斜拉桥的受力特征分析.pdf

彩 2 5 0 i T程力学增刊 1 9 9 9年 斜拉桥的受力特征分析 李乔 -一 西南交通大学桥梁厦结构工程暮成都6 1 0 0 3 1)U 2 。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 1引言 拄 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。两种设计计算过程简略示于 图 l中。1 根据 要 求 拟定尺 寸、选 择材料 和施工 方法等 2 根 据 所 拟 结 构承载能力 确定成 桥 目标 状 态 车乔 男，1 9 5 4,5出生，工学博士教授 铁道部科技笸展计 划项 l(9 6 G 3 5-l 0 1 资助 3 寻找 各 施 工阶段理想状 态 以选到 目 标状态 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 4 验 算 是 否 满 足 各 项要求 Y I 7结 叶束结掏 1 分 析 维普资讯 工程力学增刊 1 9 9 9年 2 5 1 1 根 据 要 求 拟 定尺寸、选 择 材料和施工 方法等 2按 施 工 过 程 计 算 结构 内 刀 4 验 算 是 否满足 各项 要 求 5 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 I 6 结 Y I 柬结构|1分 析 N I 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。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。维普资讯 2 5 2 工程力学增刊 1 9 9 9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 、l l J口 P I L L，L，3 主梁受力特征 圈 3 斜拉索的主动受力 为说明问题，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 力)T=0 5 0 1 q L。此时跨 中截面的弯 矩 为 圈 4 音 矗=+坼=譬一 了TL=譬一 =-0 0 0 0 2 5 维普资讯 7-程力学增刊 1 9 9 9年 2 5 3 现假定拉力 T发生 了+1 的偏差，则跨中截面弯矩变为 M =。+，：8 一等 。=警一 0 506 0 lqE=一 o 0 0 1 50 2 5 变 化量达 二 !：(-0 0 0 1 5 0 2 5+0 0 0 0 2 5)q L z：5 0】M r 一0 0 0 0 2 5 q L ，上面讨论的是一种极端的情况，实际的斜拉桥是分阶段施工的，即每浇筑或拼装一段 粱就张拉一对索，直至合龙。这样，先安装的斜拉索对其后施加的荷载而言(包括其后的 斜拉索张拉力和梁 自 重)，就相 当于弹性支承的作用，其拉力也因此而发生改变。因此 整个结构是由具有弹性支承且承受斜拉索张力和梁 自重荷载的一系列结构逐步演变为成桥 状态的。后面安装的索和梁段对前面安装的索和梁段产生影响，但前面安装的索和粱段对 后面安装的索和粱段则影 响很 小。显然，对这样形成的结构，其内力和位移对前述两个力系的敏感性应该介于图 2(b)和 图 3 或图 4 所示情况之间。下面举一个实际结构的例子来说明其影响。图 5所示为一座斜 拉桥，跨度为 1 9 4+5 1 8+1 9 4米(不计辅助墩)，飘浮体系。施工方法为悬臂拼装。计算时分 为 5 0个阶段进行。成桥后中跨四分之一跨度处的恒载弯矩为一 l 1 6 6 9 k N 11 1 由跨中向塔方 向数第二根索处弯矩为最大弯矩，其值为 1 3 2 5 7 k N m。假如将斜拉索的初始张力减少 5 则中跨四分之一跨度处恒载弯矩变为最大弯矩，其值为 1 7 1 9 3 k N m，增加 了约 4 7，原 最大弯矩处变为 1 3 4 1 5 k N-m，仅变化 了约 1。之所以跨中附近变化量很小，是因为该处 的梁段和索是较晚安装的，受其它索的影响很小。图，实蜘 值得注意的是，如下想法是错误的：“既然斜拉索拉力是一种荷载，自重也是荷载，那么对线弹性体系，园荷载与内力或位移成正比。所以，若斜拉索拉力(或 自重)单独变 化 结构的内力也会成比例地变化。例如，若索力增大一倍，则内力和位移也随之增大一 倍 从上面的例 子可 以看 出，结构 的 总内力并不与 或 成正 比，而 是与 二者的综合作 用成正比。事实上，线弹性体系的荷载与内力或位移之间的线性关系是指总的荷载与总的 内力或位移之间的关系，而不是与力系中某一个或某几个力之间的关系。维普资讯 2 5 4 工程 力学增刊 1 9 9 9年 4 结论(1)斜拉桥的自重内力和变形可 以人为地调整。其设计计算是先确定 目标状态，再确定 施工阶段 理想状态。(2)斜拉索的作用并不仅仅是弹性支承，更重要的是它的“主动受力”作用。(3)主粱是在两个强大的力系作用下处于平衡状态的具有弹性支承的构件。其 内力和位 移对这两个力系较为敏感 从而要求施工控制计算有较高的精确度。参 考 文 献 l 严国敏，现代斜拉桥，西南交通大学出版社1 9 9 6年第 l 版。2 林元培，斜拉桥人民交通 出版社，1 9 9 4 年第 1 版。3 王勋文，辛学忠，潘家英，程庆 国，确定 P c斜拉桥合理恒载索力方法的探讨，桥梁建设，1 9 9 6年第 4期。4 王洪亮、周履编译，一种计算斜拉桥拉索预旖拉力的实用方法，国外桥粱1 9 9 7年第 1期。5 颜东煌，崔冰 彭力军，陈明宪 铜陵长江公路大桥旖工控制中的仿真计算，中国公路学会桥梁和结 构工程学会 1 9 9 5 年桥梁学术讨论会论文集人 民交通 出版社。维普资讯