（模式识别与智能系统专业论文）多塔斜拉桥合理索力优化设计研究.pdf

合肥工业大学 f f f f f i f f f f f f f f f f | | f f f i | f f | i y 18 8 6 0 7 8 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 t 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 席： 委员： 导师： 涕乐j 二 专 、合目巴i 业大学教授 镐一 独创件声明 本人声明所呈交的学位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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目巴工些太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签字： 签字魄驯年纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金e 巴工业太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期：2 科1 年铂矽日 导师签名： 2 磋 签字日期刈年婶月刁日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：产、西变涓期叼勘象蝴连瑰话：膨占6 驴j 7 7 吵 通讯地址： 邮编： 嘶 多塔斜拉桥合理索力优化设计研究 。摘要 斜拉桥作为一种以塔、主梁和拉索组成的组合体系结构，一向以其跨越能 力大、外形美观和结构受力合理而备受工程界的青睐。多塔斜拉桥拉索力对主 梁、索塔受力有很大影响，而拉索索力又具有可调性。如何确定斜拉桥合理索 力，使其处于合理的受力状态成为多塔斜拉桥设计的关键。文章以马鞍山长江 公路大桥为工程背景，在总结国内外学者研究成果的基础上，对多塔斜拉桥合 理索力优化方法等问题进行了研究，借助m i d a s c i v i l 专业软件建立全桥空间有 限元模型进行索力优化计算，并就何种优化方法更适合用来确定该桥合理成桥 索力和合理施工阶段索力的问题进行了探讨。对确定斜拉桥合理成桥索力的几 种常用方法进行了详细的介绍和比较，指出了各种方法的优缺点及其适用范围。 分别使用弯曲能量最小法、影响矩阵法和综合法对该桥进行一次落架成桥的索 力优化计算分析，结果表明，综合法作为该桥进行合理索力优化的确定比较理 想。还介绍了合理施工状态的确定方法和施工阶段初始张拉索力的确定方法， 提出的用正装迭代改进法确定合理施工阶段索力，可以将其他方法出现倒拆和 正装计算不闭合的现象降至最低。将得出的该组合理施工初张拉索力代入模型 进行计算分析，结果表明，施工阶段和成桥使用阶段受力合理，说明可以将正 装迭代改进法运用到多塔斜拉桥施工阶段索力优化的计算中，该研究对多塔斜 拉桥施工过程的监控可起到一定的理论指导作用。 关键词：多塔斜拉桥合理成桥索力合理施工阶段索力索力优化调索 o p t i m a ld e s i g no fr e a s o n a b l ec a b l ef o r c e o fm u l t i - t o w e rc a b l e - s t a y e db r i d g e a b s t r a c t a sak i n do ff l e x i b l es t r u c t u r ew i t h1 a r g es p a n n i n gc a p a c i t y , b e a u t i f u l a p p e a r a n c ea n dr e a s o n a b l ef o r c es t r u c t u r e c a b l e s t a y e db r i d g ei sh i g h l yf a v o r e db y e n g i n e e r i n gc i r c l e s i na d d i t i o nt ot h eq u a l i t yo fa d j u s t a b i l i t yi ni t s e l f t h ec a b l eo f m u l t i t o w e rc a b l e s t a y e db r i d g eh a sag r e a ti n f l u e n e eo nt h ef o r c eo ft h em a i nb e a m a n dt h