跨度较大的桥梁为什么做成斜拉桥(物理问题)
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发布时间：2022-04-26 15:26
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时间：2023-02-05 02:36
斜拉桥是由梁、塔、索三部分组成的一种组合体系结构。斜拉桥利用从桥塔上伸出的许多斜拉索作为梁的弹性支撑点，就象多跨连续梁那样工作，使跨距显著减小，这样可以大大减小梁的弯矩。斜拉索对梁的弹性支撑作用只有在拉索始终处于张紧状态时，才能得到充分的发挥，因此在受荷前必须对索进行预张拉。一般说来，斜拉索的支撑对恒载最有效，对车辆载荷次之，对风载最差。而对大跨桥梁结构来说恒载内力所占比重最大，恒载弯矩小了，主梁断面可以小一些，自重减轻，从而增大了桥梁的跨越能力。 斜拉桥主梁建筑高度与桥塔刚度、索型、索距以及索的刚度等密切相关，不像其他体系的桥梁，梁高随跨径的增大成线性的加高。在一般情况下，主梁做成等高的，一方面，可以满足桥下净空，方便船只的通行。就是因为历史上修建桥梁不注意净空，包括武汉长江大桥在内的一些桥梁致使长江的通航吨位减少了一半以上，这不能不说是一个巨大的损失。另一方面，减小了引桥接坡长度，简化了施工，节约了投资。另外，也使得桥梁显得结构轻巧，纤细美观。
借助斜拉索的预拉力，可以对主梁进行内力调整。对于混凝土梁来说，在全桥合龙后进行一次索力调整，可以根据需要调整恒载索力消除由于混凝土收缩及大部分徐变产生的附加内力，使结构在最终状态具有最优的弯矩包络图。 2、 研究对象
我们要研究的斜拉桥是位于湖北省荆州市的荆沙长江公路大桥的南汊通航孔主桥(如图1)，主跨布置成160+300+97米，桥梁全长557米该斜拉桥为双索面漂浮体系斜拉桥结构，42、43号主塔墩设置横向减震限位支座，41号墩设竖向承压支座，44号墩设竖向拉压支座。本桥桥塔为H型结构，混凝土标号C40。42号主塔墩(如图2)H型高塔承台以上塔高124.8米，塔顶标高150.2米(黄海高程，下同)。43号主塔墩H低塔承台以上塔高89.4米，塔顶标高125.2米。
主梁为等高度双肋板式(即型)预应力混凝土(C60混凝土)结构，如图3。桥梁纵轴线处梁高2.465米，主梁顶面设双向2.0%的横坡，即主梁边缘处梁高2.2米。主梁顶面宽26.5米，底面宽27.0米。将南汊通航孔主桥主梁从41号墩位处开始至44墩位处共划分成75个梁段。荆沙长江公路大桥南汊通航孔主桥主梁为高标号C60混凝土，即高强度混凝土。C60混凝土标准强度=42.0MPa、=3.40MPa；设计强度=32.5MPa、=2.65MPa。
采用低松弛镀锌高强度钢丝(直径7毫米，强度级别1570MPa)，热挤黑色聚乙烯(PE)及彩色聚乙烯(PE)索套防护的斜拉索。全桥斜拉索由1217、1517、1877、2117、2537共五种规格组成。南汊通航孔主桥高塔墩(42号塔墩)最长斜拉索为M21(PES7—253)号拉索长188.75米，重15.29吨；最短斜拉索为S01(PES7-187)号斜拉索，长51.73米，重3.10吨。低塔最长斜拉索为M22(PES7-253)号拉索，长134.75米，重10.91吨；最短斜拉索为M36(PES7-187)号拉索，长38.65米，重2.32吨。
本课题用ABAQUS有限元软件完成了全三维仿真，进行了结构体系的静力、动力和钢筋混凝土预应力数值模拟分析。 3、静力学分析
按一次性加载和分段加载两种方式讨论斜拉桥结构的静力学行为。
3.1、 一次性加载
静载荷只包括了桥梁的自重。采用ABAQUS/Standard，桥塔用箱梁单元；拉索用杆单元，拉索的连接用铰接；主梁和桥面板用减缩积分的20节点六面体单元；预应力筋用Rebar单元模拟，其预应力值根据规范进行折减；在边墩底部用杆单元模拟简支边界条件。
