懸索橋設(shè)計(jì)要求及力學(xué)特點(diǎn)

1、懸索橋設(shè)計(jì)要求及力學(xué)特點(diǎn)第一節(jié) 概述懸索橋是跨越能力最強(qiáng)的橋型之一，其雛形三千多年前已在我國出現(xiàn)。十九世紀(jì)未，懸索橋跨徑突破300米，當(dāng)時(shí)的遇到的問題是活載撓度過大，曾通過增大加勁梁剛度來解決這一問題，主梁高跨比用到1/40左右。1888年撓度理論誕生，使人們對懸索橋結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性有了新的認(rèn)識(shí)。進(jìn)入二十世紀(jì)后,由于材料(高強(qiáng)鋼絲)、施工方法（AS法（空中編纜法）和PWS法）和計(jì)算理論的發(fā)展，使懸索橋進(jìn)入了一個(gè)朝低高度主梁、高強(qiáng)度材料和大跨徑方向發(fā)展的階段。第一節(jié) 概述早期，結(jié)構(gòu)分析采用線彈性理論(由于橋跨小，索自重較輕，結(jié)構(gòu)剛度主要由加勁梁提供 ；中期(1877), 隨著跨度的增加，梁的剛度相

2、對降低,采用考慮位移影響的“撓度理論” ；現(xiàn)代懸索橋分析采用有限位移理論的矩陣位移法。 跨度不斷增大的同時(shí)，加勁梁相對剛度不斷減小，線性撓度理論引起的誤差已不容忽略。因此，基于矩陣位移理論的有限元方法應(yīng)運(yùn)而生?？傊瑧?yīng)用有限位移理論的矩陣位移法，可綜合考慮體系節(jié)點(diǎn)位移影響、軸力效應(yīng)，把懸索橋結(jié)構(gòu)非線性分析方法統(tǒng)一到一般非線性有限元法中，是目前普遍采用的方法。 第一節(jié) 概述懸索橋成橋狀態(tài)的確定 小跨徑懸索橋：確定橋成狀態(tài)采用拋物線法。(由于主纜自重輕，成橋態(tài)主纜近似呈拋物線形)。大跨徑懸索橋：主纜線型呈多段懸鏈線組成的索多邊形，計(jì)算主纜線型主要有非線性循環(huán)迭代法和基于成橋狀態(tài)的反算法。 精確合理

3、地確定懸索橋成橋內(nèi)力狀態(tài)與構(gòu)形；合理確定懸索橋施工階段的受力狀態(tài)與構(gòu)形，以期在成橋時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求；精確分析懸索橋在活載及其它附加荷載作用下的靜力響應(yīng)；。懸索橋的設(shè)計(jì)計(jì)算也要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式、不同的設(shè)計(jì)階段、不同的計(jì)算內(nèi)容和要求來選用不同的力學(xué)模式和計(jì)算理論。 設(shè)計(jì)懸索橋時(shí),以下幾點(diǎn)是十分重要的第二節(jié) 結(jié)構(gòu)體系1、受力體系主要承重構(gòu)件主纜塔錨碇其它構(gòu)件加勁梁主索鞍散索鞍吊桿1）組成2）傳力路徑主纜是主要受力構(gòu)件，由高強(qiáng)鋼絲制備。主纜兩端被龐大的錨錠固定在地基上，中間被橋塔撐起，高懸于空中。主纜、錨錠、橋塔是懸索橋的受力主體。加勁梁承受橋面系自重、交通活載，通過吊索傳遞給主纜。CableUse

