Part5第16章懸索橋結(jié)構(gòu)計(jì)算理論解析

Part5第16章懸索橋結(jié)構(gòu)計(jì)算理論解析第一頁(yè)，共55頁(yè)。第十四章懸索橋結(jié)構(gòu)計(jì)算理論本章主要內(nèi)容概述懸索橋的近似分析

懸索橋主塔的計(jì)算

懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)的精確計(jì)算

小結(jié)第二頁(yè)，共55頁(yè)。1.概述懸索橋計(jì)算理論的發(fā)展與懸索橋自身的發(fā)展有著密切聯(lián)系

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，梁的剛度相對(duì)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(duì)剛度不斷減小，線性撓度理論引起的誤差已不容忽略應(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三頁(yè)，共55頁(yè)。1.概述(續(xù))懸索橋成橋狀態(tài)的確定

小跨徑懸索橋大跨徑懸索橋第四頁(yè)，共55頁(yè)。1.概述(續(xù))

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)的反算法第五頁(yè)，共55頁(yè)。1.概述(續(xù))跨徑越來(lái)越大，3300m的懸索橋已在規(guī)劃中梁高與跨徑之比越來(lái)越小，從。主纜安全系數(shù)隨跨徑增大而降低,已接近2.0。結(jié)構(gòu)形式多樣化按錨固形式分：地錨（隧道錨和重力式錨）、自錨按主纜形式分：平行主纜、空間主纜、單纜按主塔形式分：?jiǎn)嗡㈦p塔、多塔（多跨）結(jié)構(gòu)整體剛度變小，使結(jié)構(gòu)非線性問(wèn)題、靜力穩(wěn)定問(wèn)題、抗風(fēng)抗震問(wèn)題更加突出，設(shè)計(jì)、施工難度加大，要精心設(shè)計(jì)施工。

縱觀懸索橋尤其是現(xiàn)代懸索橋的發(fā)展過(guò)程，可以看到：第六頁(yè)，共55頁(yè)。1.概述(續(xù))設(shè)計(jì)懸索橋時(shí),以下幾點(diǎn)是十分重要的：精確合理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(lái)選用不同的力學(xué)模式和計(jì)算理論。

第七頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析2.1

懸索橋的受力特征

懸索橋的組成成橋時(shí):由主纜和主塔承受結(jié)構(gòu)自重，加勁梁受力由施工方法決定。成橋后:結(jié)構(gòu)共同承受外荷作用，受力按剛度分配。第八頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))主纜是結(jié)構(gòu)體系中的主要承重構(gòu)件；主塔是懸索橋抵抗豎向荷載的主要承重構(gòu)件；加勁梁是懸索橋保證車(chē)輛行駛、提供結(jié)構(gòu)剛度的二次結(jié)構(gòu)，主要承受彎曲內(nèi)力；吊索是將加勁梁自重、外荷載傳遞到主纜的傳力構(gòu)件，是連系加勁梁和主纜的紐帶。錨碇是錨固主纜的結(jié)構(gòu)，它將主纜中的拉力傳遞給地基懸索橋各部分的作用第九頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))2.2

成橋狀態(tài)的近似計(jì)算法成橋狀態(tài)近似計(jì)算作如下基本假定：主纜為柔性索，不計(jì)其彎曲剛度；加勁梁恒載由主纜承擔(dān)；在主纜吊梁段，主纜、索夾、吊桿和加勁梁自重都等效為橋長(zhǎng)均布的荷載q，在無(wú)梁段，主纜自重沿索長(zhǎng)均勻分布。

什么是成橋狀態(tài)計(jì)算?根據(jù)懸索橋布置的縱斷面線形和控制主纜幾何線型基本點(diǎn)的位置，分析主纜及其它構(gòu)件成橋時(shí)的構(gòu)形、受力狀態(tài)，求出主纜、吊索的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)和施工階段鞍座的偏移量

