斜塔斜拉橋開題報告

1、<p><b>　　畢業(yè)論文任務(wù)書</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文開題報告</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義</p><p>　　斜拉橋又稱斜張橋，是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上

2、的一種橋梁，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。其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。其可使梁體內(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。斜拉橋由索塔、主梁、斜拉索組成。橋承受的主要荷載并非它上面的汽車或者火車，而是其自重，主要 是主梁。以一個索塔為例，索塔的兩側(cè)是對稱的斜拉索，通過斜拉索將索塔主梁連接在一起?，F(xiàn)在假設(shè)索塔兩側(cè)只有兩根斜拉索，左右對稱各一條，這兩根斜拉索受到主梁的重力作用，對索塔產(chǎn)

3、生兩個對稱的沿著斜拉索方向的拉力，根據(jù)受力分析，左邊的力可以分解為水平向向左的一個力和豎直向下的一個力；同樣的右邊的力可以分解為水平向右的一個力和豎直向下的一個力；由于這兩個力是對稱的，所以水平向左和水平向右的兩個力互相抵消了， 最終主梁的重力成為對索塔的豎直向下的兩個力，這樣，力又傳給索塔下面的橋墩了。研究的主要目的是為了清楚斜拉橋在不能的荷載作用下的變形情況，了解受力環(huán)境和受力情況，并提出解決工程實際的建議，對即將來臨的工作有積極的

4、指導意義。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外斜拉橋的發(fā)展歷史和特點</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)外斜拉橋的發(fā)展歷史</p><p>　　現(xiàn)代斜拉橋的發(fā)展,始于1950年以后。早在1784年德國木工呂斯徹(Loscher)就提出過同樣的概念。呂斯徹的方案是一個由附屬于木塔架的木拉條斜拉的術(shù)橋。1821年法國建筑師波耶特(Poyet)提出了使用鋼拉桿從高塔

5、上懸吊的方案。1840年英國人哈特利(Hatley)則提出使用平行排列的拉鏈[2]。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。斜拉橋是由許多直接連接到塔上的鋼纜吊起橋面，斜拉橋由索塔、主梁、斜拉索組成。索塔型式有A型、倒Y型、H型、獨柱，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。第一座現(xiàn)代斜拉橋始建于1955年的瑞典，跨徑為182m。目前世界上建成的最大跨徑的斜拉橋為中華人民共和國的蘇

6、通大橋，主跨徑為1088m,于2008年4月2日試通車。斜拉橋是將梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的橋。它由梁、斜拉索和塔柱三部分組成。斜拉橋是一種自錨式體系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩臺上外，還支承在由塔柱引出的斜拉索上。按梁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。</p><p>　　斜拉橋是我國大跨徑橋梁最流行的橋型之一。目前為止建成或正在施工的斜拉橋共有30余座，僅次于德國、日本，

7、而居世界第三位。而大跨徑混凝土斜拉橋的數(shù)量已居世界第一。50年代中期，瑞典建成第一座現(xiàn)代斜拉橋，40多年來，斜拉橋的發(fā)展，具有強勁勢頭。我國70年代中期開始修建混凝土斜拉橋，改革開放后，我國修建斜拉橋的勢頭一直呈上升趨勢。我國一直以發(fā)展混凝土斜拉橋為主，近幾年我國開始修建鋼與混凝土的混合式斜拉橋，如汕頭礐石大橋，主跨518m；武漢長江第三大橋，主跨618m。鋼箱斜拉橋如南京長江第二大橋南汊橋，主跨628m；武漢軍山長江大橋，主跨460m

8、。前幾年上海建成的南浦（主跨423m）和楊浦（主跨602m）大橋為鋼與混凝土的結(jié)合梁斜拉橋。我國斜拉橋的主梁形式：混凝土以箱式、板式、邊箱中板式；鋼梁以正交異性極鋼箱為主，也有邊箱中板式。</p><p>　　現(xiàn)在已建成的斜拉橋有獨塔、雙塔和三塔式。以鋼筋混凝土塔為主。塔型有H形、倒Y形、A形、鉆石形等。 斜拉索仍以傳統(tǒng)的平行鍍鋅鋼絲、冷鑄錨頭為主。鋼絞線斜拉索目前在汕頭石大橋采用。鋼絞線用于斜拉索，無疑使施工操

