悬索桥计算分析与案例详解

1、悬索桥计算分析与案例详解前言/PREFACEMIDAS/Civil是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。特别是针对桥梁结构，MIDAS/Civil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利的功能，目前已为各大公路、铁路行业的设计院所采用。它具有直观的操作界面，并且采用了先进的计算机显示技术。集成了静力分析、动力分析、几何非线性分析、屈曲分析、移动荷载分析、PSC桥分析、悬索桥分析、水化热分析等分析设计功能。前言/PREFACE前言/PREFACE前言/PREFACE目录/Contents010203悬索桥结构概述悬索桥计算概述使用MIDAS进行悬索桥计算分析01悬索桥结构概述8悬索桥结构概述 悬索桥（Suspension Bridge）是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁，由主缆、索塔、锚碇、吊索、桥面系等部分组成。悬索桥的主要承重构件是主缆，它主要承受拉力，一般用抗拉强度高的钢材（钢丝、钢缆等）制作。由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种受

2、力体系的桥梁中跨越能力最大。9悬索桥结构概述 按照桥面系的刚度大小，悬索桥可分为柔性悬索桥和刚性悬索桥。柔性悬索桥的桥面系一般不设加劲梁，因而刚度较小，在活载作用下，桥面将随悬索形状的改变而产生较大变形，舒适性较差，但它的构造简单，一般用作临时性桥梁。刚性悬索桥的桥面用加劲梁加强，刚度较大。按主缆的锚固方式，悬索桥可分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。地锚式悬索桥的主缆通过重力式锚碇或岩隧式锚碇将荷载产生的拉力传至大地，使全桥达到受力平衡状态。自锚式悬索桥的主缆在边跨两端直接锚固在加劲梁上，主缆的拉力由加劲梁的轴力来平衡。按全桥受力模式，悬索桥可分为单跨悬索桥和多跨悬索桥。10悬索桥结构概述11悬索桥结构概述 现代悬索桥通常由主缆、主塔、锚碇和加劲梁4大主体结构以及主鞍、散索鞍（散索套）、悬吊系统等重要附属系统组成。A.主缆现代悬索桥主缆大多采用平行钢丝主缆，主缆分成索股编织架设，在锚碇处分别锚固，主缆的其余区段则挤紧成规则的圆形，然后用软钢丝缠绕并进行防腐。主缆通常采用空中编丝法（AS法）和预制平行索股法（PPWS法）成缆。12悬索桥结构概述 现代悬索桥通常由主缆、主塔、锚碇和加劲梁4大

3、主体结构以及主鞍、散索鞍（散索套）、悬吊系统等重要附属系统组成。B.主塔在顺桥向按力学特性可分为刚性塔和柔性塔。刚性塔多用于较小跨度的悬索桥和多跨悬索桥上，主要作用是提高结构整体刚度。柔性塔是现代大跨径悬索桥常用的主塔型式，顺桥向为下端固结的单柱受力模式。13悬索桥结构概述 现代悬索桥通常由主缆、主塔、锚碇和加劲梁4大主体结构以及主鞍、散索鞍（散索套）、悬吊系统等重要附属系统组成。C.锚碇地锚式悬索桥的锚碇分为重力式锚碇和岩隧式锚碇两种结构型式。14悬索桥结构概述 现代悬索桥通常由主缆、主塔、锚碇和加劲梁4大主体结构以及主鞍、散索鞍（散索套）、悬吊系统等重要附属系统组成。D.加劲梁主要有桁架式和扁平钢箱式加劲梁，也有采用钢混组合梁加劲梁的悬索桥。15悬索桥结构概述 现代悬索桥通常由主缆、主塔、锚碇和加劲梁4大主体结构以及主鞍、散索鞍（散索套）、悬吊系统等重要附属系统组成。E.缆索系统其他结构主要包括主鞍、散索鞍或散索套、索夹和吊索、主缆锚固系统等。16悬索桥结构概述 现代悬索桥通常由主缆、主塔、锚碇和加劲梁4大主体结构以及主鞍、散索鞍（散索套）、悬吊系统等重要附属系统组成。E.缆索系统

4、其他结构主要包括主鞍、散索鞍或散索套、索夹和吊索、主缆锚固系统等。17悬索桥结构概述 现代悬索桥通常由主缆、主塔、锚碇和加劲梁4大主体结构以及主鞍、散索鞍（散索套）、悬吊系统等重要附属系统组成。E.缆索系统其他结构主要包括主鞍、散索鞍或散索套、索夹和吊索、主缆锚固系统等。18悬索桥结构概述 现代悬索桥通常由主缆、主塔、锚碇和加劲梁4大主体结构以及主鞍、散索鞍（散索套）、悬吊系统等重要附属系统组成。E.缆索系统其他结构主要包括主鞍、散索鞍或散索套、索夹和吊索、主缆锚固系统等。19悬索桥结构概述 现代悬索桥通常由主缆、主塔、锚碇和加劲梁4大主体结构以及主鞍、散索鞍（散索套）、悬吊系统等重要附属系统组成。E.缆索系统其他结构主要包括主鞍、散索鞍或散索套、索夹和吊索、主缆锚固系统等。20悬索桥结构概述02悬索桥计算概述22悬索桥计算概述公路悬索桥设计规范（JTG/T D65-05-2015）对悬索桥总体计算规定如下：23悬索桥计算概述竖向荷载作用下悬索桥的结构分析理论有以下几种：1.弹性理论不考虑结构体系变形对内力的影响，可按普通结构力学方法计算；2.挠度理论随着悬索桥跨径的增大，必须考虑结构