em a i nt o w e r t h e r e f o r ，h o wt or e a s o n a b l yd e t e r m i n et h ec a b l ef o r c et om a k e o p t i m a lt h ei n t e r n a lf o r c eo ft h ec a b l e s t a y e db r i d g ei st h ek e yt ot h ed e s i g no ft h e m u l t i - t o w e rc a b l e s t a y e d b a s e do nt h ee x c e l l e n ta c h i e v e m e n t sa th o m ea n da b r o a d s c h o l a r s ，t h ec a s es t u d yo nt h ey a n g t z er i v e rb r i d g eo fm a a ns h a nr o a d ，t h i sp a p e r i sat e n t a t i v es t u d yo nt h eo p t i m u mm e t h o d so fm u l t i t o w e rc a b l e s t a y e d m i d a s c i v i l ，al a r g e s c a l ef e ms o f t w a r e ，h e l p sb u i l du pf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ew h o l e b r i d g e m o r e o v e r ，t h ep a p e rt r i e st of i n do u tt h eo p t i m a lm e t h o dw h i c hi sm o r e s u i t a b l et ob eu s e dt od e t e r m i n et h er e a s o n a b l ef i n a lc a b l ef o r c ea n dr a t i o n a lc a b l e f o r c eo fc o n s t r u c t i o np h a s e i tm a i n l yd i v i d e si n t ot w op a r t s t h ef i r s tp a r td e a l sw i t ht h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o n st ot h ec o m m o nm e t h o d s t h a ti su s e dt od e t e r m i n et h er e a s o n a b l ef i n a lc a b l ef o r c eo fc a b l e s t a y e db r i d g e a n dt h ec o m p a r i s o n so ft h e s em e t h o d s i t p o i n t s o u tt h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so ft h e i ra p p l i c a b l es c o p e s t h e n i t a n a l y s e s t h ec a b l ef o r c e o p t i m i z a t i o no ft h i sb r i d g ew h i c hi so f ft h es h e l fa sab r i d g es u c c e s s f u l l yw i t h b e n d i n ge n e r g ym i n i m i z a t i o n ，i n f l u e n c em a t r i xm e t h o da n dc o m p r e h e n s i v e r e s u l t s s h o wt h a tt h ec o m p r e h e n s i v em e t h o di sm o r ei d e a lt ob eu s e dt od e t e r m i n ea r e a s o n a b l e o p t i m i z a t i o nc a b l ef