9、作簡單化，但外包的工藝還有待研究。 </p><p>　　斜拉橋的鋼索一般采用自錨體系。近年來，開始出現(xiàn)自錨和部分地錨相結(jié)合的斜拉橋，如西班牙的魯納（Luna）橋，主橋440m；我國湖北鄖縣橋，主跨414m。地錨體系把懸索橋的地錨特點融于斜拉橋中，可以使斜拉橋的跨徑布置更能結(jié)合地形條件，靈活多樣，節(jié)省費用。 斜拉橋的施工方法：混凝土斜拉橋主要采用懸臂澆筑和預(yù)制拼裝；鋼箱和混合梁斜位橋的鋼箱采用正交異性板，工廠焊接

10、成段，現(xiàn)場吊裝架設(shè)。鋼箱與鋼箱的連接，一是螺栓，二是全焊，三是栓焊結(jié)合。 </p><p>　　一般說，斜拉橋跨徑300～1000m是合適的，在這一跨徑范圍，斜拉橋與懸索橋相比，斜拉橋有較明顯優(yōu)勢。德國著名橋梁專家F.leonhardt認為，即使跨徑1400m的斜拉橋也比同等跨徑懸索橋的高強鋼絲節(jié)省二分之一，其造價低30％左右。 </p><p>　　我國公路系統(tǒng)從80年中期開始設(shè)計、建造

11、連續(xù)剛構(gòu)橋，至今方興未艾。將來跨徑進一步增大，上部結(jié)構(gòu)也不斷輕型化，預(yù)應(yīng)力類型也會簡化，上部結(jié)構(gòu)連續(xù)長度也將得到發(fā)展。斜拉橋的主梁采用怎樣的變截面也將得到進一步的研究[3]。斜拉橋發(fā)展趨勢：跨徑會超過1000m；結(jié)構(gòu)類型多樣化、輕型化；加強斜拉索防腐保護的研究；注意索力調(diào)整、施工觀測與控制及斜拉橋動力問題的研究。</p><p>　　今后大跨度橋梁發(fā)展趨勢是向更長、更大、更柔的方向發(fā)展，變截面應(yīng)用將更加廣泛。我國

12、未來幾年橋梁建設(shè)的發(fā)展目標是：</p><p>　　(1) 科技水平進入國際先進行列。</p><p>　　(2) 設(shè)計和營建能力達到國際先進水平。</p><p>　　(3) 技術(shù)條件方面不斷完善。</p><p>　　(4) 進一步改善實驗條件，強化數(shù)值模擬實驗室，健康監(jiān)測和振動控制實驗室，橋梁模型結(jié)構(gòu)實驗室的建設(shè)。</p>

13、<p>　　1.2.2 斜拉橋的特點</p><p>　　斜拉橋的主要特點是利用橋塔引出的斜纜索作為梁垮的彈性中間支撐，借以降低梁垮的截面彎矩，減輕梁重，提高梁的跨越能力。當然，斜纜索對梁的這種彈性支撐作用，只有在斜纜索始終處于拉緊狀態(tài)才能得到充分的發(fā)揮。因此必須在承受荷載前對斜拉索進行預(yù)拉。這樣的預(yù)拉還可以減小斜纜索的應(yīng)力變化幅度，提高拉索剛度，從而改善結(jié)構(gòu)的受力狀況，此外，斜纜索的水平分力對主梁

14、的軸向預(yù)施壓力可以增強主梁的抗裂性能，節(jié)約高強度鋼材的用量。斜拉橋是一個有索、塔、梁喪鐘基本結(jié)構(gòu)組成的組合結(jié)構(gòu)。鋼纜，十字梁，主梁和鋼纜塔是斜拉橋的主要結(jié)構(gòu)組成部件[4]。在斜拉橋中。梁和塔是主要承重構(gòu)件，借蘭所組合成整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)梁的支撐方式，其中包括梁與塔或墩的聯(lián)結(jié)方式，組成不同形式的母體結(jié)構(gòu)，但都是借斜纜索將梁以彈性支撐的形式吊掛在塔上，這種中間彈性支撐（斜纜索）增強了梁的剛度，形成了多點彈性支撐的變截面連續(xù)梁、單懸臂梁、T型剛架

