标保持不变； 按照上述假定，如图卜1 所示，根据平衡条件，可求得加劲梁任意截面弯 矩与活载有如下关系： m = 聊一耳y ( 1 - 1 ) 式中，日p 为活载产生的主缆水平分力，m ；为相应简支梁的活载弯矩，y 为 主缆承受活载前的纵坐标。 弹性理论用普通结构力学即可求解，而且弹性理论简化的结构具有线弹性 武汉理工大学硕士学位论文 特性，适用于叠加原理。由于弹性理论是在不考虑结构变形对内力影响的前提 下推导出来的计算方程。弹性理论有两个非常明显的缺点：其一是没考虑恒载 对竖向刚度的贡献，其二是没考虑大位移的非线性影响，弹性理论计算出的加 劲梁弯矩值偏大，结构过于保守，偏安全。 h = 1fv 1 一 hf v 2 - j 图1 - 1 按弹性理论进行悬索桥内力分析 对小跨径桥，这种误差带来的材料浪费并不明显，但当跨度增加到一定程 度是，弹性理论的计算结果误差将很大，以至无法接受。弹性理论一般仅适用 于跨度小于2 0 0 m ，加劲梁的高度取跨度1 4 0 左右的悬索桥。 ( 2 ) 挠度理论 随着悬索桥跨度的增加，加劲梁的刚度相对降低，结构的非线性明显，r i t t e r 和m e l a n 等人提出考虑缆索竖向位移影响的“挠度理论”，并于1 9 0 9 在纽约曼哈 顿大桥上成功运用。挠度理论与弹性理论的根本区别在于：挠度理论在其活载 效应的计算中考虑了缆索在活载作用下的挠度；而弹性理论只假设恒载决定缆 索形状，在活载下没任何改变。其基本假定如下： 1 ) 假定恒载为沿跨度均布，在无活载状态下，主缆为抛物线形，加劲梁无 应力； 2 ) 吊索为竖直，沿桥跨密布，不考虑在活载作用下的拉伸和倾斜，当作用 仅在竖向有抗力的薄膜； 3 ) 在每一跨内加劲梁为等直截面梁，即截面惯性矩彤在一跨内为常量： 4 ) 主缆和加劲梁都只有竖向位移，不考虑其纵向位移。 如图1 - 2 所示，基于挠度理论的基本假定，根据平衡条件加劲梁在活载作用 下的任意截面弯矩为： m = m ；一h e y 一( h q + 日p ) 1 ， ( 1 2 ) 4 武汉理工大学硕士学位论文 式中：耳为活载产生的主缆水平分力，峨为恒载作用下的主缆水平分力， m o 为相应简支梁的活载弯矩，y 为主缆承受活载前的纵坐标，v 为因活载作用 产生的挠度。 浒斋问硎 “ p l 一 图1 - 2 按挠度理论对悬索桥进行分析 挠度理论因采用了若干理想化假定，严格来说就包含一些近似性。在挠度 理论中，没有考虑以下因素：吊杆的倾斜与拉伸，主缆和加劲梁的纵向位移， 另外在相容方程中还忽略了二阶非线性项，并隐含了主缆倾角及倾角变化为小 量的假定，用于大跨度桥梁的计算时，会产生很大误差。在分析大跨度的悬索 斜拉协作体系桥中，还有大量的倾斜的斜拉索，挠度理论是无法对其分析的。 ( 3 ) 有限位移理论 1 9 6 6 年，b r o t t o n 首次发表了一种以矩阵位移法进行求解的通用悬索桥结构 分析方法，该方法是在直接刚度法的基础上，考虑主缆因恒载轴力对大位移结 构平衡的影响。与此同时，s a a f a n 建立了结构构架大位移理论，推导出平面梁单 元的切线刚度矩阵理论。p o s k i t t 引入n e w t o n r a p h s o n 法来求解非线性方程组。 f l e m i n g 将稳定函数及动坐标引入计算，并改进了n e w t o n r a p h s o n 迭代算法， 使之与荷载增量法相结合，提高了计算的精度和收敛速度。