从计算的位移情况看来，如图4，桥面体系的最大挠度出现在中跨的第37号梁段上，向下的位移，梁段中心为11.4cm，边缘为9.5cm。这一位移相对本桥的跨度而言是很小的，表明在设计成桥索力之下桥梁接近刚性支撑连续梁状态，设计索力是合理的。
所有拉索中垂度最大者为M21，垂度为69cm，相应的垂跨比为4.0%。这说明了我们用30个拉杆单元模拟一根拉索能提供足够的精确度。图1 荆沙公路大桥南汊通航主桥桥型布置图 整个桥面体系的纵向位移如图5所示，两个边跨均有向中间的位移，其中高塔边最大纵向位移6.0cm ,低塔边最大位移为5.0cm。同时，高低塔也不同程度地向中跨倾斜，位移分别为6.1cm和4.0cm。桥塔的内倾也跟拉索体系的初张力有关，通过加配重，桥面体系的平衡状况改善之后，桥塔的倾斜明显减小，相应的，桥塔的受力状况也将好转。桥面体系的最大压应力出现在第20、23号梁段的主梁下表面，如图6所示，压应力值-15MPa。主梁的材料为C60高标号混凝土，其标准强度MPa， 设计强度MPa，该压应力小于标准强度的一半，满足规范要求。在主梁上表面与拉索连接的位置及预应力筋的锚固点均有明显的应力集中，出现较大的拉压应力，这主要源于我们将连接面简化为单点，拉索及预应力筋对主梁的作用力为集中力。在实际情况下，该位置有锚板将拉索及预应力筋对主梁的作用力转化为分布力并布有密集的钢筋，还有护罩板等措施，因此，不会产生较大的拉压应力。图2 全桥竖向位移分布 同其它很多斜拉桥一样，该斜拉桥的桥面体系自身是很不平衡的，两个边跨共长257m，比中跨长300m短约14%。为了体系的平衡，除了截面形状的变化外，边跨的最末几块桥面梁段配有较大的配重，且由于剪力滞后效应，加于边主梁上的预应力不能有效传递到底板上, 另外由于加于底板本身的预应力较小，使在低塔一侧，几块加有配重的梁的下底板压应力储备通常在－1MPa左右，个别位置仅－0.5MPa。合龙处的主梁上、下表面的应力均在-6MPa左右，由于合龙预应力筋偏于内侧，致使该处中部外侧下缘压应力储备较小，为－2MPa。
从计算得到的索力看来，整个拉索体系的受力是比较均匀的。最大索应力在S14上，大小为607.6MPa，拉索采用的是低松弛镀锌高强度钢丝强度级别1570MPa，因此有约2.5倍的安全裕度。满足规范要求。
3.2 逐段加载
在下面的工作中，我们用逐段加载的方式来模拟施工过程。尽管在分析过程中不能生产单元，但可以通过下面的方式取得同样的效果：在模型定义时生成单元，在第一个分析步开始时让这些单元“死亡”，以后再逐步“激活”它们，形成结构。ABAQUS提供的MODEL CHANGE模块就有这个功能，我们用它来实现逐段加载。在一个分析步中，可以用MODEL CHANGE将模型的一部分移出，在后继的分析中，可以再将它们引入到模型中。我们就是利用了它的这一功能，建立起整个模型，先将拉索和梁段从模型中移去(REMOVE)，再逐个激活，这就模拟了斜拉桥的施工过程。
图3 合龙前桥面体系的竖向位移 4、总结
本文用一次性加载和逐段加载两种方式分析了斜拉桥的静力学行为，并针对ABAQUS提供的两种激活方式进行了讨论。逐段加载可以弥补一次性加载的一些缺点。如果我们能够逐步的调整配重，维持结构的平衡，MODEL CHANGE 可以工作得很好。主要结论如下： 传统的斜拉桥的数值模拟大都采用简单的梁单元模拟桥面系，用Ernst公式等效模拟拉索非线性，建立起简单的框架模型，完成静态或动态的分析。在静态分析中，考虑一次加载或者分几期加恒载求解体系的平衡。这种模型对桥梁的总体受力情况可进行分析，但对桥梁的局部受力分析却*为力，它必然会丢掉很多重要的信息。我们利用功能强大的有限元软件ABAQUS完成模拟。采用20节点的六面体单元模拟桥面体系，大量杆元模拟拉索的行为。我们采用的模型非常接近真实结构体系，而分析结果可以用位移及应力图形以非常直观的形式加以显示。