15、及連續(xù)剛架。橋承受的主要荷載并非它上面的汽車或者火車，而是其自重，主要是我們腳下的主梁?，F(xiàn)在我們就分析這個： 我們以一個索塔來分析。索塔兩側(cè)是對稱的斜拉索，通過斜拉索將索塔主梁連接在一起?，F(xiàn)在假設(shè)索塔兩側(cè)只有兩根斜拉</p><p>　　1.2.3 國內(nèi)外知名斜拉橋示例：</p><p>　　(1)蘇通大橋[7]1088m，中國，2008年 </p><p>　　

16、如圖1-1所示蘇通大橋位于江蘇省東部的南通市和蘇州（常熟）市之間，是交通部規(guī)劃的黑龍江嘉蔭至福建南平國家重點干線公路跨越長江的重要通道，也是江蘇省公路主骨架網(wǎng)“縱一”——贛榆至吳江高速公路的重要組成部分，是我國建橋史上工程規(guī)模最大、綜合建設(shè)條件最復雜的特大型橋梁工程。建設(shè)蘇通大橋?qū)ν晟茋液徒K省干線公路網(wǎng)、促進區(qū)域均衡發(fā)展以及沿江整體開發(fā)，改善長江安全航運條件、緩解過江交通壓力、保證航運安全等具有十分重要的意義。蘇通大橋工程起于通啟高

17、速公路的小?；ネ⒔唬K于蘇嘉杭高速公路董浜互通立交。路線全長32.4km，主要由北岸接線工程、跨江大橋工程和南岸接線工程三部分組成。</p><p><b>　　圖1-1 蘇通大橋</b></p><p>　　(2)香港昂船洲大橋[8]1018m，中國香港，2009年</p><p>　　2009年12月20日上午7時，世界上最長的斜拉橋之一

18、的香港昂船洲大橋正式通車。如圖1-2所示昂船洲大橋位于香港，是全球第二長的雙塔斜拉橋。大橋主跨長1018m，連引道全長為1596m。是本港首座位處市區(qū)環(huán)境的長跨距吊橋，在香港島和九龍半島都可以望到這座雄偉的建設(shè)。大橋?qū)儆?號干線的一部份，跨越藍巴勒海峽，將葵涌和青衣島的8號和9號貨柜碼頭連接起來。昂船洲大橋離海面高度73.5m，而橋塔高度則為290m，兩者都比青馬大橋為高。橋面為三線雙程分隔快速公路。而昂船洲大橋于2003年1月開始動工

19、興建，耗資27.6億港元。香港政府把修建世界最長斜拉橋的合同給了Media-Hitachi-Yokogawa-HsinChong合資公司，合同金額高達48億港元（合6.16億美元）。這座大橋名為“昂船洲大橋”，設(shè)計者是OveArup合伙事務(wù)所，主要跨度長1018m，超過了世界上最長的同類斜拉橋日本的多多羅大橋（890m），直到被蘇通大橋超越。</p><p>　　圖1-2香港昂船洲大橋</p>&l

20、t;p>　　(3)多多羅大橋[9]890m，日本，1999年 </p><p>　　如圖1-3所示多多羅大橋是位于日本瀨戶內(nèi)海的斜拉橋，連接廣島縣的生口島及愛媛縣的大三島之間。大橋于1999年竣工，同年5月1日啟用，最高橋塔224m鋼塔，主跨長890m，是當時世界上最長的斜拉橋，連引道全長為1480m，四線行車，并設(shè)行人及自行車專用通道，屬于日本國道317號的一部分。其世界最長斜拉橋和最高橋塔的紀錄被200

21、8年建成通車的中國蘇通長江公路大橋（蘇通大橋）打破，蘇通大橋跨徑1088m，混凝土橋塔高300.4m。 </p><p><b>　　圖1-3多多羅大橋</b></p><p>　　1.2.4 斜拉橋的施工特點</p><p>　　一座斜拉橋的建造成功，要求設(shè)計和施工工程師密切合作， 共同把設(shè)計意圖和要求變?yōu)楝F(xiàn)實。為方便施工，設(shè)計工程師應(yīng)樂于

