大跨度公铁两用斜拉桥非线性静动力特性分析

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1、大跨度公铁两用斜拉桥非线性静动力特性分析1绪论1.1斜拉桥的历史与发展现代斜拉桥是由斜拉索、加劲梁和索塔构成的组合体系结构，是一种以加劲梁受压或受弯，支承体系以斜拉索受拉、索塔受压为主的桥梁。斜拉桥具有造型美观、跨越能力强、跨径布置灵活和施工干扰少等特点，并具有良好的力学性能及经济指标，使其成为现代桥梁工程中发展最快、最具竞争力的桥型之一[1][2]。斜拉桥最早的维形出现在东南亚地区。这里河网密布、藤竹遍生，当地人就地取材，利用藤条和竹竿修建了原始的斜拉桥：老捉的原始藤桥和印度尼西亚爪哇的竹索桥。欧洲最

2、早见于记载的斜拉桥是1617年由意大利威尼斯工程Verantius建造的一座有几根斜拉铁链的桥，它是一种用斜拉铁链支承木制桥面的桥梁体系。世界上第一座真正意义上的斜拉桥是于1784年在德国费里堡建成的一座跨径为32m的木桥，该桥采用木拉杆作为桥梁的支撑体系。这个时期的斜拉桥多釆用木料、铁链等作为斜拉索。这些材料强度低，且不能拉紧而处于松弛状态。只有在桥面发生较大变形时，斜拉索才能承受预期的拉力，这为斜拉桥的破坏埋下了隐患，1818年英国T的人行斜拉桥在风振作用下，由于节点处的链杆折断而发生了坊塌。同期，

3、1825年德国Saale河桥在一次火炬游行过程中发生倒塌，造成多人丧生。该桥釆用木质桥面，用锻铁拉杆作为支撑。这两座斜拉桥的倒塌对斜拉桥的发展产生了巨大影响。法国著名的数学家、工程师Navier通过分析计算得出：现有材料和技术满足不了斜拉桥的力学性能的要求。在美学观念上，Navier也推崇悬索桥体系。这些观点对当时工程师的影响很大，直到现代斜拉桥的诞生的一百多年中，斜拉桥的发展十分缓慢。..1.2大跨度公铁两用斜拉桥的发展铁路斜拉桥的发展较公路斜拉桥要慢一些。随着铁路现代化的建设，尤其是高速铁路的快速发

4、展，跨越大江大河的线路工程不断增加，采用大跨度桥梁的工程逐渐增多。相对悬索桥，斜拉桥具有结构刚度大、抗风性能好、造价相对较低的优点，是大跨度铁路桥梁的主要推荐方案。对于铁路工程来说，铁路活载较大，对于行车安全性和平稳性有更高的要求，因此铁路斜拉桥要有较高的整体结构刚度[7?9]。斜拉桥的结构体系布置和斜拉索、主梁、桥塔三者的刚度都会对结构的整体刚度产生影响。其中结构体系布置是首要的，其次才是索梁塔。在索梁塔三者之中，提高斜拉索的刚度对于提高结构整体刚度更加直接有效在工程实践中，斜拉索刚度的提高主要是通过

5、在斜拉索中施加足够的初拉力来实现的。己建成的大跨度的铁路斜拉桥有很大部分都是公铁两用斜拉桥，主要是当需要同时满足铁路和公路线路跨越障碍时，釆用公铁合建的方案更加经济。目前世界上己经建成或在建的公铁（轨）两用斜拉桥见表1-1。.2斜拉桥静动力特性分析理论2.1斜拉桥分析理论早期对斜拉桥进行静力分析通常采用弹性理论和烧度理论，这是两种经典的平面分析理论。弹性理论的基本假设：假定物体是均勾、连续、各向同性的理想弹性体；而且假设物体的位移和形变很小，即小变形假设。弹性理论将结构视为线弹性结构进行计算，叠加原理及

6、影响线加载均适用，但没有考虑恒载对结构竖向刚度的贡献，也考虑结构的变形对内力的影响，计算所得的弯矩和剪力值偏高，因此计算结果偏安全但不经济。对于小跨径桥梁而言，由于其结构刚度相对较大，变形比较小，一般能够满足小变形的假定，用经典的弹性分析理论对结构进行分析时，分析结果己经有较高的精确。但对于大跨度斜拉桥，弹性理论己不适用，分析结果与实际的偏差较大。与弹性理论相比，烧度理论是更为精确的理论，它考虑了结构变形后的构形。因此用烧度理论设计出的桥梁，结构外形更加纤细，也更经济。相对弹性理论，烧度理论取得了很大的

7、进步，但是由于结构力学理论和计算方法的局限性，挠度理论仍然只是一种近似的计算理论。目前结构分析最有效的方法是有限元法。在斜拉桥成桥状态和施工状态的分析计算中，一般釆用结构有限元法，将斜拉桥简化成空间杆系结构进行计算分析，如图2-1所示：2.2结构分析中的有限元法方法有限元的理论基础是变分原理和加权余量法，其基本的求解思想是把计算域划分为组有限个且按一定方式相互联结在一起的元素，即单元的组合体。在每个单元里，选择一些合适的节点作为求解方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表

8、达式，借助变分原理活加权余量法，将微分方程离散求解。板单元由同一平面上的3到4个节点构成，在工程中可以利用它来解决平面张拉，平面压缩，平面剪切及平板沿厚度方向的弯曲、剪切等结构问题。有限元软件所采用的板单元，根据平面外刚度不同可以把单元划分为薄板单元和厚板单元两种。其中，根据KirchhoffPlateTheory开发了薄板单元，根据Mindlin-ReissnerPlateTheory开发了厚板单元。薄板单兀或厚板单兀都考虑了板单元的局部