n a z m y 在f l e m i n g 的基础上，将平面的稳定函数扩展到空间。b a t h e 推导了与t l 列式法求解格式 配套的空间梁单元刚度矩阵，并用欧拉角来描述空间梁单元的坐标转换，但他 的单元刚度矩阵仍要计算三维积分，计算效率低，且只能运用矩形与环形截面。 有限位移理论中，荷载的平衡状态时以变形后的结构状态为基础的，往往 是通过有限单元法来实现的，不需要挠度理论中的那些假设，可以处理任意形 式的初始条件和边界条件，考虑吊杆的倾斜与拉伸、缆索节点的水平位移、加 劲梁的水平位移与剪切变形等任何非线性因素，对说分析的对象可以采取更符 武汉理工大学硕士学位论文 合实际的计算模型，从而使悬索桥的分析计算更为精确，是目前大跨度悬索桥 分析计算中普遍采用的方法。 综合以上3 种计算理论，可在结构刚度方程中，用对刚度方程的修正形式 来表达各种计算理论的实质。 弹性理论： k 】- 【k e 】 挠度理论： k - 磁】+ 【q , ( 以) 】 有限位移理论：【k 】= 【k 占】+ k s ( ) + 【髟( 万) 】 其中：【k e 】、【呸】、【蟛 分别为弹性刚度矩阵，几何刚度矩阵和大位移刚 度矩阵；、。、万分别为恒活载轴力、恒载轴力和位移。 1 3 2 斜拉桥分析理论 斜拉桥是高次超静定的柔性结构，在施工和正常使用阶段，结构工作在集 合非线性状态，所以斜拉桥自2 0 世纪5 0 年代重新发展以来，几乎都是按照有 限位移理论进行分析计算的嘲。其基本思路和悬索桥的有限位移理论相同，即先 离散斜拉桥结构成为各种有限元单元，在分别计算各种单元的刚度矩阵，并带 入整体刚度矩阵中进行求解。 1 3 3 自锚式悬索斜拉协作体系桥非线性有限元分析1 7 】1 8 l 自锚式悬索一斜拉协作体系桥在施工过程与成桥运营后都表现出明显的几 何非线性行为，同时对于采用混凝土或钢混结合加劲梁的自锚式悬索斜拉协作 体系桥，加劲梁受到混凝土收缩与徐变的影响，造成体内预应力损失。在施工 过程中，自锚式悬索斜拉协作体系桥的施工，需先在支架上整体施工加劲梁， 然后再架设主缆，张拉吊杆与斜拉索。吊杆张拉施工是一个复杂的非线性过程， 同时存在主缆的几何非线性、加劲梁和索塔的梁柱效应非线性以及加劲梁与支 架的接触非线性。 1 、自锚式悬索斜拉协作体系桥的几何非线性分析 自锚式悬索斜拉协作体系桥的几何非线性主要表现在以下几个方面：( 1 ) 结构大位移效应；( 2 ) 索的垂度效应；( 3 ) 初始内力效应；( 4 ) 梁柱效应。 ( 1 ) 结构大位移效应 在进行结构分析时，力的平衡方程因根据变形后结构的几何位置来确定， 力与变形的关系是非线性的，结构的刚度是几何位置的函数，即k = 尼 万 。通常 6 武汉理工大学硕士学位论文 求解结构大位移的非线性问题的基本方法有增量法，迭代法以及结合前两种方 法的混合法【9 】。在进行有限元分析时需分别通过杆、梁单元的切线刚度矩阵来解 决结构大位移的非线性。 ( 2 ) 索的垂度效应 缆索和斜拉索在张拉力作用下的变形，包括了索受拉力力后产生沿索长方 向的线弹性变形和索在自重作用下发生的几何非线性变形即垂度。在有限元分 析方法中，索单元的计算模型通常取为桁架单元，而实际缆索具有垂度，垂度 变形量比线弹性变形量大，与缆索的截面、弹性模量、缆索自重及张拉力等因 素有关，考虑其非线性的方法是修正缆索的弹性模量，以等效弹性模量来代替， 其表达式称为e r n s t 公式： e 讲：l ：l 一 ( 1 3 ) 。