o r c e t h e s e c o n dp a r ti n t r o d u c e st h ew a y st o d e t e r m i n et h er e a s o n a b l es t a t eo fc o n s t r u c t i o na n dt h ei n i t i a lc a b l e f o r c eu n d e r c o n s t r u c t i o n i ta l s o p u t s f o r w a r daf o r w a r d i t e r a t i o n i m p r o v e dm e t h o d t o d e t e r m i n er a t i o n a lc a b l ef o r c e u n d e rc o n s t r u c t i o n i nt h i sw a y ，t h e r ei sas l i mc h a n c e t h a tt h ep h e n o m e n o no fn o c l o s e db e t w e e nf o r w a r d i t e r a t i o na n dr e v e r s e c a l c u l a t i o na p p e a r sw h e no t h e rw a y sa r eu s e d t h e ni tc o m e st oc a l c u l a t ，i o na n d a n a l y s i so ft h ek n o w ng r o u po ft h ei n i t i a lc o n s t r u c t i o np h a s eo fc a b l ef o r c ed r a w n i n t ot h em o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef o r c eo fc o n s t r u c t i o np h a s ea n du s ep h a s e o fb r i d g ea r er e a s o n a b l e a n dt h ef o r w a r d i t e r a t i o ni m p r o v e dm e t h o dc a nb e a p p l i e dt o c a l c u l a t i o no ft h ec a b l ef o r c eu n d e rc o n s t r u c t i o no fm u l t i t o w e r c a b l e s t a y e db r i d g e ，w h i c hi st h o u g h tt ob eat h e o r e t i c a lg u i d eo nt h em o n i t o r i n go f m u l t i t o w e rc a b l e s t a y e db r i d g eu n d e rc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：m u l t i - - t o w e rc a b l e - s t a y e db r i d g e ；r e a s o n a b l ef i n a lc a b l ef o r c e ；r a t i o n a l c a b l ef o r c eo fc o n s t r u c t i o np h a s e ：c a b l ef o r c eo p t i m i z a t i o n ：c a b l ea d j u s t m e n t 致谢 幸福的时光总是短暂，时间在不经意间已来到了2 0 11 _ 年，在这一年我将 挥手告别母校的老师和同学们结束我多年的求学生涯，踏上新的征程。回首在 学校求学奋斗的日子，有老师的循循善诱、有同学的欢声笑语、有不眠的延迟 教室、有成功的喜悦当然也有失败的黯然。在青春激扬的菁菁校园中留下许多 美好的回忆，纵然有很多的不舍和牵挂，但为了美好的明天，我将再次扬帆起 航! 本论文是在尊敬的导师汪莲副教授精心指导和无微不至关怀下完成的，从 论文构思开题、资料收集和数据处理到论文的撰写、修改和最终成稿，每一环 节无一都凝聚了汪老师的教诲和心血。在攻读硕士学位近三年的时间里，汪老 师不仅在学习上给予我悉心的指导和鼓励，还在生活上给予我莫大的帮助和深 切的关怀。