4、the tension of cables to hold up a load. A human suspension bridge力學(xué)特點(diǎn)：索梁索的豎向反力與簡支梁相同.索不承受彎矩，即索中M0，只有軸力，全截面受拉，這較之梁以受彎為主，能更有效地發(fā)揮截面全體材料的承載能力。在豎直荷載作用下，索會(huì)產(chǎn)生水平反力，而簡支梁中沒有水平反力的存在。換言之，在豎向荷載作用下，梁只要求有豎向支承，而索除豎向支承外，兩端還必須有水平向的支承。索拱索與拱一樣都是曲線形結(jié)構(gòu)矢跨比是一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)矢高f為零時(shí)，支點(diǎn)水平力將達(dá)到無窮大，因此直索與直拱是不能承擔(dān)豎向荷載的，必須曲線型。梁的彎矩與彎曲形狀無關(guān)。索與

5、拱都存在著幾何非線性問題，對于拱來說，主要是穩(wěn)定問題（P效應(yīng)），而索是幾何大變形問題。索和拱的剛度問題都很重要，拱的剛度要比索大許多，對于拱來說，足夠的剛度主要保證其不失穩(wěn)破壞；對于索來說，足夠的剛度主要是為了保證其變形不要太大和有足夠的動(dòng)力穩(wěn)定性。3）重力剛度 巨大的恒載提供了剛度。原本柔性的主纜應(yīng)承受巨大的自重，軸力恒載產(chǎn)生的初應(yīng)力剛度，能抵抗較小的活載產(chǎn)生的變形，該剛度成為重力剛度橋梁結(jié)構(gòu)剛度由活載作用下的撓度來衡量。在活載作用下，索要達(dá)到新的平衡位置和索力狀態(tài)，恒載索力越大，活載索力、變形增量就小，因此，懸索橋的剛度由初始懸索拉力及形狀決定，被稱為重力剛度。由羅勃林在美國華盛頓橋設(shè)計(jì)時(shí)

6、提出，用于對撓度理論的局部修訂。恒載遠(yuǎn)大于活載1、重力剛度拉索自重引起2、彈性剛度拉索彈性伸長3、等效剛度合并后第三節(jié) 計(jì)算理論1）重力剛度2）加勁梁在豎向荷載作用下的近似分析 懸索橋加勁梁先鉸接后固結(jié)的施工特點(diǎn)，決定加勁梁在一期恒載作用下沒有整體彎矩加勁梁豎向荷載主要指二期恒載和活載等假定:忽略梁體剪切變形、吊桿的伸縮和傾斜變形對結(jié)構(gòu)受力的影響，將離散的吊桿簡化為一連續(xù)膜。微小索段的平衡方程為：在成橋后豎向荷載p(x)作用下，荷載集度由q變?yōu)閝p，外力作用下主纜和加勁梁產(chǎn)生撓度，主纜撓度由y變?yōu)?y+)，主纜水平拉力Hq變?yōu)?Hp+Hq)，有： (2)以加勁梁為研究對象，在p(x)作用下加勁

7、梁上的豎向荷載為：q(x)=p(x)+qqp 加勁梁的彈性方程為：設(shè)EI為常數(shù)，將(1)代入(2)整理得：撓度理論基本微分方程(1)討論：由于Hp是p(x)的函數(shù)，因此這一微分方程是非線性的。此外，方程中Hq、Hp和均為未知，求解時(shí)還需要一個(gè)補(bǔ)充方程。 利用全橋主纜長度變化的水平投影為零這一邊界條件：或 3）線性撓度理論恒載遠(yuǎn)大于活載，只考慮恒載索力產(chǎn)生的重力剛度，形成線性撓度理論。線性疊加，影響線加載。應(yīng)該指出：線性撓度理論忽略了豎向荷載本身引起的主纜水平力對加勁梁受力的影響，這將使計(jì)算結(jié)果絕對值增大。因而，用于設(shè)計(jì)加勁梁是偏安全的。4）等代梁法式(14-32)與線性撓度理論的平衡微分方程完全一致。可見，懸索橋線性撓度理論可以用等效梁來進(jìn)行計(jì)算，這種方法稱為等代梁法。應(yīng)該指出：線性撓度理論忽略了豎