第十頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))2.2

成橋狀態(tài)的近似計(jì)算法計(jì)算步驟：導(dǎo)出主纜成橋態(tài)的索形、張力以及幾何長(zhǎng)度的計(jì)算公式；扣除加勁梁恒載作用下主纜產(chǎn)生的彈性伸長(zhǎng)量，得到主纜自由懸掛態(tài)的纜長(zhǎng)；在索鞍兩邊無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)不變的情況下，用主纜在空掛狀態(tài)塔頂左、右水平力相等的條件求索鞍的預(yù)偏量；由自由懸掛狀態(tài)下的纜長(zhǎng)扣除主纜自重產(chǎn)生的彈性伸長(zhǎng)，得到主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。以中跨為例，說(shuō)明成橋狀態(tài)的計(jì)算。

第十一頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))2.3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(méi)有整體彎矩加勁梁豎向荷載主要指二期恒載和活載等.如圖14.5所示懸索橋假定:忽略梁體剪切變形、吊桿的伸縮和傾斜變形對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，將離散的吊桿簡(jiǎn)化為一連續(xù)膜。微小索段的平衡方程為：(14-18)

第十二頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))(14-19)

圖14-5懸索橋計(jì)算模型

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)，根據(jù)式(14-18)有：(14-20)

將(14-18)、(14-19)兩式相減得：第十三頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))(14-22)

以加勁梁為研究對(duì)象，在p(x)作用下加勁梁上的豎向荷載為：(14-23)加勁梁的彈性方程為：設(shè)EI為常數(shù)，將(14-22)代入(14-21)整理得：式(14-23)就是撓度理論的基本微分方程。q(x)=p(x)+q－qp

(14-21)

第十四頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))(14-24)

討論：(14-25)

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(zhǎng)度變化的水平投影為零這一邊界條件：式中：L－兩錨碇間的水平距離式(14-25)中第三項(xiàng)進(jìn)行分部積分，并利用x=0和x=L時(shí)=0的邊界條件，有：或

第十五頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))(14-28)

代入式(14-25)整理后得：式中：為線脹系數(shù)；t為溫度變化；ECAC為主纜軸向剛度。(14-27)

(14-26)

第十六頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))

最后，非線性微分方程要通過(guò)(14-23)和(14-27)兩式迭代才能求解，尚達(dá)不到實(shí)用計(jì)算的要求。

針對(duì)大跨徑懸索橋活載遠(yuǎn)比恒載為小的特點(diǎn)，Godard提出了在式(14-23)中只考慮恒載索力對(duì)豎向荷載的抗力，形成了線性撓度理論。此時(shí)線性疊加原理和影響線加載均可應(yīng)用，使計(jì)算得到了簡(jiǎn)化。第十七頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))

李國(guó)豪教授在此基礎(chǔ)上于1941年提出了等代梁法和奇異影響線的概念，揭示了懸索橋受力的本質(zhì)，使撓度理論變?yōu)閷?shí)用計(jì)算成為可能。下面對(duì)等代梁法作一簡(jiǎn)要介紹。

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(duì)加勁梁受力的影響，這將使計(jì)算結(jié)果絕對(duì)值增大。因而，用于設(shè)計(jì)加勁梁是偏安全的第十八頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))2.4水平靜風(fēng)荷載作用下的實(shí)用計(jì)算假定風(fēng)荷載為沿橋跨方向均布作用在懸索橋上的風(fēng)載分別通過(guò)主纜和加勁梁傳到基礎(chǔ)第十九頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))2.4水平靜風(fēng)荷載作用下的計(jì)算風(fēng)荷載主纜與加勁梁之間的傳遞是由吊索完成的，其受力根據(jù)剛度分配?？梢?jiàn)研究靜風(fēng)荷載的計(jì)算問(wèn)題，首先必須研究風(fēng)載在主纜和加勁梁上的分配問(wèn)題。簡(jiǎn)單的計(jì)算方法有均等分配法。圖14-7水平靜風(fēng)荷載作用下的懸索橋

第二十頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))假定橫向風(fēng)荷在加勁梁和主纜間產(chǎn)生的重分配力(實(shí)質(zhì)上就是吊桿沿梁長(zhǎng)每延米的水平分力)為沿梁長(zhǎng)的均布荷載q，索面和梁體在變位時(shí)保持剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，圖14.7所示。于是，加勁梁和主纜跨中的水平位移d和c可寫(xiě)成：式中：c，d分別為索、梁橫向風(fēng)荷集度；l，EI分別為懸索橋跨徑和梁橫向抗彎剛度；H為主索水平拉力。(14-33)

