悬索桥工程实例建模与分析要点.pdf
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1、悬索桥工程实例建模与分析要点艾贻学01悬索桥结构概述02悬索桥建模助手说明03悬索桥精确平衡分析04悬索桥施工阶段分析与后处理目录CONTENTS01悬索桥结构概述悬索桥结构特点特特 点点构造简单、受力明确跨径愈大,材料耗费愈少、造价愈低结构较柔,变形较大悬索桥结构构成 索 塔:支撑主缆,恒载、活载等通过索塔传递到基础;以受压为主。主 缆:最重要受力构件,通过吊索和索夹承受活载、加劲梁(桥面系)恒载等;受拉的柔性索。吊 索:将活载、加劲梁(桥面系)恒载通过索夹传递到主缆;上索夹,下加劲梁。加劲梁:承受桥面荷载,提供竖向刚度,防止桥面发生过大变形(挠曲、扭曲);受弯、受压构件。锚 碇:锚固主缆,
2、同时将主缆的拉力传递给地基,有重力式、隧道式。地锚式悬索桥地锚式悬索桥悬索桥结构构成 地锚式悬索桥主要结构体系地锚式悬索桥地锚式悬索桥悬索桥结构构成自锚式悬索桥自锚式悬索桥 其余结构一致,无锚碇,适用于地质不良、不允许修建大体积锚碇的情况;主缆直接锚固在边跨的加劲梁上;主缆直接锚固在边跨的加劲梁上;加劲梁除了承受竖向弯曲外,还要承受主缆传递的水平力;加劲梁除了承受竖向弯曲外,还要承受主缆传递的水平力;施工方法一般采用先梁后缆先梁后缆的方式,与地锚式先缆后梁先缆后梁的方式相反;悬索桥结构构成 自锚式悬索桥主要结构体系地锚式悬索桥地锚式悬索桥单塔双跨双塔三跨悬索桥结构静力分析内容及方法 精确合理精
3、确合理地确定悬索桥恒载成桥状态下的恒载成桥状态下的构形与内力构形与内力;精确精确分析悬索桥运营阶段运营阶段在活载及其它附加荷载作用下的静力响应活载及其它附加荷载作用下的静力响应;合理合理确定悬索桥各施工阶段各施工阶段的受力状态与构形,以期达到恒载成桥时恒载成桥时的设计要求;悬索桥结构分析方法公路悬索桥设计规范公路悬索桥设计规范JTG/T D65-05-2015什么是重力刚度更多关于重力刚度的内容可参考公众号“李乔说桥”更多关于重力刚度的内容可参考公众号“李乔说桥”-重力刚度的本重力刚度的本质质恒载活载稳定的线形重力刚度恒载 活载抵抗竖向变形的刚度贡献上,主缆主缆重力刚度远大于加劲梁加劲梁的抗弯
4、刚度。柔性的主缆在承受恒载作用下而产生的抵抗活载变形的刚度。刚度悬索桥结构分析内容初始平衡状态分析初始平衡状态分析成桥状态处于结构自重(一期恒载、二期恒载一期恒载、二期恒载)平衡主缆坐标和张力节线法/数值分析法成桥阶段分析成桥阶段分析成桥状态下的结构静力和动力反应在初始平衡状态的基础上,计算其他荷载(移动荷载、风载等)的效应线性有限元位移分析施工阶段分析施工阶段分析倒拆/正装分析明显的非线性分析02悬索桥建模助手说明初始平衡状态悬索桥在加劲梁的自重作用下产生变形后达到平衡状态,在满足设计要求的垂度和跨径条件下,计算主缆的坐标和张力主缆的坐标和张力的分析,一般为初始平衡状态。节 线 法已知条件:
5、加劲梁、吊杆自重等主缆坐标和张力基本假定:(1)吊杆仅在横桥向倾斜,垂直于顺桥向。(2)主缆张力主缆张力沿沿顺桥向分量顺桥向分量在在全跨相同全跨相同。(3)假定主缆与吊杆的连接节点之间的索呈直线形状,而非抛物线形状。(4)主缆两端坐标主缆两端坐标、跨中垂度跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置吊杆在加劲梁上的吊点位置、加劲加劲梁的恒荷载梁的恒荷载等为已知量。张力和恒载平衡节线法竖向平面内的平衡方程-主缆中的每个节点主缆中的每个节点力的平衡方程力的平衡方程假定假定2水平分力水平分力节线法竖直分力竖直分力(结合上图)两个方程代入后zi和Tx即我们要求的主缆坐标和张力水平分量N-1个方程节线法第第N个方