22、修改自己的設(shè)計。為使設(shè)計圖變?yōu)閷嶋H的結(jié)構(gòu)物，施工工程師應(yīng)能正確理解設(shè)計意圖，并盡可能完全按照設(shè)計的要求，采用科學的方法進行施工，確保工程高質(zhì)量。斜拉橋的施工方法是變化的 多種多樣的。不同的施工方法會使同一結(jié)構(gòu)的斜拉橋的內(nèi)力分布不同，應(yīng)根據(jù)具體情況和條件認真研究比選，正確地決定。斜拉橋是一種高次超靜定橋跨結(jié)構(gòu)，對荷載與變形的變化很敏感。斜拉橋的加勁主梁不僅承受粱內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋張拉后產(chǎn)生的內(nèi)施預(yù)應(yīng)力，而且承受由高強度鋼纜索拉力的水平分力形成的外

23、施預(yù)應(yīng)力。斜拉橋的施工過程是一個結(jié)構(gòu)體系多次轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)內(nèi)力反復疊加、多次重分布的過程。斜拉橋建造的基本特點是：結(jié)構(gòu)的制造、安裝方法、進度、質(zhì)量、施工荷載及環(huán)境的變化都會影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。因此必須正確地選擇施工方案、方法、進行精確的施工計算，合理安排施工進度。按照設(shè)計的要求精確測量和精心施工，在施工全過程中認真控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài)，強化施工質(zhì)量管理，認真搞好質(zhì)量監(jiān)督和檢查，嚴格控制施工誤差等，使斜拉橋在竣工時的內(nèi)力和變形盡可能地符

24、合設(shè)計的</p><p><b>　　1.3 研究方法</b></p><p>　　1.3.1 研究采用的基本方法</p><p>　　斜塔斜拉橋在國內(nèi)斜拉橋中十分常見，而且橋梁工程的主要研究方法是應(yīng)用有限單元法。有限元法是將連續(xù)體離散化的一種近似方法，其理論基礎(chǔ)是變分原理，連續(xù)體部分與分片插值，即首先找到欲求解的數(shù)學物理問題用變分表示，寫

25、出其總能量表達式，然后將問題的定能區(qū)域劃分成有限個三角形或四邊形的集合，在每個單元體上選擇有限個結(jié)點，并在每個結(jié)點上選定有限個待求的廣義結(jié)點位移，然后選定結(jié)點廣義位移為參數(shù)，近似地插值求出整個單元上的連續(xù)位移，進而將插值位移代入能量表達式，運用變分原理得到以廣義結(jié)點位移為未知量的離散化有限元方程，求解有限元方程，得到每個結(jié)點上的廣義結(jié)點位移，再在每個單元上使用結(jié)點廣義位移插值求得各種欲求物理量，例如位移、應(yīng)變、應(yīng)力等[11-12]。對于

26、大跨斜拉橋而言，除了需要較準確地了解其靜力特性外，還要進一步弄清其動力特性。而對斜拉橋進行動力特性分析，首先需要建立斜拉橋的動力特性有限元分析模型。在斜拉橋的動力特性有限元分析模型中影響分析精度的主要因素包括結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量和邊界條件三個方面，因此對它們的模擬應(yīng)盡量和實際結(jié)構(gòu)相符[13]。</p><p>　　1.3.2 有限元軟件ANSYS工程應(yīng)用</p><p>　　ANSYS軟件是集

27、結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于土木工程、交通、水利、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、國防工業(yè)、電子、造船、生物醫(yī)學、地礦和日用家電等一般工業(yè)及科學研究[14-15]。　　軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學分

28、析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。</p><p>　　用戶的指令可以通過鼠標點擊

29、菜單項選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會在.LOG文件中列出，打開輸出窗口可以看到.LOG文件的內(nèi)容。如果軟件運行過程中出現(xiàn)問題，查看.LOG文件中的命令流及其錯誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問題的根源。.LOG 文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個批處理文件中，在以后進行同樣工作時，由ANSYS自動讀入并執(zhí)行，這是ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在進行某些重復性較高的工作時，能有效地提高工作速度

30、。</p><p>　　結(jié)構(gòu)分析的定義：結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)這個術(shù)語是一個廣義的概念，它包括土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁和建筑物；汽車結(jié)構(gòu)，如車身骨架；海洋結(jié)構(gòu)，如船舶結(jié)構(gòu)；航空結(jié)構(gòu)，如飛機機身等；同時還包括機械零部件，如活塞，傳動軸等等。     在ANSYS產(chǎn)品家族中有七種結(jié)構(gòu)分析的類型。結(jié)構(gòu)分析中計算得出的基本未知量(節(jié)點自由度)是位移，其他