第二十一頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))根據(jù)索面剛性轉(zhuǎn)動(dòng)的假定，有：式中：f，h分別為主纜的矢高，加勁梁形心到吊點(diǎn)距離。由式(14-33)、(14-34)得：將式(14-35)得到的q值代回式(14-33)，就可算出加勁梁和主纜的橫向靜風(fēng)響應(yīng)。(14-35)

(14-34)

第二十二頁(yè)，共55頁(yè)。2.懸索橋的近似分析(續(xù))實(shí)際上風(fēng)的重分配力q并不會(huì)沿梁長(zhǎng)均勻分布，而是梁長(zhǎng)座標(biāo)x的函數(shù)，記為q(x)，索面和梁的位移也不滿足剛性轉(zhuǎn)動(dòng)假定。因此，均等分配法的計(jì)算精度較差。相比之下，彈性分配法就有較高的計(jì)算精度。按照彈性分配法，懸索橋在橫向風(fēng)荷及重分配力q(x)的作用下，主纜和加勁梁的平衡微分方程為：

q(x)是一個(gè)未知荷載，可以根據(jù)梁、塔的位移協(xié)調(diào)條件，通過(guò)迭代計(jì)算求解。(14-36)

第二十三頁(yè)，共55頁(yè)。3.主塔的計(jì)算3.1受力特點(diǎn)懸索橋主塔承受的主要荷載有:直接作用于塔身的自重、風(fēng)荷、地震荷載、溫變荷載；由主纜傳來(lái)的荷載,它一方面改變加勁梁和主纜傳至塔上的豎向荷載，另一方面將在塔頂產(chǎn)生順橋向和橫橋向的水平位移，當(dāng)兩根主索受力不一致時(shí)，主塔還會(huì)受扭。

工程中橋塔的設(shè)計(jì)流程如圖14-8所示，下面結(jié)合設(shè)計(jì)流程逐一介紹主塔在縱向和橫向荷載作用下的靜力計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算。

第二十四頁(yè)，共55頁(yè)。3.主塔的計(jì)算(續(xù))3.2主塔在縱向荷載作用下的實(shí)用計(jì)算縱向荷載是指順橋向的風(fēng)荷載、地震荷載、加勁梁和主纜傳到主塔的活載等。在活載作用下，橋塔將發(fā)生水平位移，由于主塔縱向抗推剛度相對(duì)較小，塔頂水平位移的大小，主要是由主纜重力剛度的水平分量決定，而與塔的抗彎剛度關(guān)系不大?；钶d計(jì)算中常忽略塔的彎曲剛度，先求出主塔水平位移，再將它作為已知條件計(jì)算主塔內(nèi)力。在計(jì)算中，必須考慮兩種加載狀態(tài)：最大豎向荷載與相應(yīng)塔頂位移狀態(tài)；最大塔頂位移與相應(yīng)豎向荷載狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，后一種狀態(tài)可能更為不利。

第二十五頁(yè)，共55頁(yè)。3.主塔的計(jì)算(續(xù))圖14.9為縱向荷載作用下橋塔的計(jì)算模式。塔頂作用著主纜豎向分力p，活載或其它荷載引起的塔頂水平位移、加勁梁傳來(lái)的集中力R，塔身受有塔自重、順橋向風(fēng)載或其它廣義縱向縱向荷載，用帶有幾何非線性的平面桿系程序，可以直接對(duì)塔進(jìn)行分析。為了定性分析，將塔自重集中于塔頂，討論等截面塔在活載作用下的受力情況。x處的彎矩為：式中：F使塔頂位移達(dá)到時(shí)的水平力。對(duì)于給定的懸索橋，通過(guò)纜梁體系分析可以求得p和，這里假定為一已知常量。圖14-9縱向載作用下橋塔的計(jì)算模式

(14-37)

第二十六頁(yè)，共55頁(yè)。3.主塔的計(jì)算(續(xù))由塔的彎曲平衡微分方程：邊界條件：得：

得：

由

(14-43)

(14-42)

(14-38)

(14-44)

