摘要

　　近年來(lái)，由于高強鋼材、正交異性板、焊接技術(shù)的發(fā)展及結構分析的進(jìn)步，斜拉橋體系得到了廣泛的應用。斜拉橋為空間結構，由加勁梁-鋼或混凝土橋面板和支承部件-受壓的橋塔與受拉的斜拉索組成，因其結構性能斜拉體系占據了梁橋和懸索橋的中間地位。

　　本設計為墩、塔、梁固結的單索面預應力混凝土斜拉橋，選擇橋梁專(zhuān)用軟件MIDAS來(lái)建模分析，計算該橋在自重、汽車(chē)、溫度和支座沉降作用下的作用效應，并進(jìn)行索塔的作用效應組合；但是，在自重作用下，成橋狀態(tài)斜拉索的受力很不合理，故采用影響矩陣法對索力進(jìn)行優(yōu)化；再根據調整后的索力確定拉索的構造和下料長(cháng)度；由于斜拉索水平分力的作用，索塔錨固區的混凝土會(huì )開(kāi)裂，須在塔壁內配置閉合預應力筋。

　　關(guān)鍵詞 斜拉橋；作用效應組合；索力優(yōu)化；閉合預應力筋

Abstract

　　Wide and successful application of cable-stayed systems was realized only recently, with the introduction of high-strength steels, orthotropic type deck, development of welding techniques and progress in structural analysis. Cable-stayed bridges present a space system, consisting of stiffening girders as steel or concrete deck and supporting parts as towers acting in compression and inclined cables in tension. By their structural behavior cable-stayed systems occupy a middle position between the girder type and suspension type bridges.

　　The cable-stayed bridge is the single-plane and prestressed-concrete system,

　　whose pier, tower and girder are rigidly joined together. The design chooses the special software for bridge-MIDAS to create model and run structural analysis, get the effect in the action of dead load, live load, temperature and bearing subsidence, and then calculate the combination for action effects at the tower. But cable force caused by structural weight is very unreasonable, so the design optimize the cable force using the Influence Array method. Then in accordance with the accommodated cable force, the design portrays the configuration of the cables and calculates their construction length. In the action of the horizontal force, the concrete of the anchorage at the tower will crack, so the closed prestressed-steel bar must be laid in the tower.

　　Keywords cable-stayed bridge  combination for action effects  optimization of cable force  closed prestressed-steel bar

　　第1章緒論

　　1.1概述

　　斜拉橋是一種橋面體系受壓、支承體系受拉的結構，其橋面體系由加勁梁構成，其支承體系由鋼索組成。

　　上世紀70年代后，混凝土斜拉橋的發(fā)展可分成三個(gè)階段：

　　第一階段：稀索，主梁基本上為彈性支承連續梁；

　　第二階段：中密索，主梁既是彈性支承連續梁，又承受較大的軸向力；

　　第三階段：密索，主梁主要承受強大的軸向力，又是一個(gè)受彎構件。

　　近年來(lái)，結構分析的進(jìn)步、高強材料的施工方法以及防腐技術(shù)的發(fā)展對大跨斜拉橋的發(fā)展起到了關(guān)鍵性的作用。斜拉橋除了跨徑不斷增加外，主梁梁高不斷減小，索距減少到10m以下，截面從梁式橋截面發(fā)展到板式梁截面。混凝土斜拉橋已是跨徑200m~500m范圍內最具競爭力的橋梁結構。

　　1.1.1 結構體系

　　斜拉橋的基本承載構件由梁（橋面）、塔和索三部分組成，且三者以不同的方式影響總體結構的性能。實(shí)際設計時(shí)三者是密不可分的。塔、梁及索的不同變化和相互組合，可以構成具有各自結構性能且力學(xué)特點(diǎn)和美學(xué)效果的突出的斜拉橋。正因為如此，斜拉橋基本體系可按力學(xué)性能分為漂浮體系、支承體系、塔梁固結體系和剛構體系：

　　漂浮體系為塔墩固結、塔梁分離，主梁除兩端有支承外，其余全部用拉索懸吊，是具有多點(diǎn)彈性支承的連續梁。

　　支承體系即墩梁固結、塔梁分離，在塔墩上設置豎向支承，為具有多點(diǎn)彈性支撐的三跨連續梁。

　　塔梁固結體系即塔梁固結并支承在墩上，梁的內力和撓度同主梁與塔柱的彎曲剛度比值有關(guān)。其支座至少有一個(gè)為縱向固定。

　　剛構體系為梁塔墩互為固結，形成跨度內具有多點(diǎn)彈性支承的剛構。這種體系的優(yōu)點(diǎn)是既免除了大型支座又滿(mǎn)足懸臂施工的穩定要求，結構整體剛度較好，主梁撓度小；缺點(diǎn)是主梁固結處負彎矩較大，較適合于單塔斜拉橋。在塔墩很高的雙塔斜拉橋中，若采用薄壁柔性墩來(lái)適應溫度和活載等對結構產(chǎn)生的水平變形，形成連續剛構，能保持剛構體系的優(yōu)點(diǎn)，并使行車(chē)平順。采用這種體系的有美國的Dames Point橋和我國的廣東崖門(mén)大橋等。