i r 耍2 1 2 e2再14(cpl)2a u 弓) 1 2 0 。1 2 1 。 式中：为索单元的等效弹性模量，e 为索单元的有效弹性模量，为钢 缆容重，仃为索的拉应力，z 为索拉力，为索单元的水平投影长度，缈为单位 长索的自重，么为索的有效横截面面积。 ( 3 ) 初始内力效应 建立切线刚度矩阵时应以无应力状态下的厶为基准态，那么任一终态内力 都应包含初始内力，因此建立终态的平衡方程也须将初始态的荷载一起考虑。 分析一有k 根杆件相交的铰节点，在初始态达到平衡时应有 ( c o s 口0 ，) + b ，= 0i - l ( 1 4 ) 七f 。 ( t o ，s i n c t o ，) + 昂j ，= 0i 式中：瓦，为相交于节点的第f 根杆在初始状态时对节点的作用力，口。，为相 交于节点的第第f 根杆在初始状态时的倾角，蜀，忍，为作用于节点的沿x ，y 方向 上的初始荷载。 设在外荷载p 作用后，结构发生变形，变形后节点满足新的平衡方程 ( 霉c o s g ，) + 只，+ 只= 0 l 卜1 (15)k - 一 一1 ( zs i n t z , ) + + o = oi 式中：z 为结构变形后的杆件轴力，为结构变形后的杆件倾角，只，暑为 7 武汉理工大学硕士学位论文 荷载p 在x ，y 方向上的分量。 比较式( 1 4 ) 与( 1 - 5 ) 可知，当倾角由，边为时，式( 1 _ 4 ) 就不在成 立，此时叠加原理失效，不能采用将出内力与活荷载内力分开计算最后叠加的 算法。因根据式( 1 5 ) 求节点的不平衡力，再代入非线性方程求解。 ( 4 ) 梁柱效应 自锚式悬索斜拉协作体系桥的主缆直接锚固于加劲梁上，加劲梁和主塔都 是同时受到轴向压力与弯矩作用的梁单元，轴向压力给梁单元带来了附加弯矩， 使得梁单元发生更大的弯曲变形，改变弯曲刚度，同时，弯矩也影响轴向变形， 从而改变轴向刚度，两者互相影响，使得同时受到轴向压力与弯矩的梁单元整 体刚度发生改变，表现出荷载和位移的非线性关系，称之梁柱效应。对于梁 柱效应引起的非线性问题，可通过引入修正系数在迭代的过程中不断修正单元 刚度矩阵来解决。 1 3 4 混凝土收缩徐变对钢筋混凝土桥的影响与预应力损失 自锚式混凝土悬索一斜拉协作体系桥的加劲梁是混凝土制成，体积大，在缆 索和斜拉索架设后，在强大的轴向压力作用下，加劲梁会发生收缩与徐变。混 凝土收缩徐变使得加劲梁变短，缆索因此发生下垂，斜拉索松弛，导致加劲梁 发生较大的弯矩和变形，并产生内力重分布，必须考虑混凝土收缩徐变的影响， 混凝土的收缩、徐变及其对结构性能影响的预计和控制，是复杂又难以获得精 确答案的问题。随着混凝土收缩徐变的产生，加劲梁内的预应力有所损失，降 低了加劲梁的压应力，计算时加以考虑，在平面杆系有限元结构分析中，预应 力可以简化为等效节点力和均布力，作为外力施加在结构中。 1 4 自锚式悬索斜拉协作体系桥的优缺点 1 4 1 自锚式悬索斜拉协作体系桥的优点 自锚式悬索一斜拉协作体系桥作为一种组合结构，它的优越性有以下几点： ( 1 ) 斜拉桥部分荷载时通过索塔传递到地基，而不像悬索桥那样通过主缆 传递到地基，这样大大减少了主缆中拉力； ( 2 ) 不需修建锚碇，受地形和地质条件影响小，布置灵活； ( 3 ) 由于斜拉桥桥面的荷载不需通过主缆传递到塔基，所以可以采用造价 武汉理工大学硕士学位论文 相对较低的钢筋混凝土桥面系，并能增加桥面的稳定性； ( 4 ) 悬索桥的范围大大缩小，桥梁整体刚度得到提升，风动稳定性提高； ( 5 ) 由于加劲梁受到主缆和斜拉索的水平分力作用，对于钢筋混凝土桥面 系而言，可节省大量预应力钢筋。 