6、程个方程摘自论文“水文缆道垂度简易计算公式推导”摘自论文“水文缆道垂度简易计算公式推导”最低点竖坐标端点坐标垂 度节线法水平面内的平衡方程-主缆中的每个节点主缆中的每个节点力的平衡方程力的平衡方程N-1个方程,但是从竖向平面的方程求解中Tx已解出,且两端的y坐标也是已知的,故此方程可解!主缆节点坐标主缆节点坐标主缆、吊杆无应力长度主缆、吊杆无应力长度两个平面内的力的平衡方程几何方程主梁、主塔的内力状态?主梁、主塔的内力状态?节线法手算过程详细手算过程参考EXCEL文件:“节线法手算过程”悬索桥建模助手说明吊杆在加劲梁上吊杆在加劲梁上的吊点位置的吊点位置主缆两端坐标主缆两端坐标跨中垂度跨中垂度加
7、劲梁的恒荷载加劲梁的恒荷载力的平衡方程生成重力刚度悬索桥建模助手说明吊杆长度及自重吊杆长度及自重主缆水平张力主缆水平张力Tx悬索桥建模助手说明主缆、吊杆无应力长度主缆、吊杆无应力长度主缆、吊杆几何刚度主缆、吊杆几何刚度悬索桥建模助手验证平衡产生了产生了3.97m的位移,为什么没有出现平衡状态?的位移,为什么没有出现平衡状态?悬索桥建模助手验证平衡1、建模助手生成模型过程中,出现了两个步骤,如左图所示;2、迭代过程结束后,提示运行完成,但是后处理结果没法查看,显示也在前处理模式下;3、运行生成的模型,并没有出现0位移的平衡状态;悬索桥建模助手验证平衡步骤一:节线法步骤一:内力结果步骤一:位移结果
8、悬索桥建模助手验证平衡步骤二:内力结果步骤二:位移结果步骤二:悬链线索单元精确分析为什么没有达到零位移的效果?为什么没有达到零位移的效果?悬索桥建模助手小结小结:小结:由于基本假设3,通过节线法确定的主缆初始线形可能与最终的实际线形有所差异,在自重作用下,节点间索不可能是直线的。建模助手内部进行第2个子步骤分析,以节线法确定的初始线形为基础,使用悬链线索单元做更精确的分析。1、首先把主缆两端的锚固点、主塔底部、吊杆下端均固结处理,然后建立由弹性悬链线主缆和吊杆形成的空缆模型,即步骤1模型示意。2、使用第1子步骤得到的主缆坐标,水平张力和初始无应力索长,考虑包含主缆及加劲梁的恒载,通过非线性分析
9、重新确定主缆的平衡状态,此分析过程中,加劲梁的截面特性及其对应的荷载不参与计算,主缆的平衡状态由桥面定义的荷载决定。分析结束后,将加劲梁和主塔添加到模型中,形成全桥模型,即步骤2模型示意。某悬索桥实例建模分析过程某桥梁结构为双塔三跨地锚式悬索桥,跨度组合为(650+1600+650)m,边中跨比0.41,垂度为177m,垂跨比1/9.0,吊杆纵向间距为12.5m,横向间距42.1m。加劲肋截面形式为扁平钢箱梁结构,梁中心线高4.0m,主塔采用钢筋混凝土柔性塔,塔高252.9m。建立材料与截面为“悬索桥建模助手”做准备;主缆及吊杆材料特性的定义;主缆及吊杆截面特性的定义;建立材料与截面预制平行钢
10、丝索股:预制平行钢丝束由若干高强度镀锌钢丝集束组成索股,再由若干索股组成一根悬索桥主缆。例如:每根主缆由110股索股组成,预制平行钢丝索股由127根直径5.2mm的镀锌高强钢丝组成。主缆钢丝采用标准强度1770MPa的普通低松弛高强钢丝,弹性模量为2.02.010105 5MPaMPa;建立材料与截面钢丝绳:先由多层钢丝捻成股,再以绳芯为中心,由一定数量股捻绕成螺旋状的绳。一般适用于跨度在500m以下。例如:每根主缆由7根48mm镀锌钢丝绳组成,637WS+IWR,钢丝绳公称抗拉强度1770MPa;弹性模量为弹性模量为1.21.210105 5MPaMPa;建立材料与截面 对于主缆等材料弹性模
11、量,要根据采用的类型确定后输入,直接采用程序默认值时有可能和实际取值有差异,影响计算结果;对于主缆等材料容重,需要根据规范给定的单位质量、参考重量等信息进行换算后输入;定义主缆等索结构的截面时,不能直接按公称直径来输入,需要根据实际的有效面积,进行换算,而后得到等效直径。初始平衡状态模型主要特点及修改完善内容主要特点及修改完善内容生成了和恒载对于的初始平衡状态,所以在输入桥面系荷载的时候要求准确;主塔实际结构构形和助手生成的不一致,需要替换实际构造;重新定义主塔顶底约束,注意塔顶索鞍释放纵桥向平动自由度;塔梁相接位置,补充建立主梁单元;模拟塔梁之间的约束;添加平衡荷载,一期恒载、二期恒载等;分
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