在斜拉桥成桥过程中，体系的内力有很大的变化，为施工方便，往往还借助临时墩改善结构受力。一次性加载将主要注意力放到了成桥之后的分析中，而根本不能涉及成桥过程中存在的这些问题。现在兴起的分期加载虽在这方面有所努力，但仍旧没有注意成桥的整个过程。我们的施工全过程仿真工作正是弥补了这方面分析的缺陷。运用了ABAQUS提供的MODEL CHANGE功能模块，通过逐步激活模型的方式，再现了斜拉桥的成桥过程。运用两种不同激活方式研究了模型改变过程，并结合实际作出了讨论。两种方式就有自己的不足，但如果初始索力给的合理，二者都能给出满意的结果。
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时间：2023-02-05 03:54
斜拉桥是由梁、塔、索三部分组成的一种组合体系结构。斜拉桥利用从桥塔上伸出的许多斜拉索作为梁的弹性支撑点，就象多跨连续梁那样工作，使跨距显著减小，这样可以大大减小梁的弯矩。斜拉索对梁的弹性支撑作用只有在拉索始终处于张紧状态时，才能得到充分的发挥，因此在受荷前必须对索进行预张拉。一般说来，斜拉索的支撑对恒载最有效，对车辆载荷次之，对风载最差。而对大跨桥梁结构来说恒载内力所占比重最大，恒载弯矩小了，主梁断面可以小一些，自重减轻，从而增大了桥梁的跨越能力。 斜拉桥主梁建筑高度与桥塔刚度、索型、索距以及索的刚度等密切相关，不像其他体系的桥梁，梁高随跨径的增大成线性的加高。在一般情况下，主梁做成等高的，一方面，可以满足桥下净空，方便船只的通行。就是因为历史上修建桥梁不注意净空，包括武汉长江大桥在内的一些桥梁致使长江的通航吨位减少了一半以上，这不能不说是一个巨大的损失。另一方面，减小了引桥接坡长度，简化了施工，节约了投资。另外，也使得桥梁显得结构轻巧，纤细美观。
借助斜拉索的预拉力，可以对主梁进行内力调整。对于混凝土梁来说，在全桥合龙后进行一次索力调整，可以根据需要调整恒载索力消除由于混凝土收缩及大部分徐变产生的附加内力，使结构在最终状态具有最优的弯矩包络图。 2、 研究对象
我们要研究的斜拉桥是位于湖北省荆州市的荆沙长江公路大桥的南汊通航孔主桥(如图1)，主跨布置成160+300+97米，桥梁全长557米该斜拉桥为双索面漂浮体系斜拉桥结构，42、43号主塔墩设置横向减震限位支座，41号墩设竖向承压支座，44号墩设竖向拉压支座。本桥桥塔为H型结构，混凝土标号C40。42号主塔墩(如图2)H型高塔承台以上塔高124.8米，塔顶标高150.2米(黄海高程，下同)。43号主塔墩H低塔承台以上塔高89.4米，塔顶标高125.2米。
主梁为等高度双肋板式(即型)预应力混凝土(C60混凝土)结构，如图3。桥梁纵轴线处梁高2.465米，主梁顶面设双向2.0%的横坡，即主梁边缘处梁高2.2米。主梁顶面宽26.5米，底面宽27.0米。将南汊通航孔主桥主梁从41号墩位处开始至44墩位处共划分成75个梁段。荆沙长江公路大桥南汊通航孔主桥主梁为高标号C60混凝土，即高强度混凝土。C60混凝土标准强度=42.0MPa、=3.40MPa；设计强度=32.5MPa、=2.65MPa。
采用低松弛镀锌高强度钢丝(直径7毫米，强度级别1570MPa)，热挤黑色聚乙烯(PE)及彩色聚乙烯(PE)索套防护的斜拉索。全桥斜拉索由1217、1517、1877、2117、2537共五种规格组成。南汊通航孔主桥高塔墩(42号塔墩)最长斜拉索为M21(PES7—253)号拉索长188.75米，重15.29吨；最短斜拉索为S01(PES7-187)号斜拉索，长51.73米，重3.10吨。低塔最长斜拉索为M22(PES7-253)号拉索，长134.75米，重10.91吨；最短斜拉索为M36(PES7-187)号拉索，长38.65米，重2.32吨。
3、静力学分析
按一次性加载和分段加载两种方式讨论斜拉桥结构的静力学行为。
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时间：2023-02-05 05:29
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时间：2023-02-05 07:20