1 4 2 自锚式悬索斜拉协作体系桥的缺点 同样其缺点也非常显著： ( 1 ) 增加了施工难度，对于小跨径桥可采用支架施工，但是对于跨径大的 桥，无法使用支架施工，如何解决悬索部分施工并完成体系转换是自锚式悬索 斜拉协作体系桥的施工关键； ( 2 ) 主缆锚固区域构造、受力复杂，施工难度大。端吊杆与悬索斜拉连接 区域有疲劳问题，受力复杂； ( 3 ) 与传统悬索桥相比，其非线性行为更为明显，使得吊杆张拉时施工控 制困难。 自锚式悬索一斜拉协作体系桥作为一种高次超静定结构体系，它不仅具有一 般缆索承重桥梁的力学特性，更具有明显的几何非线性特点，同时由于加劲梁 存在很大的轴力，存在着梁一柱效应。自锚式悬索一斜拉协作体系桥在各种荷载 工况作用下，静、动力特性也比悬索桥和斜拉桥更为复杂，因此在对自锚式悬 索一斜拉协作体系桥进行成桥状态下的分析是重要的环节，同时为了能够使桥梁 达到设计状态，对施工中关键技术的研究也是必须的。 1 5 钢混结合梁的概述 钢一混结合梁是指加劲梁沿长度方向采用2 种不同的材料，主跨梁体为钢梁， 边跨及伸入主跨的一部分的梁体为混凝土梁。钢与混凝土结合能够显著提高结 构力学性能，而钢一混结合梁体主跨处采用钢梁，其自重较小，跨越能力强且易 于架设，边跨处采用混凝土梁，其刚度与自重较大，抗压能力强，有很好的压 重及锚固作用。由于边跨梁的刚度大，不仅减小了主跨梁的内力与变形，还可 以减小边跨支点处的负反力。钢一混结合梁体结合了钢梁与混凝土梁的优点，目 前在国内外桥梁的设计中得到了广泛的应用。 钢一混结合梁的破坏形式除了常见的钢箱梁或混凝土箱梁的弯曲和剪切破 坏形式外，还有钢一混结合段交界面上的剪切破坏，属于脆性破坏，必须加以 9 武汉理工大学硕士学位论文 避免。剪力连接件的基本作用是传递水平剪力和竖向掀起力，以抵抗钢混交界 面水平滑移效应和竖向的掀起效应。 1 6 主塔竖转吊装技术的概述 为追求桥型新颖与美观，越来越多的桥梁结构采用斜独塔的主塔形式，近 年来国内出现多座斜独钢塔桥梁，有斜独钢塔的斜拉桥，如跨度为1 4 5m 的西安 沪灞生态园灞河2 号桥等；也有斜独钢塔的悬索一斜拉协作体系桥，如主跨为 1 1 3 8 m 的龙城大桥等。斜独钢塔虽造型优美，但施工难度大，高空拼装时主塔 钢结构单元拼装、吊装、定位和焊接难度极大。 为解决高空拼装、吊装、定位和焊接的难题，一般采用在加劲梁上进行主 塔的拼装和焊接，然后采用整体竖转的施工方法将钢塔安装到位；整体竖转受 力体系有起重塔方式和三角架方式，起重塔方式为在主塔处安装竖转吊装依靠 的起重塔来吊起主塔，三角架方式为在主塔上焊接三角架后旋转拉起主塔。整 体竖转的技术难点是建立在竖转结构体系安全可靠的基础上，保证体系受力明 确，变形控制在合理范围内。 1 7 本文的主要研究工作 南平跨江大桥为自锚式悬索斜拉协作体系桥，加劲梁沿纵桥向采用钢混结 合梁，主塔采用独钢塔且沿顺桥向倾斜，结构新颖复杂。 自锚式悬索斜拉协作体系桥作为一种新颖的组合结构桥型，近些年来逐渐 受到青睐，虽然国内已建起的自锚式悬索斜拉协作体系桥还很少，但其发展趋 势很好。 