　　在邊跨加輔助墩，對梁和塔的內力和變形都很有利。實(shí)踐表明，無(wú)論采用以上何種體系，設一個(gè)輔助墩后，塔頂水平位移、主梁跨中撓度、塔根彎矩和邊跨主梁彎矩均急劇降低，一般約為原來(lái)的40%~65%.

　　1.1.2 主梁

　　斜拉橋主梁直接承受車(chē)輛荷載，是斜拉橋主要承重構件之一。由于受拉索的支承作用，與其它體系橋梁相比，斜拉橋主梁具有跨越能力大、建筑高度小和能夠借助拉索的預應力對主梁內力進(jìn)行調整等特點(diǎn)。

　　斜拉橋的跨徑比應考慮全橋剛度、拉索疲勞強度、錨固墩承載能力等多種因素確定。雙塔斜拉橋的邊跨與主跨比一般為0.25~0.50,從經(jīng)濟角度考慮，宜取0.4.

　　斜拉橋主梁自重應盡量減小，梁高與主跨比變化范圍一般在1/50~1/100,對密索體系大跨徑斜拉橋，高跨比可小于1/200;單索面要按抗扭剛度確定。

　　主梁截面形式應根據跨徑、索距、橋寬等不同需要，綜合考慮結構的力學(xué)要求、抗風(fēng)穩定、施工方法等選用。如對于單索面斜拉橋，主梁斷面宜采用抗風(fēng)性能優(yōu)越的近似三角形斷面。

　　主梁按材料可分為混凝土梁、鋼梁、結合梁和混合梁，其中混凝土梁的主要優(yōu)點(diǎn)是：

　　（1）造價(jià)低。但當主跨大于500m時(shí)，混凝土主梁的低造價(jià)難以抵銷(xiāo)由于混凝土自重大而導致拉索和基礎費用的額外增值。

　　（2）剛度大撓度小。在汽車(chē)作用下，產(chǎn)生的主要撓度約為類(lèi)似鋼結構的60%左右。

　　（3）抗風(fēng)穩定性好。這是由于混凝土結構振動(dòng)衰減系數約為鋼結構的兩倍。

　　（4）后期養護比鋼橋簡(jiǎn)單便宜。缺點(diǎn)是跨越能力不如鋼結構大，施工速度不如鋼結構快。

　　1.1.3 索塔

　　作用于斜拉橋主梁的恒活載通過(guò)拉索傳遞給索塔，因而索塔是通過(guò)拉索對主梁起彈性支承作用的重要構件。索塔上的作用力除本身的自重引起的軸力外，還有拉索索力的垂直分力引起的軸向力、水平分力引起的彎矩和剪力。索塔設計應滿(mǎn)足強度、剛度、穩定等使用要求，并充分考慮施工方便、造價(jià)低及造型美觀(guān)等要求。

　　斜拉橋索塔的型式有柱式、門(mén)式、A型、倒Y型、菱型和鉆石型等。塔柱截面型式可分成矩形和非矩形兩種基本型式。柱式塔柱構造簡(jiǎn)單，但承受橫向水平荷載的能力較差。對于單索面斜拉橋，由于索塔塔柱常設在橋面中央分隔帶上，增加了橋面寬度，因此多采用單柱型索塔。

　　雙塔斜拉橋索塔高與主跨比宜選用0.18~0.25,并宜使邊索與水平線(xiàn)的夾角控制在25°~45°左右。

　　1.1.4 拉索

　　斜拉索是斜拉橋的重要組成部分，并顯示了斜拉橋的特點(diǎn)。斜拉橋橋跨結構的重量和橋上荷載，絕大部分或全部通過(guò)斜拉索傳遞到塔柱上。拉索布置不僅影響橋梁的結構性能，而且影響到施工方法和經(jīng)濟性。

　　斜拉索橫橋向布置可分為中心掛索（單面索）、側掛索（雙面索）和三索面三種體系。現有橋梁大部分采用雙面索，即把斜拉索設于橋面結構兩側；然而，現已成功修建了數座單面索斜拉橋，單索面體系避免了拉索交叉的視覺(jué)，給人以美觀(guān)開(kāi)闊的視感，結構輕巧，但要求主梁具有必要的橫向抗彎和抗扭剛度；較少采用三面索。

