悬索桥设计要求及力学特点

悬索索桥桥设设计计要要求求及及力力学学特特点点第一一节节概概述述悬索索桥桥是是跨跨越越能能力力最最强强的的桥桥型型之之一一，，其其雏雏形形三三千千多多年年前前已已在在我我国国出出现现。。十九九世世纪纪未未，，悬悬索索桥桥跨跨径径突突破破300米，，当当时时的的遇遇到到的的问问题题是是活活载载挠挠度度过过大大，，曾曾通通过过增增大大加加劲劲梁梁刚刚度度来来解解决决这这一一问问题题，，主主梁梁高高跨跨比比用用到到1/40左右右。。1888年挠挠度度理理论论诞诞生生，，使使人人们们对对悬悬索索桥桥结结构构的的力力学学特特性性有有了了新新的的认认识识。进入入二二十十世世纪纪后后,由于于材材料料(高强强钢钢丝丝)、施工工方方法法（（AS法（（空空中中编编缆缆法法））和和PWS法）和和计计算算理理论论的的发发展展，，使使悬悬索索桥桥进进入入了了一一个个朝朝低低高高度度主主梁梁、、高高强强度度材材料料和和大大跨跨径径方方向向发发展展的的阶阶段段。。第一一节节概概述述早期期，，结结构构分分析析采采用用线线弹弹性性理理论论(由于于桥桥跨跨小小，，索索自自重重较较轻轻，，结结构构刚刚度度主主要要由由加加劲劲梁梁提提供供；；中期期(1877),随着着跨跨度度的的增增加加，，梁梁的的刚刚度度相相对对降降低低,采用用考考虑虑位位移移影影响响的的“挠度度理理论论”；现代代悬悬索索桥桥分分析析采采用用有有限限位位移移理理论论的的矩矩阵阵位位移移法法。。跨度度不不断断增增大大的的同同时时，，加加劲劲梁梁相相对对刚刚度度不不断断减减小小，，线线性性挠挠度度理理论论引引起起的的误误差差已已不不容容忽忽略略。。因因此此，，基基于于矩矩阵阵位位移移理理论论的的有有限限元元方方法法应应运运而而生生。。总总之之，，应应用用有有限限位位移移理理论论的的矩矩阵阵位位移移法法，，可可综综合合考考虑虑体体系系节节点点位位移移影影响响、、轴轴力力效效应应，，把把悬悬索索桥桥结结构构非非线线性性分分析析方方法法统统一一到到一一般般非非线线性性有有限限元元法法中中，，是是目目前前普普遍遍采采用用的的方方法法。。第一一节节概概述述悬索索桥桥成成桥桥状状态态的的确确定定小跨跨径径悬悬索索桥桥：确确定定桥桥成成状状态态采采用用抛抛物物线线法法。。(由于于主主缆缆自自重重轻轻，，成成桥桥态态主主缆缆近近似似呈呈抛抛物物线线形形)。大跨跨径径悬悬索索桥桥：主缆缆线线型型呈呈多多段段悬悬链链线线组组成成的的索索多多边边形形，，计计算算主主缆缆线线型型主主要要有有非非线线性性循循环环迭迭代代法法和和基基于于成成桥桥状状态态的的反反算算法法。。精确确合合理理地地确确定定悬悬索索桥桥成成桥桥内内力力状状态态与与构构形形；；合理理确确定定悬悬索索桥桥施施工工阶阶段段的的受受力力状状态态与与构构形形，，以以期期在在成成桥桥时时满满足足设设计计要要求求；；精确确分分析析悬悬索索桥桥在在活活载载及及其其它它附附加加荷荷载载作作用用下下的的静静力力响响应应；；。。悬索索桥桥的的设设计计计计算算也也要要根根据据不不同同的的结结构构形形式式、、不不同同的的设设计计阶阶段段、、不不同同的的计计算算内内容容和和要要求求来来选选用用不不同同的的力力学学模模式式和和计计算算理理论论。。设计悬索索桥时,以下几点点是十分分重要的的第二节结结构体体系1、受力体系系主要承重重构件主缆塔锚碇其它构件件加劲梁主索鞍散索鞍吊杆1）组成2）传力路路径主缆是主主要受力力构件，，由高强强钢丝制制备。主主缆两端端被庞大大的锚锭锭固定在在地基上上，中间间被桥塔塔撑起，，高悬于于空中。。主缆、锚锚锭、桥桥塔是悬悬索桥的的受力主主体。