本文以南平跨江大桥为论文背景，对其成桥状态和施工关键技术进行分析 研究，其内容包括以下几点： ( 1 ) 对南平跨江大桥的成桥状态进行分析研究，以设计图纸为基础，已知 主缆线形和吊杆与斜拉索索力标准值的情况下，利用主缆线形计算方法节线法 求解各段主缆索力，将所求得的索力赋予有限元模型进行求解分析，验证桥梁 结构是否达到合理目标成桥状态； ( 2 ) 在得到的目标成桥状态下，取出加劲梁的钢混结合段及与其相连接的 钢箱梁和混凝土箱梁的一部分进行分析，研究钢混结合段的传力与变形的连续 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 性，同时研究剪力钉的受力与传力机理； ( 3 ) 对施工加劲梁的贝雷支架系统进行分析，计算其预拱度值，从而保证 加劲梁施工完毕后能达到成桥设计线形； ( 4 ) 对斜主塔竖转吊装结构进行仿真分析，研究主塔在不同位置时转体结 构的最不利状态，在转体结构的最不利状态下局部分析转铰与主塔连接区域的 应力与变形，为安全施工提供保障。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章南平跨江大桥的成桥状态研究 2 1 自锚式悬索斜拉协作桥的主缆线形计算方法概述 自锚式悬索斜拉协作体系桥结构设计、施工监控的最终目的是要尽可能的 达到设计的理想成桥状态【1 0 】【1 1 1 。对于自锚式悬索斜拉协作体系桥而言，影响成 桥状态的主要参数有：主缆线形、加劲梁线形、缆索系统( 主缆、吊杆及斜拉 索) 的索力。 成桥状态下，自锚式悬索斜拉协作体系桥受到的荷载是由缆索传递给桥塔， 然后传递到地基。因此，主缆、吊杆及斜拉索是极其重要的承重构件，确定主 缆的成桥线形是整个桥梁计算的基础。对于实际工程而言，以设计图纸为基础， 主缆线形为已知，以下只对主缆线形的常用计算方法进行介绍。 2 1 1 主缆基本假定 现代悬索桥的主缆一般由高强度钢丝集束而成，抗弯刚度很小，可认为索 为柔性，对其做如下基本假定【1 2 】： ( 1 ) 柔索仅能承受张力而不承受弯矩； ( 2 ) 索的材料符合虎胡克定律； ( 3 ) 主缆横截面积在荷载作用下不发生变化。 2 1 2 主缆线形常用计算方法 作用于主缆上荷载的形式不同，主缆的几何形状也不同。当假定所有恒载 简化为跨径方向的均布荷载时主缆呈抛物线形，此主缆线形计算方法即为抛物 线法，是一种近似方法，适用于中小跨度悬索桥在恒载作用下的主缆线形，但 对于大跨度悬索桥误差较大；主缆在自重作用下的实际线形为精确悬链线形， 基于此主缆线形的计算方法即为悬链线法n 3 儿“儿1 5 3 ，对于计算各种跨度悬索桥的 主缆线形，精度高，适用性广泛，是目前计算悬索桥的主缆线形的主要方法； 节线法是对主缆线形计算的一种近似计算方法，它假定相邻吊点间主缆形状为 直线，利用恒载作用下产生的内力平衡来计算主缆线形与索力。本文以南平跨 江大桥的设计图为基础，其主缆线形已知，在此不再详细介绍抛物线法与悬链 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 线法的计算理论与公式，本章需要借助于节线法计算索力，故对其基本理论详 细介绍。 