汪老师渊博的学识、开拓创新的精神、严谨治学的态度、诲人不倦 的学者风范、宽容豁达的胸怀、善解人意的风尚、平易近人的作风和乐观的人 生态度都给予我莫大的教诲和启迪，这将成为鞭策我一生的宝贵精神财富。值 此论文完成之际，我谨向汪老师及其家人致以崇高的敬意和由衷的感谢! 在论文撰写过程中，得到了杜世界、梅应华师兄的指导和帮助，在此向他 表示真诚的谢意。感谢同门江沛华、陈大江、杜建文以及师兄弟姐妹们一路走 来的的帮助、支持和鼓励，尤其是在我撰写论文过程中给予的关心和无私的帮 助。感谢0 8 级研2 2 班的所有同学们，你们的参与点亮了我研究生的学习生活。 感谢合肥工业大学土木与水利工程学院的领导和老师，你们孜孜不倦教育 态度和热忱的服务管理工作为我研究生的求学经历创造了条件、奠定了基础! 最后，我要深深感谢我的最亲爱的家人，衷心感谢家人对我一如既往爱护 和培养，尤其是在学业上的默默支持和鼓励。今日我谨以此文送给我最亲爱的 家人，向我的家人表达我最深切的敬意和永远的爱。 衷心感谢在我学习、工作和成长过程中所有关心和帮助过我的老师、亲人、 同学和朋友们。 难忘母校，永铭师恩! 作者：覃丹 2 0 11 年3 月2 5 日 第一章绪论 目录 l 1 1 弓l 言! ”1 1 2 斜拉桥结构体系的发展史1 1 2 1国外斜拉桥的发展”1 1 2 2国内斜拉桥的发展”3 1 2 3多塔斜拉桥的发展“4 1 3 多塔斜拉桥合理索力优化的研究意义“5 1 4 本论文的工程背景和主要研究工作”5 1 4 1工程背景”5 1 4 2主要研究工作一6 第二章斜拉桥索力的确定及优化 7 2 1 斜拉桥合理成桥状态的确定7 2 2 合理成桥索力确定的方法及概述7 2 2 1合理成桥索力确定的方法7 2 2 2合理成桥索力确定方法的比较1 6 2 3 合理施工状态和初始张拉索力确定的方法”1 7 2 3 1概j 苤“1 7 2 3 2斜拉索初始张拉力的确定1 9 2 4 斜拉桥合理索力优化理论2 1 第三章实际工程计算模型的建立 o q 0 0 0 0 02 4 3 1 工程概况、2 4 3 1 1总体布置2 4 3 1 2设计技术标准及规范2 4 3 1 3构造设计2 5 3 1 4主要材料及参数2 8 3 2 结构空间有限元模型的建立2 9 3 2 1有限元计算的基本步骤2 9 3 2 2空间有限元仿真分析2 9 3 2 3全桥空间模型的建立3 0 3 2 4全桥优化模型的建立3 5 第四章优化计算结果及分析 4 0 4 1 合理成桥索力优化计算结果4 0 4 1 1弯曲能量最小法4 0 4 1 2影响矩阵法4 4 4 1 3综合法4 8 4 1 4三种方法优化计算结果对比分析5 2 4 2 施工阶段索力优化计算结果5 5 第五章结论与展望 7 0 5 1 结论”7 0 5 2 展望7 l 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文 7 2 7 5 插图清单 图1 1 桥型方案总体布置图6 图2 1 原结构图8 图2 2 基本结构图：一8 图2 3 杆系结构单元，的受力图式1 1 图2 4 正装迭代改进法框图2 0 图3 1 桥型总体布置图( 单位：e m ) o 2 4 图3 。2 主梁横断面图( 单位：c m ) “2 5 图3 3 中塔和边塔结构布置图2 7 图3 4 斜拉索布置图“2 8 图3 5 全桥几何m i d a s 模型示意图3 1 图4 1 弯曲能量最小法优化后的索力( k n ) 4 0 图4 2 弯曲能量最小法优化后主梁弯矩( k n m ) 4 1 图4 3 弯曲能量最小法优化后边塔弯矩( k n m ) 4 1 图4 4 弯曲能量最小法优化后中塔弯矩( k n m ) 4 1 图4 5 弯曲能量最小法优化后主梁上缘应力( 单位：m p a ) ”4 2 图4 6 弯曲能量最小法优化后主梁下缘应力( 单位gm p a ) 4 2 图4 7 弯曲能量最小法优化后中塔最大应力( 单位：m p a ) 4 2 图4 8 弯曲能量最小法优化后边塔最大应力( m p a ) 4 3 图4 9 弯曲能量最小法优化后左边塔位移( m m ) 4 3 图4 1 0 弯曲能量最小法优化后右边塔位移( i n m ) 4 3 图4 1 1 影响矩阵法优化后的索力( k n ) ”4 4 图4 1 2 影响矩阵法优化后主梁弯矩( k n m ) 4 5 图4 1 3 影响矩阵法优化后边塔弯矩( k n m ) 一4 5 图4 1 4 影响矩阵法优化后中塔弯矩( k n m ) 4 5 图4 1 5 影响矩阵法优化后主梁上缘应力( 单位：m