第二十七頁(yè)，共55頁(yè)。3.主塔的計(jì)算(續(xù))由式(14-43)可知，塔內(nèi)彎矩主要與分母有關(guān)，當(dāng)EI增大時(shí)，h減小，彎矩就急劇增大，為了經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)塔與塔基，h一定要比/2大。才能將塔內(nèi)彎矩控制在較小的范圍內(nèi)。當(dāng)然，確定h時(shí)也應(yīng)考慮塔的縱向穩(wěn)定性。對(duì)于變截面的主塔在各種荷載作用下的計(jì)算，也可按圖14.9所示力學(xué)模型，用幾何非線性有限元方法進(jìn)行計(jì)算。第二十八頁(yè)，共55頁(yè)。3.主塔的計(jì)算(續(xù))3.3主塔在橫橋向荷載作用下的計(jì)算計(jì)算模式如圖，荷載：*塔頂作用著主纜的豎向分力P*主纜傳來(lái)的橫向水平力Hc*下橫梁上加勁梁傳來(lái)的豎向力Rs和橫向水平力Hs*橫向風(fēng)載w*地震等廣義荷載(y)*主塔自重由于主塔受到主纜傳來(lái)的巨大豎向分力P，因此分析時(shí)仍需用帶有幾何非線性的桿系程序。圖中分析模式中忽略了主纜對(duì)塔的水平約束(非保向力)作用，因此，其結(jié)果是偏安全的。

圖14-10橋塔橫橋向荷載作用下的計(jì)算模式第二十九頁(yè)，共55頁(yè)。3.主塔的計(jì)算(續(xù))3.4主塔在橫橋向荷載作用下的組合主塔是在縱橫橋向荷載共同作用下工作的,其響應(yīng)可以用直接用空間有限元計(jì)算,也可以用上面兩個(gè)平面問(wèn)題來(lái)計(jì)算采用后者計(jì)算,內(nèi)力(應(yīng)力)組合時(shí)必須注意,豎向荷載引起的軸向力不能重復(fù)迭加3.5主塔的穩(wěn)定計(jì)算塔在掛索前和成橋后作用縱向荷載時(shí)都有失穩(wěn)的可能，必須對(duì)這兩種狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。掛索前主塔可看成是一單端固定受自重作用的變截面柱。可將變截面柱問(wèn)題等效成等截面柱問(wèn)題來(lái)計(jì)算。令等效荷載集度為q，等效剛度為EI，根據(jù)Eular穩(wěn)定理論，易得：

第三十頁(yè)，共55頁(yè)。3.主塔的計(jì)算(續(xù))在成橋狀態(tài)下，必須考慮主纜對(duì)塔順橋向失穩(wěn)的約束作用。在計(jì)算中偏安全地將塔自重荷載移到塔頂作為集中荷載，與主纜豎向分力共同作用下，主塔撓度由式(14-43)表示，當(dāng)主塔失穩(wěn)時(shí)，v(x)，因此有：此式與一端簡(jiǎn)支，一端固定的壓桿臨界荷載相一致。(14-47)

(14-46)

(14-45)

h為主塔高度解得：

第三十一頁(yè)，共55頁(yè)。4.懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)的精確計(jì)算計(jì)算思路：確定懸索橋成橋和施工狀態(tài)的關(guān)鍵是確定主纜在成橋時(shí)的線型，也就是計(jì)算主纜與吊索交點(diǎn)位置及主纜與鞍座的切點(diǎn)座標(biāo)。將懸索橋簡(jiǎn)化成圖14.11所示的力學(xué)模型。

圖14-11懸索橋索形力學(xué)模型簡(jiǎn)化圖第三十二頁(yè)，共55頁(yè)。4.懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)

的精確計(jì)算(續(xù))第一步：分析吊索恒載軸力；第二步：計(jì)算主纜平衡位置；第三步：確定主纜與鞍座切點(diǎn)的位置。

通過(guò)研究纜、吊索、梁、塔等構(gòu)件的受力特性，精確計(jì)算懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)用三步分析方法比較合適:第三十三頁(yè)，共55頁(yè)。4.懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)