2 1 3 节线法概述 节线法是利用主缆、吊杆、加劲梁在自重作用下产生的内力平衡条件来计 算主缆的坐标和索力的方法【1 6 - 1 1 7 1 【1 8 1 ，其基本假定如下： ( 1 ) 吊杆仅在横桥向倾斜，垂直于顺桥向； ( 2 ) 假定主缆与吊杆的连接相邻节点之间的索呈直线形状，而非抛物线或 悬链线形状； ( 3 ) 主缆两端坐标、跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置、加劲梁的恒 荷载为已知量。 基于节线法的基本假定，主缆索面为空间索面，可将主缆分别投影到顺桥 向x z 平面内和横桥向】，一z 平面内，再利用各自平面内的索力与恒载的平衡 条件进行分析。 在顺桥向，x z 平面上主缆上节点力的平衡如图2 1 所示。 图2 1 投影在顺桥向z z 平面上的主缆形状和力的平衡 图2 - l 中e 为节点f 一1 和节点f 之间的主缆索力互在顺桥向工一z 平面内投 影，是吊杆索力# 在x z 面内投影，既是主缆的自重在顺桥向石一z 平面 内投影。 根据节点力的平衡条件，在第f 个吊点位置水平方向力的平衡方程如下： 只毕：e + l 掣：日 ( f ：1 ，2 ，一1 ) ( 2 1 ) l fl j + l 竖直方向力的平衡方程如下： 武汉理工大学硕士学位论文 e 孕也- 警= 既+ ( 江1 ，2 ，_ 1 ) ( 2 - 2 ) 其中：t 是节点i 一1 和节点i 间主缆单元在顺桥向x z 平面内长度投影，h 是主缆索力在x z 平面内的水平分量，主缆索力的水平分量在全跨内相等。 在横桥向，y z 平面内的主缆上吊点处力的平衡如图2 - 2 所示。 图2 - 2 横桥向】，一z 平面上力的平衡 吊杆索力只在x z 平面内的投影气如下： ：鼻每量 ( f _ 1 ，2 ，_ 1 ) ( 2 - 3 ) 其中：只是第i 根吊杆的索力，h ，是吊杆的长度。 由式( 2 - 1 ) ，( 2 - 2 ) ，( 2 - 3 ) 可得到n 一1 个方程： 日f - 搏+ 鳟1 ：忍盟+ ：既+ 既h l 置一置一。x m zj 。 ， 。 ”“ ( i = 1 , 2 ，n 一1 ) ( 2 4 ) 其中：既包括第i 根吊杆上索夹自重、吊杆自重以及吊杆承担的加劲梁自 重、二期恒载，可以由设计图中得到，为已知。上面公式中的未知量为z ；和日， 共有个未知数，所以还需补充一个条件才能解方程组。作为追加条件，使用 主缆跨中的垂度厂与跨中、两边吊杆的竖直坐标的关系公式： z = 圭( z + z 。) + 厂 ( 2 5 ) 上面已提到，求解未知量为z ；和日，但是主缆自重需已知主缆节点坐标 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 才能计算，因此还需采用迭代方式计算z 。和日，迭代过程不再叙述。由于节线 法的基本假定中将相邻吊点之间的主缆线形视为直线而非精确悬链线，节线法 只是一种近似计算方法。 2 2 南平跨江大桥成桥状态计算分析 2 2 1 南平跨江大桥工程概况 南平跨江大桥主桥是跨径组合为3 8 + 1 2 6 + 7 6m 的自锚式独塔悬索斜拉协作 体系桥，全长2 4 0 m ，结构布置图如图2 3 所示。 中跨采用悬索结构，主缆为空间双索面，主缆在加劲梁梁端通过散索套分 散成1 9 束锚固在辅跨横隔梁上，在次塔柱位置通过散索套分散成1 9 束次缆锚 固于主塔；主塔另一侧采用5 根斜拉索平衡主缆拉力。主墩处墩塔梁固结，边 墩及交界处设支座。 