31、的一些未知量，如應(yīng)變，應(yīng)力以及反力都可通過節(jié)點位移導出。     靜力分析---用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等。靜力分析包括線性和非線性分析。而非線性分析涉及塑性，應(yīng)力剛化，大變形，大應(yīng)變，超彈性，接觸面和蠕變。      模態(tài)分析---用于計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)。     諧波分析---用于確

32、定結(jié)構(gòu)在隨時間正弦變化的載荷作用下的響應(yīng)。     瞬態(tài)動力分析---用于計算結(jié)構(gòu)在隨時間任意變化的載荷作用下的響應(yīng)，并且可計及上述提到的靜力分析中所有的非線性性質(zhì)。     譜分析---是模態(tài)分析的應(yīng)用拓廣，用于計算由于響應(yīng)譜或PSD輸入(隨機振動)引起的應(yīng)力和應(yīng)變。     曲屈分析---用于計算曲屈載

33、荷和確定</p><p>　　1.3.3 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　本文對雙斜塔斜拉橋應(yīng)用ANAYS軟件計算分析目的是，直觀地顯示了主橋在各種載荷組合下的應(yīng)力曲線。了解實際工程中斜塔斜拉橋的類型、分類及其應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)受力更加合理，為設(shè)計和施工提供建議。</p><p>　　本課題主要開展以下研究內(nèi)容：</p><p>　　(1)

34、選用合理的有限元單元類型結(jié)構(gòu)各部分建立實體模型，以用于有限元軟件ANSYS對結(jié)構(gòu)進行受力和變形分析。本文采用命令流建模，結(jié)點分網(wǎng)。</p><p>　　有限元分析的最終目的是還原一個實際工程系統(tǒng)的數(shù)學行為特征，即分析必須針對一個物理原型準確的數(shù)學模型。廣義上講，模型包括所有節(jié)點、單元、材料屬性、實常數(shù)、邊界條件以及其他用來表現(xiàn)這個物理系統(tǒng)的特征[16]。在ANSYS術(shù)語中,模型生成一般狹義地指用節(jié)點和單元表示的空

35、間體域及與實際系統(tǒng)連接的生成過程。命令流是ANSYS高級應(yīng)用的基礎(chǔ)，它是一系列逐行解釋性的編程語言的集合，可以直接復制到ANSYS命令窗口運行。它可用任何ASCII文件的編輯軟件生成，如Windows平臺的記事本、寫字板等。命令流與GUI(圖形界面)操作一樣，能夠完成ANSYS所有的分析過程[17]。</p><p>　　(2)斜塔斜拉橋的設(shè)計與載荷類型緊密相關(guān)。在構(gòu)建模型完成之后，需要對斜拉橋模型分別進行靜力和

36、動力模型分析，施加荷載，以充分的了解研究橋梁的受力特性。</p><p>　　本文將一個連續(xù)介質(zhì)體的問題近似地離散為由適當選取的有限個單元、有限個結(jié)點連接起來的集合體加以分析，用主梁的一些重要截面的彎矩作為控制條件，首先簡化工程問題，抽象模型，確定定解數(shù)據(jù)，然后根據(jù)待分析問題的數(shù)學力學模型和有限元軟件的功能，輸入待分析問題的定解數(shù)據(jù)，并進行有限元剖分，形成分析問題的有限元模型；使用選定的有限元軟件進行分析。主要包

37、括單元分析，約束處理，求解，計算結(jié)果的后處理。</p><p>　　由于橋梁知識比較匱乏和時間的的原因，在對斜拉橋設(shè)計中沒有能夠全面考慮影響撓度和應(yīng)力應(yīng)變的各種因素。比如混凝土收縮、徐變特性對橋梁優(yōu)化的影響。同時，也沒有對鋼纜構(gòu)件進行有區(qū)別的預(yù)張拉。另外，由于在結(jié)構(gòu)分析時沒有考慮縱橫向合力和梁的扭轉(zhuǎn)，以及計算中采用等效剛度帶來的誤差，所以計算結(jié)果雖滿足工程要求，但計算的精度有待于進一步提高。</p>