的精確計(jì)算(續(xù))4.1

成橋狀態(tài)的近似計(jì)算法吊索是連系加勁梁與主纜的紐帶，吊索力可決定加勁梁的內(nèi)力分配，反過(guò)來(lái)，加勁梁的受力狀態(tài)也可確定吊索內(nèi)力。給定加勁梁恒載受力狀態(tài)，就可求出吊索軸力。大部分懸索橋的加勁梁是按先鉸接后固結(jié)的方法施工的，其吊索的恒載軸力可分為吊裝時(shí)塊件自重引起的軸力N1和二期恒載作用下根據(jù)剛度分配到各吊索上的軸力N2。N1是確定的，只要計(jì)算N2。假定主纜為二次拋物線，以一期恒載內(nèi)力為初內(nèi)力，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二期恒載的非線性分析，就能得到N2。同樣矢跨比的懸索橋而言，索形誤差對(duì)結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響較小第三十四頁(yè)，共55頁(yè)。4.2真實(shí)索形的迭代計(jì)算為了尋找主纜變形后在吊索力作用下的平衡索形，將鉸支座設(shè)置在主索鞍、轉(zhuǎn)索鞍的理論交點(diǎn)處，主纜被分割成獨(dú)立的五部分。它們靠支座的左、右邊豎向力和水平力的平衡條件取得聯(lián)系。彎曲剛度忽略不計(jì)，吊索力、索夾自重力都以等效集中力Pi方式作用在其相應(yīng)位置。并注意到計(jì)算的是主纜有應(yīng)力平衡位置，其變形已經(jīng)完成，因此主纜在計(jì)算過(guò)程中不伸長(zhǎng)。圖14-11懸索橋索形力學(xué)模型簡(jiǎn)化圖第三十五頁(yè)，共55頁(yè)。已知：主纜恒載集度q，中跨吊桿間距和矢高f，鞍座上IP點(diǎn)坐標(biāo)，求主纜索形。

公式準(zhǔn)備1：取主纜吊桿間任一段無(wú)伸長(zhǎng)自由懸索，其豎坐標(biāo)為ｙ，向下為正，單位纜長(zhǎng)重為ｑ，任一點(diǎn)處的Lagrange坐標(biāo)為ｓ，相應(yīng)的迪卡爾坐標(biāo)為(ｘ,ｙ)，則任意索自由索段端點(diǎn)力與座標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系為:

(14-48)

(14-49)

4.2真實(shí)索形的迭代計(jì)算(續(xù))第三十六頁(yè)，共55頁(yè)。公式準(zhǔn)備2：吊桿間任一索段都必須滿足式(14－48)、(14－49)，令Vi=V，Hi=H，于是：(14-51)

(14-52)

式中：

li為i號(hào)梁段吊桿間距；hi為i號(hào)梁段主纜吊點(diǎn)高差對(duì)僅有垂直吊桿的情況

(14-50)

4.2真實(shí)索形的迭代計(jì)算(續(xù))第三十七頁(yè)，共55頁(yè)。索形計(jì)算思路：

(14-53)

1）先根據(jù)拋物線假定預(yù)估一個(gè)IP點(diǎn)處的H和V，通過(guò)式(14-61)由計(jì)算出，通過(guò)式(14-62)由計(jì)算。最后，應(yīng)滿足如下幾何邊界條件:2)如果預(yù)估的H，V能使(14－53)式成立，則H、V、和為所求。式中：m,n分別為左鞍座到跨中的吊桿數(shù)和吊索總數(shù)，為兩個(gè)主鞍座IP點(diǎn)的y坐標(biāo)之差。4.2真實(shí)索形的迭代計(jì)算(續(xù))第三十八頁(yè)，共55頁(yè)。(14-54)根據(jù)IP點(diǎn)處實(shí)際的Ｈ和Ｖ，可計(jì)算邊跨主纜的成橋索形；根據(jù)主索鞍、轉(zhuǎn)索鞍的設(shè)計(jì)半徑，可計(jì)算主纜與鞍座的切點(diǎn)座標(biāo)；根據(jù)吊桿在主纜和橋面上的y座標(biāo)，可計(jì)算吊索在成橋態(tài)的長(zhǎng)度。至此，整個(gè)懸吊部分的受力與幾何形態(tài)都被唯一確定。實(shí)際的H，V可通過(guò)影響矩陣法迭代計(jì)算按如下步驟迭代求解：