加劲梁承承受桥面面系自重重、交通通活载，，通过吊吊索传递递给主缆缆。CableUsethetensionofcablestoholdupaload.Ahumansuspensionbridge力学特点点：索－梁索的竖向向反力与与简支梁梁相同.索不承受受弯矩，，即索中中M＝0，只有轴轴力，全全截面受受拉，这这较之梁梁以受弯弯为主，，能更有有效地发发挥截面面全体材材料的承承载能力力。在竖直荷荷载作用用下，索索会产生生水平反反力，而而简支梁梁中没有有水平反反力的存存在。换换言之，，在竖向向荷载作作用下，，梁只要要求有竖竖向支承承，而索索除竖向向支承外外，两端端还必须须有水平平向的支支承。索－拱索与拱一一样都是是曲线形形结构矢跨比是是一个重重要指标标。当矢矢高f为零时，，支点水水平力将将达到无无穷大，，因此直直索与直直拱是不不能承担担竖向荷荷载的，，必须曲曲线型。。梁的弯弯矩与弯弯曲形状状无关。。索与拱都都存在着着几何非非线性问问题，对对于拱来来说，主主要是稳稳定问题题（P－效应）），而索索是几何何大变形形问题。。索和拱的的刚度问问题都很很重要，，拱的刚刚度要比比索大许许多，对对于拱来来说，足足够的刚刚度主要要保证其其不失稳稳破坏；；对于索索来说，，足够的的刚度主主要是为为了保证证其变形形不要太太大和有有足够的的动力稳稳定性。。3）重力刚刚度巨大的恒恒载提供供了刚度度。原本本柔性的的主缆应应承受巨巨大的自自重，轴轴力恒载载产生的的初应力力刚度，，能抵抗抗较小的的活载产产生的变变形，该该刚度成成为重力刚度度桥梁结构构刚度由由活载作作用下的的挠度来来衡量。。在活载载作用下下，索要要达到新新的平衡衡位置和和索力状状态，恒恒载索力力越大，，活载索索力、变变形增量量就小，，因此，，悬索桥桥的刚度度由初始始悬索拉拉力及形形状决定定，被称称为重力刚度度。由罗勃林林在美国国华盛顿顿桥设计计时提出出，用于于对挠度度理论的的局部修修订。恒载远大大于活载载1、重力刚刚度—拉索自重重引起2、弹性刚刚度—拉索弹性性伸长3、等效刚刚度—合并后第三节计计算理理论1）重力刚刚度2）加劲梁梁在竖向向荷载作作用下的的近似分分析悬索桥加加劲梁先先铰接后后固结的的施工特特点，决决定加劲劲梁在一一期恒载载作用下下没有整整体弯矩矩加劲梁竖竖向荷载载主要指指二期恒恒载和活活载等假定:忽略梁体体剪切变变形、吊吊杆的伸伸缩和倾倾斜变形形对结构构受力的的影响，，将离散散的吊杆杆简化为为一连续续膜。微微小索段段的平衡衡方程为为：在成桥后后竖向荷荷载p(x)作用下，，荷载集集度由q变为qp，外力作作用下主主缆和加加劲梁产产生挠度度，主缆挠挠度由y变为(y+)，主缆水水平拉力力Hq变为(Hp+Hq)，有：(2)以加劲梁梁为研究究对象，，在p(x)作用下加加劲梁上上的竖向向荷载为为：q(x)=p(x)+q－qp加劲梁的的弹性方方程为：：设EI为常数，，将(1)代入(2)整理得：：挠度理论论基本微微分方程程(1)讨论：由于Hp是p(x)的函数，，因此这这一微分分方程是是非线性性的。此此外，方方程中Hq、Hp和均为未知知，求解解时还需需要一个个补充方方程。利用全桥桥主缆长长度变化化的水平平投影为为零这一一边界条条件：或3）线性挠挠度理论论恒载远大大于活载载，只考考虑恒载载索力产产生的重重力刚度度，形成成线性挠挠度理论论。线性叠加加，影响响线加载载。应该指出出：线性性挠度理理论忽略略了竖向向荷载本本身引起起的主缆缆水平力力对加劲劲梁受力力的影响响，这将将使计算算结果绝绝对值增增大。因因而，用用于设计计加劲梁梁是偏安安全的。。4）等代梁梁法式(14-32)与线性挠挠度理论论的平衡衡微分方方程完全全一致。。可见，，悬索桥桥线性挠挠度理论论可以