斜拉桥的受力特征分析

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1、彩·250·iT程力学》增刊1999年斜拉桥的受力特征分析李乔‘-—--—-———一U2{。{{西南交通大学桥梁厦结构工程暮．成都．610031)提要本文从另一角度来分析斜拉桥的受力特征．对斜拉索的作用特征和主梁的受力状态以及其内力和位移对苛载的敏感性作了论述，对一些易于混淆的概念进行了说明。本文主要是阐述对斜拉桥这种结掏受力特征的理解方法，而不是具体的计算分析方法。关键诃结构．桥梁，斜拉桥’●__。．1__--___●一拄1引言钚蚜斜拉桥是一种高次超静定结构，其自重引起的内力和变形可以通过调整斜拉索的张拉力而人为地进行调整。因此

2、斜拉桥的设计计算策略与其它桥型有较大的不同。在其它桥型如梁式桥的设计中，一旦结构尺寸、材科和施工方法等确定下来，结构的恒载内力也就随之确定了，无法人为地在进行大的调整。而斜拉桥则有所不同．设计时是先通过成桥阶段的结构分析和调索，选定设计者所满意的恒载内力和变形状态，即所谓成桥阶段理想状态。然后以此状态为目标状态，寻找为达到该目标状态所需的施工过程、方法和斜拉索的张拉力，即寻找所谓各施工阶段理想状态Ⅲ。两种设计计算过程简略示于图l中。1．根据要求2．根据所拟3．寻找各施4．验YI7·结拟定尺寸、选结构承载能力工阶段理想状算是否．叶束

3、结掏择材料和施工确定成桥目标态．以选到目满足各1分析方法等状态标状态项要求5．修改目标状态6．修改结构尺寸、材料、施工方法等(j)斜拉桥’车乔．男，1954,5出生，工学博士．教授铁道部科技笸展计划项~l(96G35-l01资助‘工程力学》增刊1999年251·1．根据要求2．按施工过4．验算是I6·结拟定尺寸、选程计算结构内否满足各项YI柬结构择材料和施工刀要求——

4、．1分析方法等NI5．修改结构尺寸、材料、施工方法等(b)其它桥型图i两类桥梁设计计算过程示意茼囤由此可见，斜拉索的张力对斜拉桥结构受力状态起关键作用。那么斜拉索是

5、如何发挥其作用的呢?是以弹性支承的方式还是其它方式?2斜拉索的作用特征一种观点认为，对于弹性分析而言，斜拉索的作用是为主粱提供一系列弹性支承．如图2所示。在荷载的作用下，主梁发生挠曲，使斜拉索伸长变形，因而产生拉力(相当于圈2斜拉囊的弹性直承作用弹性支承的反力)。我们称之为“被动受力，即其受力是囡主梁的变形而引起的这种比拟有一定的道理，但不确切。对于成桥后施加的荷载，如汽车荷载、二期恒载等而言，斜拉索确实相当于弹性支承。但对于主梁自重来说，就不完全是这样了。因为斜拉索在安装或调索时要进行张拉，这部分张拉力占斜拉索最终索力的大部分。

6、而这种张拉力是以外荷载的形式作用在主梁和桥塔上的(图3)，是一种“主动受力，即它不是因主梁变形而引起的拉力，而是其拉力引起了主粱的变形。正是由于斜拉索的这种主动受力的特征，才使得人们可以通过调索来达到调整结构内力和变形的目的。·252·‘工程力学》增刊1999年因此可以这样说，对在斜拉索锚固之后施加的荷载而言，斜拉索起着弹性支承的作用。而对于在斜拉索锚固之时及其之前施加的荷载而言，斜拉索是以其张力作为外荷载的形式作用在粱和塔上的＼／、＼／、I／、．．＼＼＼／／／．llJ口PILL，，L，圈3斜拉索的主动受力3主梁受力特征为说明问题

7、，先分析一种极端的情况，即假设斜拉桥的梁和塔是一次全部安装上去的，然后在分析实际施工颊序是的情况。根据上述分析，此时主粱在其自重作用下的结构受力和约束状态就不是图2(b)所示支承于一系列弹性支承(斜拉索)上的、跨度为斜拉索间距的连续梁，而是跨度为+￡的连续梁或简支梁(视梁与塔墩的连接情况而定)其上作用着两个强大的力系，一个是梁的自重靠，另一个是斜拉索的张力，见图3。这两个力系在梁中分别产生巨大的内力和变形，但因它们方向相反且绝对值相近，所以梁的最终受力状态是两者之差这个差相对于这两个力系单独产生的效应而言，其数值很小。而主粱的承载

8、力也是按这个很小的差来设计的。众所周知，在两个数值相近但方向相反的强大力系作用下处于平衡状态的结构，其内力和位移对这两个力系是十分敏感的只要其中任何一个发生了不大的变化，二者之差就会成倍甚至几十倍地变化。因此，与其它桥型相比，对斜拉桥的施工控制计算有更高的要求御。现举一简单例子来说明这种敏感性有多大如图4所示，一跨度为的简支梁，其自重荷载集度为q，在跨中作用一向上的集中力(拉索的拉圈4音『矗力)T=0．501qL。此时跨中截面的弯矩为=+坼=譬一了TL=譬一=-0．00025{7-程力学》增刊1999年·253·现假定拉力T发生了

9、+1％的偏差，则跨中截面弯矩变为M=。+，：8一等。=警一—0．5—060lqE=一o．0015025变化量达二!：—(-0．0015025+0．00025)qLz—：50】％Mr一0．00025qL，上面讨论的是一种极端的情况，实际的斜拉桥是分阶