否則設(shè)誤差向量為：4.2真實(shí)索形的迭代計(jì)算(續(xù))第三十九頁(yè)，共55頁(yè)。4.懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)

的精確計(jì)算(續(xù))4.3懸索橋施工狀態(tài)的計(jì)算主纜各索段無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)掛索初始狀態(tài)吊梁階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)

懸索橋施工狀態(tài)是指從掛主纜開(kāi)始到成橋各階段懸索橋的構(gòu)形和受力狀態(tài)。確定施工狀態(tài)主要解決三方面問(wèn)題：第四十頁(yè)，共55頁(yè)。4.懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)

的精確計(jì)算(續(xù))1)主纜各索段無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)的計(jì)算

y=cosh(cx+c1)+c2

其中：

無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)的計(jì)算必須從成橋合理狀態(tài)的有應(yīng)力索長(zhǎng)反算而得。對(duì)固定于A(0，0)，B(l，h)兩點(diǎn)的自由索，其方程為：

(14-60)(14-59)

(14-58)

(14-61)

＜＜１時(shí)當(dāng)

索長(zhǎng)

第四十一頁(yè)，共55頁(yè)。4.懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)

的精確計(jì)算(續(xù))根據(jù)公式(14-71)和(14-72)可以完成以下計(jì)算：

a）從錨碇到轉(zhuǎn)索鞍索段的索長(zhǎng)。根據(jù)懸鏈線索長(zhǎng)計(jì)算公式可計(jì)算有應(yīng)力索長(zhǎng)，扣除成橋索力引起的伸長(zhǎng)量便是無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)；這一區(qū)段內(nèi)主纜的長(zhǎng)度計(jì)算比較復(fù)雜。因?yàn)橹骼|每一層離開(kāi)轉(zhuǎn)索鞍的離開(kāi)點(diǎn)都是不一樣的。在計(jì)算中先計(jì)算出該索段的中心索長(zhǎng)，再根據(jù)不同層和離開(kāi)點(diǎn)位置對(duì)每一層索長(zhǎng)進(jìn)行修正。b）包裹轉(zhuǎn)索鞍索段的索長(zhǎng)。根據(jù)左、右切點(diǎn)及中心索轉(zhuǎn)索鞍半徑，可計(jì)算索段的有應(yīng)力索長(zhǎng)。根據(jù)成橋態(tài)索段左、右段索的軸力，以及鞍座的實(shí)際摩阻系數(shù)，可以計(jì)算沿鞍座張角變化的索段應(yīng)力，從而可計(jì)算出該索段的伸長(zhǎng)量，有應(yīng)力索長(zhǎng)與伸長(zhǎng)量之差便得該索段無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)。

第四十二頁(yè)，共55頁(yè)。4.懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)

的精確計(jì)算(續(xù))

c）轉(zhuǎn)索鞍到主鞍切點(diǎn)索段索長(zhǎng)該索段索長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)橋跨布置來(lái)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于單聯(lián)吊橋，該段索長(zhǎng)可用懸鏈線索長(zhǎng)計(jì)算公式。根據(jù)轉(zhuǎn)、主索鞍切點(diǎn)座標(biāo)直接計(jì)算而得，扣除應(yīng)力伸長(zhǎng)量便得無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)。對(duì)于三聯(lián)懸索橋，主纜與各吊桿的理論交點(diǎn)均已知，可分段將各吊索間的索段作為懸鏈線，計(jì)算出各段的有應(yīng)力索長(zhǎng)和無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)，累加得到該索段的總索長(zhǎng)和無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)。d）包裹主鞍座索段的索長(zhǎng)，可仿b）進(jìn)行計(jì)算；e）中跨主鞍座兩切點(diǎn)間索長(zhǎng)計(jì)算，可參照c）中三聯(lián)懸索橋的索長(zhǎng)計(jì)算方法計(jì)算。第四十三頁(yè)，共55頁(yè)。4.懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)

的精確計(jì)算(續(xù))2)鞍座基準(zhǔn)回退量及空索合理狀態(tài)