p a ) 4 6 图4 1 6 影响矩阵法优化后主梁下缘应力( 单位：m p a ) 4 6 图4 1 7 影响矩阵法优化后中塔最大应力( 单位：m p a ) 4 6 图4 1 8 影响矩阵法优化后边塔最大应力( 单位：m p a ) 4 7 图4 1 9 影响矩阵法优化后左边塔位移( 1 功 1 1 ) ”4 7 图4 2 0 影响矩阵法优化后右边塔位移( m m ) 4 7 图4 2 1 综合法优化后的索力( k n ) 4 9 图4 2 2 综合法优化后主梁弯矩( k n m ) 4 9 图4 2 3 综合法优化后边塔弯矩( k n m ) 4 9 图4 2 4 综合法优化后中塔弯矩( k n m ) 5 0 图4 2 5 综合法优化后主梁上缘应力( 单位：m p a ) 5 0 图4 2 6 综合法优化后主梁下缘应力( 单位：m p a ) 5 0 图4 2 7 综合法优化后中塔最大应力( 单位：m p a ) 5 1 图4 2 8 综合法优化后边塔最大应力( 单位：m p a ) 5 1 图4 2 9 综合法优化后左边塔位移( m m ) 5 1 图4 3 0 综合法优化后右边塔位移( m m ) 5 2 图4 31 三种方法优化后的索力对比表5 4 图4 3 2 张拉c 1 、a 1 和b 1 拉索后主梁弯矩( k n m ) 5 6 图4 3 3 边跨合拢前最大悬臂阶段主梁弯矩( k n m ) 5 7 图4 3 4 边跨合拢阶段主梁弯矩( k n 锄) 5 7 图4 3 5 中跨合拢前最大悬臂阶段主梁弯矩( 1 斟m ) 5 7 图4 3 6 中跨合拢阶段主梁弯矩( k n m ) 5 8 图4 3 7 张拉c 1 、a 1 和b 1 拉索后主梁上缘应力( 单位：m p a ) 5 8 图4 3 8 张拉c 1 、a 1 和b 1 拉索后主梁下缘应力( 单位：m p a ) 5 8 图4 3 9 边跨合拢前最大悬臂阶段主梁上缘应力( 单位：m p a ) 5 9 图4 4 0 边跨合拢前最大悬臂阶段主梁下缘应力( 单位：m p a ) 5 9 图4 4 1 边跨合拢主梁上缘应力( 单位：m p a ) 5 9 图4 4 2 边跨合拢主梁下缘应力( 单位：m p a ) 6 0 图4 4 3 中跨合拢前最大悬臂阶段主梁上缘应力( 单位：m p a ) 6 0 图4 4 4 中跨合拢前最大悬臂阶段主梁下缘应力( 单位：m p a ) 6 0 图4 - 4 5 中跨合拢主梁上缘应力( 单位：m p a ) 6 1 图4 4 6 中跨合拢主梁下缘应力( 单位：m p a ) 6 1 图4 4 7 标准组合主梁上缘应力包络图( 单位：m p a ) 6 4 图4 4 8 标准组合主梁下缘应力包络图( 单位：m p a ) 6 5 图4 4 9 标准组合边塔最大应力包络图( 单位：m p a ) 6 5 图4 5 0 标准组合中塔最大应力包络图( 单位：m p a ) 6 5 图4 5 1 主梁承载能力极限状态弯矩包络图( k n m ) 6 6 图4 5 2 主梁承载能力极限状态轴力包络图( k n ) “6 6 图4 5 3 主梁承载能力极限状态剪力包络图( k n ) 6 6 图4 5 4 边塔横桥向承载能力极限状态弯矩包络图( k n m ) 6 7 图4 5 5 边塔顺桥向承载能力极限状态弯矩包络图( k n m ) 6 7 图4 5 6 边塔承载能力极限状态轴力包络图( k n ) 6 8 图4 5 7 边塔承载能力极限状态剪力包络图( 1 洲) 6 8 图4 5 8 中塔横桥向承载能力极限状态弯矩包络图( 1 甜m ) 6 8 图4 5 9 中塔顺桥向承载能力极限状态弯矩包络图( k n m ) 6 9 图4 6 0 中塔承载能力极限状态轴力包络图( k n ) 一6 9 图4 6 1 中塔承载能力极限状态剪力包络图( k n ) 6 9 表格清单 表1 1 已建成斜拉桥主梁高跨比一览表2 表1 - 2 中国部分有代表性的斜拉桥一览表4 表1 3 目前国内外已建成的部分多塔斜拉桥一览表5 表3 1 主梁截面特性表”3 1 表3 2 中塔截面特性3 3 表3 3 边塔截面特性3 4 表3 4 斜拉索规格和截面特性3 4 表3 5 马桥右汊主桥施工步骤”3 5 表4 1 三种方法优化后的索力对比表( 单位：k n ) “5 3 表4 2 斜拉索初始张拉力和成桥索力5 5 表4 3 使用阶段拉索应力及安全系数一览表6 2 表4 - 4 使用阶段拉索最大、最小应力及应力幅一览表6 3 第一章绪论 1 1引言 一 斜拉桥是一种古老而又年轻的桥型结构。