加劲梁采用箱型截面混合梁，中跨中部8 5m 范围采用钢箱梁，其余部分为 预应力混凝土梁，钢箱梁与混凝土箱梁结合段为全截面填充混凝土，结合段全 长1 6 m ，钢箱梁预埋段设置剪力钉，并设置纵向预应力，确保钢箱梁与混凝土 箱梁传力连续。 主塔采用变截面拱形结构，桥面以上垂直高度为5 1 2 3 7 m ，顺桥向向边跨 倾斜2 2 度，墩塔梁固结，主塔采用钢箱结构，桥面以上3 0 6 9 7 m 设置一道横系 梁。 匝删忙挺蟋妪kil蛰怔-n匝 议窄q扑书隧扑kh剐塔僖 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 南平跨江大桥成桥状态的有限元分析 采用m i d a s c i v i l 结构分析有限元软件，综合考虑自锚式悬索斜拉协作体系 的非线性影响，对南平市跨江大桥进行结构建模分析。南平市跨江大桥主缆索 面为空间索面，计算采用空间有限元模型【1 9 】。 主缆、吊杆和斜拉索采用只受拉桁架单元模拟，只受拉桁架单元只承受拉 力作用，对只受拉桁架单元需赋予初始拉力来模拟其轴力以形成刚度矩阵。 加劲梁、主塔和桥墩采用空间梁单元模拟，空间梁单元上每个节点都有6 个自由度，具有抗拉、压，抗弯，抗剪切，抗扭转刚度。 吊杆与斜拉索和加劲梁的连接采用弹性连接模拟，主缆的分散索和主塔、 加劲梁连接采用弹性连接模拟，加劲梁和桥墩的连接采用刚性连接模拟，加劲 梁、主墩和主塔固结处采用刚性连接模拟，材料特性略。 全桥共7 0 9 个节点，6 7 8 个单元，其中只受拉桁架单元1 7 0 个，梁单元5 0 8 个，计算模型与缆索系统编号见图2 - 4 与图2 5 。 图2 - 4 空间有限元计算模型 图2 5 主缆、吊杆及斜拉索编号 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 根据南平跨江大桥的设计图纸，己知吊杆与斜拉索在二期恒载作用下索力 标准值分别为7 5 0 k n 和2 2 5 0 k n ，在节线法的基本假定( 假设相邻吊点之间的 主缆形状为直线) 的基础上，利用节点的力的平衡条件，根据式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 3 ) 得到各段主缆索力值互，见表2 1 。 表2 。1 主缆索力值 主缆编号索力值( k n )主缆编号索力值( k n ) l2 6 0 0 3 3 61 02 7 4 4 8 4 6 22 6 0 8 3 6 3 1 1 2 7 7 1 1 7 8 32 6 17 7 9 61 22 7 9 9 4 0 6 42 6 2 9 4 911 32 8 2 9 4 6 4 52 6 4 3 4 0 71 42 8 6 1 3 3 7 62 6 5 9 4 9 41 5 2 8 9 4 8 7 3 72 6 7 7 7 2 31 6 2 9 3 0 1 2 2 82 6 9 8 0 7l1 7 2 9 6 7 0 7 8 9 2 7 2 0 4 5 7 由于本桥主缆在加劲梁梁端通过散索套分散成1 9 束锚固在边跨横隔梁上， 在次塔柱位置通过散索套分散成1 9 柬次缆锚固于主塔。在成桥状态下，靠近主 塔的散索套处节点应满足力的平衡条件： zc o s a j 一互7c o s o f = 0 i = 1 1 9 zc o s b f 一互7c o s p = 0 j = l 1 9 zc o s c _ i 一互7c o s g = 0 ( 2 - 6 ) 其中口，夕，y 分别为主缆与坐标轴x