鞍座基準(zhǔn)回退量是指以滿足成橋合理狀態(tài)的各跨主纜無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)空掛于索鞍上，使左、右邊空索水平拉力相等時(shí)索鞍的移動(dòng)量?？账骱侠頎顟B(tài)是指在鞍座具有基準(zhǔn)回退量時(shí)主纜的真實(shí)形狀與受力狀態(tài)。在實(shí)際施工時(shí)，有時(shí)塔頂尺寸不允許鞍座有基準(zhǔn)回退量那么大的偏移，柔性塔往往使塔在施工時(shí)預(yù)拉一水平位移來(lái)實(shí)現(xiàn)。第四十四頁(yè)，共55頁(yè)。4.懸索橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)

的精確計(jì)算(續(xù))3)加勁梁安裝階段合理狀態(tài)的確定加勁梁的安裝步驟是由施工設(shè)計(jì)確定的。要確定梁體上各塊件在每次施工中的確切位置，從幾何上講仍是困難的，為此，可以從成橋合理狀態(tài)開(kāi)始，逆施工過(guò)程進(jìn)行非線性倒退分析，計(jì)算每一施工階段剩余結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。根據(jù)前面討論可知，只要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)、幾何參數(shù)是合理的、施工過(guò)程中不出現(xiàn)人為誤差，從空索合理狀態(tài)開(kāi)始吊梁，則全橋加勁梁安裝完畢，各塊件將相互獨(dú)立，固結(jié)后作用以二期恒載，就可以達(dá)到成橋的合理狀態(tài)。第四十五頁(yè)，共55頁(yè)。首先介紹了懸索橋及其計(jì)算理論的發(fā)展過(guò)程，用框圖形式給出了懸索橋靜力設(shè)計(jì)計(jì)算流程用解析法介紹了懸索橋成橋狀態(tài)以及在面內(nèi)和面外荷載作用下的近似計(jì)算方法以及主塔在縱向和橫向荷載作用下的近似計(jì)算方法根據(jù)幾何非線性理論，用先分析吊索恒載軸力，再求主纜平衡位置，最后確定主纜與鞍座切點(diǎn)位置的三步分析方法導(dǎo)出了計(jì)算懸索橋成橋真實(shí)索形的疊代計(jì)算方法

5.小結(jié)第四十六頁(yè)，共55頁(yè)。以中跨為例，說(shuō)明成橋狀態(tài)的計(jì)算1)中跨主纜索形與張力計(jì)算圖14.3所示，中跨主纜微小單元dx與主纜豎向分力的平衡條件為：(14-2)(14-3)

(14-1)

所以有：

第四十七頁(yè)，共55頁(yè)。1)中跨主纜索形與張力計(jì)算(續(xù))若座標(biāo)系如圖14-3(b)選取，式(14-3)的解為：(14-5)

(14-4)

式中：f為索端連線在跨中到主纜的豎向距離，即矢高；l為跨徑；Hq為主纜水平力式(14-4)是一拋物線方程，用這種方法計(jì)算主纜也稱拋物線法。將式(14-4)代入式(14-3)，得：對(duì)于不吊梁的主纜段，不難導(dǎo)出其索形為懸鏈線，請(qǐng)讀者作為習(xí)題完成。用拋物線法確定的索形是近似的，誤差來(lái)自基本假定3。

第四十八頁(yè)，共55頁(yè)。2)中跨主纜成橋態(tài)和自由懸掛態(tài)的中心索長(zhǎng)計(jì)算根據(jù)中跨索形方程積分，可得成橋態(tài)主纜中心線有應(yīng)力索長(zhǎng)為：(14-13)

(14-11)

將其展開(kāi)為級(jí)數(shù)形式，則：

S=l(1+8/3n2

－32/5n4+......)

其中:n=f/l，為矢跨比；S為索長(zhǎng)。加勁梁自重作用下主纜產(chǎn)生的彈性伸長(zhǎng)量為：

式中：H=ql2/8f，為一、二期恒載引起的主纜近似水平拉力；Ec為主纜彈性模量；Ac為主纜面積。成橋態(tài)纜長(zhǎng)扣除加勁梁自重引起的主纜彈性伸長(zhǎng)量，可得自由懸掛態(tài)的