斜拉桥设计构思可以追溯到1 7 世纪，由于受限于当时的科学技术水平，在之后很长的时间里都没有得到更大 的发展。自1 9 5 6 年瑞典建成的第一座现代斜拉桥( s t r o e m s u n d 桥) 以来，重 新开启了斜拉桥设计和施工建造的新纪元。由于斜拉桥跨越能力大、结构性能 好、施工简便、易于检修、外型美观，更由于现代斜拉桥拉索采用高强钢丝， 使其比其他形式的桥梁更能经济合理地修建大跨度桥，所以近6 0 年来斜拉桥桥 型结构设计方案备受广大桥梁设计师们的青睐【o j 。目前，随着跨江、跨海工程 的逐渐增多，由于受通航净空要求和海峡水域较宽，多塔斜拉桥作为一种新的 跨越方案被提出来了。和一般的斜拉桥相比，用它来跨越通航净空大和水域宽 的江河、海峡都是非常合适的。由于多塔斜拉桥的结构体系具有跨越能力大方 面的优势以及在跨江、跨海工程中的应用前景广阔，有必要对其结构各部分受 力进行深入的研究川_ i 。对多塔斜拉桥进行合理索力优化研究以及对结构性能 的研究是很有必要的。 1 2 斜拉桥结构体系的发展史 1 2 1国外斜拉桥的发展 斜拉桥最初的构想是起源于1 7 世纪的意大利威尼斯，当时桥梁设计师 v e r a n t i u s 曾尝试用几根斜拉铁链来修建桥，他的这个方案可视为斜拉桥的起源。 在接下来的两三个世纪里，v e r a n t i u s 的设想引起了其他国家的工程师们的重视， 并引进到实际建造工程之中。但由于受当时设计理念、科学技术水平和材料性 能的限制，早期设计建造的几座斜拉桥都发生了倒塌。当时的技术文献都认为 超载是引起这些倒塌事故的主要原因，导致斜拉桥在很长一段时间里得不到工 程界的重视，因此发展极为缓慢巾j 。 直到1 9 3 8 年，德国的工程师f d i s c h i n g e r 再次认识到斜拉桥这种桥型结构 体系的优越性并重新对其进行了新的设计研究和改进。在不懈的努力和反复的 研中，终于19 5 5 年第二次世界大战之后，迪辛格尔在瑞典与西德的德马格 ( d e m a g ) 公司合作，建成了当时世界上主跨径1 8 2 6 m 的第一座现代斜拉桥一 一斯特罗姆松德钢梁斜拉桥，开启了现代斜拉桥的新纪元u j 。此后，各种结构 形式和材料类型的斜拉桥得到了很大发展，尤其是随着计算机技术的高速发展， 桥梁结构分析计算水平得到很大提高，使得空间分析、非线性计算以及动力计 算等很多难题得以顺利解决l o j 。 斜拉桥技术的发展经历的四个时代j 。 ( 1 ) 第一代斜拉桥：稀索体系 斜拉桥刚出现的时候，斜拉索布置得比较少，例如s t r o e m s u n d 桥，跨径 18 2 6 m ，每塔只布置两对索，主梁上索距到3 5 m 。当时有些时间，有如意大利 m r a n d i 教授设计的多孔混凝土斜拉桥，虽然混凝土梁较重，但每塔只设置了一 对索。而布置少量索缺点是梁的无支撑长度很长，梁的高度须做得很高，同时 仅有的几对索，索力很大，以及索在塔梁上锚固点应力集中的问题严重。在后 来一段时间的设计中，逐步增加索的数量，但塔梁上的的索距还保持在 1 5 m - 2 0 m 之间，这就是被认为第一代的斜拉桥：稀索体系。 ( 2 ) 第二代斜拉桥：密索体系 f i n s t e r w a l d 设计师在1 9 7 2 年，将德国h t o m b e r g 和f l e o n h a r d 两位专家倡 导的将拉索加密的意愿成功运用到法兰克福h o c h s t 化工厂的m e i n 河桥的设计 中1 1 1 1 。该桥主跨为1 4 8 3 2 m ，独塔结构，共有1 3 对索，梁上索距第一次减小 到1 0 m 以下为6 3 m 。密索的主要优点十分显著： 可降低梁高、减轻梁重、相应可减少拉索的用量、降低墩台和基础工程 旦 里； 简化斜拉索锚固装置，消除锚固点应力集中现象； 按索距( 或一半索距) 布置悬臂施工节段，能全面采用悬臂施工工艺， 无需支架； 加强了整体结构的抗风稳定性。 人们把这种构造称作为第二代斜拉桥结构：密索体系。 ( 3 ) 第三代斜拉桥：主梁柔薄化 拉索加密以后，主梁支撑间距和索距都减小了，主梁高度自然可以降低， 人们常把梁高和跨径之比作为一个指标来反应主梁的柔度。第一座现代斜拉桥 s t r o e m s u n d 桥的高跨比为1 5 6 ，在稀索时代这个比例很少做的1 1 0 0 以下，而 在密索时代这个比例减小了很多，梁高的减小，对于降低混凝土梁恒载的意义 很显著。主梁越柔薄，越能吸收后期成桥活载引起的弯矩，因此又对薄板式主 梁的进一步发展有重要指导意义【l 。已有的型式见表l l 所示。 