5、体系变形对内力的影响，即主要计算分析缆索的非线性变形，是二次内力影响问题，不能采用普通结构力学方法求解；3.线性挠度理论随着悬索桥跨径增大、活载与恒载比值变小，可以省略挠度理论中的基本微分方程的二次项，从而提出简单的线性挠度理论；4.非线性有限位移理论为适合于有限元程序计算而提出的计算理论。03使用Midas Civil进行悬索桥计算分析25使用Midas Civil进行悬索桥计算分析以一座100m跨径人行悬索桥为例，演示说明MIDAS/Civil进行悬索桥计算分析的基本方法和流程。26使用Midas Civil进行悬索桥计算分析悬索桥计算的一个关键问题就是确定成桥时主缆的平衡状态。为此我们需要先建立一个施工阶段分析模型。27使用Midas Civil进行悬索桥计算分析悬索桥计算需考虑主缆几何非线性的影响，先设定结构分析控制数据。需要对非线性主控数据和施工阶段分析控制数据进行设定。28主塔采用梁单元建模；加劲梁钢梁部分用板单元建模；加劲梁混凝土板用实体单元建模；主缆用索单元（水平力）建模；吊索用索单元（张拉力）建模。主鞍、散索鞍用梁单元模拟。索夹自重以节点荷载施加在主缆节点上。使用Mi

6、das Civil进行悬索桥计算分析29模型建立完成后重编节点和单元编号，主缆节点号和单元号在前，吊杆单元接着主缆单元编号使用Midas Civil进行悬索桥计算分析30按实际施工流程定义施工阶段。注意模拟吊装钢梁后各段钢梁还未进行连接的工况。吊装预制板后未浇筑湿接缝的工况也需模拟。使用Midas Civil进行悬索桥计算分析31主缆线形迭代计算流程如下：1.中跨线形迭代计算。为减小干扰，中跨迭代计算时将塔顶处主缆节点固结2.解除塔顶节点的固结，迭代计算边跨主缆水平力。使用Midas Civil进行悬索桥计算分析32准备迭代计算表格主缆初始线形：边跨可用直线，中跨可用圆弧或二次抛物线作为初始线形。迭代计算过程：1.在计算模型中修改主缆单元的水平力，直至计算出在恒载作用下主缆跨中竖向位移趋于零；使用Midas Civil进行悬索桥计算分析33迭代计算过程：2.将计算出的主缆各节点在恒载作用下的位移复制到坐标迭代计算表格中，新的主缆节点坐标xi=xi-1-xi，zi=zi-1+zi；3.将迭代得到的主缆节点坐标复制到Midas计算模型中；4.重复前面13步骤，直至主缆各节点在恒载作用下的位

7、移均趋于零。使用Midas Civil进行悬索桥计算分析34 中跨主缆线形迭代计算完成后，将塔顶处主缆节点的固结解除。然后调整边跨主缆单元的初始水平力，直至塔顶处主缆节点的纵向位移趋于零。至此主缆线形及主缆初始水平力计算完成。将计算得到的主缆及吊杆单元内力结果复制到EXCEL表格中 将迭代计算的模型另存为运营阶段计算模型 在运营计算模型中设置初始单元内力，否则无法进行移动荷载分析和动力分析等计算使用Midas Civil进行悬索桥计算分析35 在运营计算模型中添加温度荷载工况、风荷载工况、移动荷载工况、地震荷载工况等 之后就可以进行运营阶段的分析计算了。使用Midas Civil进行悬索桥计算分析36使用Midas Civil进行悬索桥计算分析37使用Midas Civil进行悬索桥计算分析38使用Midas Civil进行悬索桥计算分析39使用Midas Civil进行悬索桥计算分析40使用Midas Civil进行悬索桥计算分析整体温度整体温度索梁温差索梁温差温度梯度温度梯度恒载恒载活载活载基本基本组合组合频遇频遇组合组合+-+-+-受拉受拉最不利最不利位置位置Fx(kN)574.3-689.3-58.258.2762.3-381.1391.319165078.22848Mz(kN-m)22.1-26.52.2-2.218.5-9.3-47.2-73.4-131.0-68受压受压最不利最不利位置位置Fx(kN)374.6-449.7-58.758.7550.6-275.3-104.4-2225-4469.5-2289Mz(kN-m)7.6-9.12.9-2.91.1-0.642.4110.6218.4114加劲梁（混凝土）最不利设计内力加劲梁（混凝土）最不利设计内力41使用Midas Civil进行悬索桥计算分析谢谢聆听敬请各位同行批评指正

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