表1 - 1 已建成斜拉桥主梁高跨比一览表 编号桥名建成年主跨( m )梁高跨径 1 挪威( h e l g e l a n d ) 1 9 9 l4 2 5 1 3 5 4 2 加拿大( a l r t ) 1 9 9 l3 4 01 3 0 6 3 法国 1 9 9 21 5 1 81 1 4 7 4 玻利维亚( s a n a l a r o s a ) 1 9 9 41 3 1 0 61 1 4 6 美国 5 ( e a s t f o r kw h i t er i v e r ) 1 9 9 9 1 9 71 1 6 4 6 希腊( e v r i p o s ) 1 9 9 92 1 51 4 7 8 2 ( 4 ) 斜拉桥发展的第四时代：向大跨径和特大跨径进军 斜拉桥诞生初期，人们认为它只适合于2 5 0 5 0 0 之间的经济桥型结构，而 这段跨径的桥型的空白也正好被填补了。因为一般认为，2 5 0 m 以下的选择梁式 桥( 连续梁桥和连续刚构) 较为经济，5 0 0 m 以上的选择悬索桥较为经济合理。 在这将近3 0 年的时间里，斜拉桥在世界范围广泛修建的过程中，其结构设计水 平得到了提高，施工工艺也越来越成熟，工程造价愈发合理，其设计方案不仅 在5 0 1 0 0 m 小跨径桥在某些桥位条件下合理适用，而且还在1 0 0 0 m 以上大跨 径的桥型方案比选中也颇具竞争力l i 引。结果在近1 0 多年来，1 9 9 1 - 2 0 0 0 年， 斜拉桥跨径从5 0 0 m 向1 0 0 0 m 跃进，而其中最具有里划时代意义的为1 9 9 3 年， 上海的杨浦大桥，主跨6 0 2 m ；1 9 9 4 年，法国的n o r m a n d i e 桥，主跨8 5 6 m ；1 9 9 9 年，日本的多多罗桥，主跨8 9 0 m ；而2 0 0 0 年香港昂船洲桥，其设计方案已经 在通过两次的国际竞标优选决定为主跨1 0 1 8 m 斜拉桥，决定于2 0 0 4 年开工， 2 0 0 7 年竣工；2 0 0 8 年，江苏的苏通大桥( 1 0 8 0 m ) l l w ； 与此同时，世界许多著名的专家，比如德国f l o o n h a r d t ，法国的j m u l l e r ， 丹麦的j g i m s i n g 等都对特大跨径的斜拉桥进行了大量的实际设计和理论研究 工作，对一些世界重大的桥位都提出了特大跨径斜拉桥的设计方案，这些设计 方案概念都十分具有创新和开拓精神的l o j 。 1 2 2国内斜拉桥的发展 和国外斜拉桥的建设相比，我国斜拉桥建设的起步晚了将近2 0 年。随着我 国经济的发展，对公路建设加大了投入，尤其是特大桥梁建设的迅速发展，经 过多年的发展，我国已成为世界上建造斜拉桥最多的国家，我国占到全世界跨 径最大排名前5 0 斜拉桥一大半l i 。 我国首座斜拉桥一一四川云阳桥建于1 9 7 5 年，其结构形式为双塔双索面混 凝土斜拉桥，跨径为7 6 m ；上海南浦大桥开创了我国4 0 0 m 以上大跨径斜拉桥 的先河，建成于19 9 1 年；建成于l9 9 3 年的杨浦大桥主跨径达到6 0 2 m ，是当时 世界上主跨径排名第一的斜拉桥。而目前在建的香港昂船洲大桥和苏通长江大 桥的主跨径均超过1 0 0 0 m ，这标志着我国斜拉桥的建设水平已步入世界先进行 列1 4 ho 。，我国一些有代表性的斜拉桥如表l - 2 所示。 3 表1 2 中国部分有代表性的斜拉桥一览表 1 2 3多塔斜拉桥的发展 世界经济水平日益向前发展，修建大跨径的桥梁己然成为形势所需。而当 修建跨越宽阔的河流湖泊或海湾海峡的桥梁时，单塔或双塔斜拉桥的跨越能力 难以满足更为苛刻的通航要求，同时受地形等其他条件制约时，有可能就要修 建多塔斜拉桥弘引。 由r i c a r d om o r a n d i 设计的，最早的多塔斜拉桥建于1 9 6 2 年委内瑞拉的马 拉开波( m a r a e a i b o ) 桥，主跨为2 3 5 m 。受限于当时理论研究和技术水平，导致多 塔斜拉桥的发展较缓慢，一直到上世纪9 0 年代初，这类桥型结构才被人们重新 重视，接着就设计建成了一些多塔斜拉桥，随后我国也修建了岳阳洞庭湖大桥、 香港汀九大桥以及我国台北淡水河桥等多座多塔斜拉桥l l lj 。同时，今后随着计 算理论研究和施工技术的不断进步，多塔斜拉桥将得到新的发展l ，j - l l z 。现将国 内外目前已建成的部分多塔斜拉桥列入表1 - 3 。 另外我国还有一批在建的多塔斜拉桥，如浙江的嘉绍大桥，六座高塔斜拉 桥面，全长6 7 2 k m ，桥面宽4 0 5 m ，全长2 6 8 0 m 的主航道，桥建成以后将是世 界上最长最宽的多塔斜拉桥( 现在最长的多塔斜拉桥是法国的米约高桥，全桥长 2 4 6 k m ) 。武汉的二七长江大桥，主跨径为6 1 6 m ，它将成为世界上最大跨度的 三塔斜拉桥。马鞍山长江公路大桥，主跨2 6 0 m ，全长7 6 0 m ，为三塔拱塔斜拉 桥。目前，我国斜拉桥的设计施工正处在高速发展的时期。 4 表1 3 目前国内外已建成的部分多塔斜拉桥一览表 1 3多塔斜拉桥合理索力优化的研究意义 斜拉桥是由主梁、索塔和拉索三种基本承载构件一起共同组成的组合体系 桥梁，它属于高次超静定柔性结构体系，受力情况是比较复杂的。其中的拉索 是斜拉桥的重要组成部分，它承担了斜拉桥在施工和成桥运营阶段的相当大部 分荷载【7 1 。拉索的张拉对整个斜拉桥的受力有很大影响，其中包括对其他未张 拉索的索力的影响，因此索力的微小变化对主梁和索塔的受力情况有着明显的 影响，可说成是“牵一索则动全桥”。同时随着斜拉桥设计跨径的不断增大和对 柔性梁的大量应用，拉索对塔身和梁体内力及应力的影响就越来越显著，成为 了控制全桥受力情况的关键。如何合理确定拉索索力，使斜拉桥处于合理受力 状态已备受工程界的关注。目前，在建设跨越宽阔的河流湖泊或海湾及海峡的 桥梁时，因多跨斜拉桥具有大跨径连续跨越的结构特点，使其在工程方案比选 中颇具竞争力。 我国正在规划的几个大型跨海工程的可行性研究中，都提出了多塔斜拉桥 方案。和独塔或者双塔斜拉桥相比，多塔斜拉桥整体刚度更小，受力性能更复 杂，如采用三塔斜拉桥，由于没有端锚索有效限制中塔顶的水平位移，将使全 桥结构柔性更大，在荷载作用下会使主梁和索塔中产生很大的弯矩和位移。因 此，对多塔斜拉桥进行合理索力优化研究以及对结构性能的研究对于我国大型 桥梁的发展具有十分重要的意义【z 2 。 1 4 本论文的工程背景和主要研究工作 1 4 1工程背景 本课题基于实际科研项目一一安徽省马鞍山长江公路大桥右汊三塔四跨拱 5 塔斜拉桥关键技术项目的研究。 马鞍山长江公路大桥是安徽段上第四座长江大桥，该桥位于安徽省东部， 连接马鞍山和巢湖两市。 右汊三塔四跨拱塔斜拉桥跨径布置为( 3 8 + 8 2 + 2 2 6 0 + 8 2 + 3 8 ) m ，全长 7 6 0 m ，为三塔双索面半漂浮体系斜拉桥。主塔采用的是椭圆拱形混凝土桥塔， 主梁采用的是预应力混凝土分离式双箱断面，下部采用的是承台及群桩基础。 通航孔是由主桥为2 2 6 0 m 的主跨来跨越，大桥南岸大堤是由边跨来跨越，全 桥满足通航净空和净宽要求，同时也满足防洪通道和大堤通车净空的要求。马 鞍山长江公路大桥的桥型方案总体布置图( 见图1 - 1 ) 。 l 嬲聊旅昀捌魏缈8 2 0 03 8 0 0 l 么；默么簇众么醛 il撬f 。+ 一币 一 ll i 一一二，；j f l 翻翰翻雕t 1 县 一m m l 睡一一： 。 l j f_ h g 】材* 同硝e j 0 - * 一 1 4 2 主要研究工作 图1 - 1 桥型方案总体布置图 围绕多塔斜拉桥合理成桥索力和合理施工索力的确定，归纳出以下几个方 面的问题： ( 1 ) 结合多塔斜拉桥结构本身的特点以及分析理论，就如何定义其合理的成 桥状态和合理施工状态，以及如何确定这两个合理状态的问题进行研究； ( 2 ) 以马鞍山长江公路大桥的工程研究背景，分析国内外确定多塔斜拉桥合 理索力及优化方法已有的研究成果及发展情况； ( 3 ) 分析现有各种索力确定和优化方法，在探求如何避免现有优化方法中存 在的不足的基础上，对现有方法进行改进； ( 4 ) 结合马鞍山长江公路大桥实际科研项目，借助m i d a s c i v i l 有限元软件， 使用弯曲能量最小法、影响矩阵法和综合法分别对该桥进行索力优化计算分析， 结果表明，综合法作为该桥进行合理索力优化的确定比较理想。用正装迭代改 进法对该桥施工阶段索力进行优化计算，结果表明，该方法对多塔斜拉桥施工 过程的监控可起到一定的理论指导作用。 6 第二章斜拉桥索力的确定及优化 2 1 ：斜拉桥合理成桥状态的确定 一个合理成桥状态的确定，是在斜拉桥的设计中通常要优先要考虑的，接 着以已确定的合理成桥状态作为目标并根据已经拟定的施工工序步骤来确定合 理的施工状态。斜拉桥合理的成桥状态包括受力状态合理和线形状态合理两个 方面。其中受力状态合理，如在所恒载作用下，主塔和主梁的弯曲应变能最小， 斜拉索索力分布均匀等；线形状态合理主要是指主梁成桥线形要合理。确定合 理成桥状态的方法很多，比如刚性支承连续梁法、内力平衡法、最小弯曲应变 能法和弯矩最小法等。采用不同的方法会得到不尽相同的成桥受力状态。并且 往往单一的采用某种方法均很难得到理想的结果，因此可以考虑采用多种方法 综