　　在橋梁縱向，拉索布置可選擇扇形、豎琴形（平行）、輻射形和不對稱(chēng)形。平行索從力學(xué)和經(jīng)濟的觀(guān)點(diǎn)考慮不是最佳的形式；輻射形索的索塔錨固區應力集中、構造復雜、造價(jià)昂貴且外觀(guān)較笨重；不對稱(chēng)形索適用于單跨斜拉橋；扇形索綜合了平行索和輻射形索的優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的索形。目前大部分斜拉橋采用扇形索。

　　目前，斜拉橋已從大索距的稀索發(fā)展到小索距的稀索，絕大多數斜拉橋采用密索布置。一般密索體系布置時(shí)，對于混凝土主梁，索距宜采用4m~12m.為使拉索材料經(jīng)濟，邊索傾角宜控制在25°~45°左右。

　　1.1.5 橋型確定

　　本設計為墩、塔、梁固結的，雙塔單索面預應力混凝土斜拉橋。

　　1.2目的與意義

　　1.2.1 立題目的

　　通過(guò)本次有關(guān)斜拉橋的畢業(yè)設計，可使自己初步了解有關(guān)斜拉橋的基本知識和結構設計計算的基本理論，并具備相當程度的大跨度橋梁的設計計算能力，為今后的學(xué)習和工作打下良好的基礎，同時(shí)使自己能夠熟練運用計算機程序或軟件進(jìn)行橋梁結構設計計算，并熟悉計算機繪圖。

　　1.2.2 立題意義

　　畢業(yè)設計是大學(xué)四年來(lái)最重要的一項學(xué)習內容，是對四年所學(xué)知識的總結與運用；運用學(xué)過(guò)的基礎理論和專(zhuān)業(yè)知識，結合工程實(shí)際，參考國家有關(guān)規范、標準、工程設計圖集及其他參考資料，獨立地完成斜拉橋部分構件的設計；同時(shí)初步掌握斜拉橋的設計步驟、方法，培養分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為以后的繼續學(xué)習和工作奠定基礎。

　　1.3 主要內容

　　由于時(shí)間有限，未對斜拉橋進(jìn)行全面設計，主要的內容有：

　　（1）XXX混凝土斜拉橋的構造尺寸、結構形式及其結構靜力計算，包括計算恒載內力、活載內力、溫度內力、支座沉降引起的內力，并進(jìn)行索塔控制截面的作用效應組合；

　　（2）確定成橋狀態(tài)的合理索力，即斜拉橋的恒載受力優(yōu)化；

　　（3）拉索設計，包括拉索應力驗算與拉索的構造和下料長(cháng)度；

　　（4）橋塔錨固區的局部受力分析，對橋塔錨固區配置水平預應力筋。

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　　結論

　　畢業(yè)設計完成了，我不敢說(shuō)有多么完美，但卻是兩個(gè)多月汗水的結晶。從總體上，我對斜拉橋的基本知識和計算理論有了初步掌握，并熟悉了ANSYS和MIDAS結構分析軟件、Struct平面桿系有限元程序、AutoCad制圖和Office軟件（Word和Excel）；從立題上，斜拉橋結構計算復雜，在有限的時(shí)間內不能完成全部設計，因此需要有一個(gè)畢業(yè)設計的思路。在盛老師的指導下，形成的設計思路是：

　　經(jīng)過(guò)對ANSYS、Struct和MIDAS三種程序的試驗比較，最后選擇MIDAS進(jìn)行斜拉橋的建模分析，計算斜拉橋整體結構在各種作用下產(chǎn)生的內力，對索塔內力進(jìn)行組合，在此過(guò)程中，提出了采用剛性橫梁法來(lái)求解斜拉橋活載的橫向分布系數；

　　在自重作用下，成橋狀態(tài)斜拉索的受力很不合理，需要優(yōu)化斜拉索的恒載受力，采用影響矩陣法確定成橋狀態(tài)的合理索力，然后進(jìn)行斜拉索力的內力組合，并驗算；

　　拉索采用一次張拉。初始張拉力確定后，就可確定拉索的下料長(cháng)度，同時(shí)對斜拉索的構造有了初步認識；

　　索塔錨固區的橫向框架在斜拉索水平分力的作用下，兩肋側壁產(chǎn)生了很大的拉應力，超過(guò)了限值，必然使混凝土開(kāi)裂，需要在側壁內配置閉合預應力筋；索塔錨固區結構考慮持久設計狀況，并作承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計；因斜拉索力沿塔高變化很大，故考慮按索區段配置預應力筋。

　　因斜拉橋主梁涉及到施工階段、橫向抗扭彎矩和剪力滯效應的問(wèn)題等，為對主梁進(jìn)行設計；有關(guān)非線(xiàn)性分析方面的知識不足，未能考慮非線(xiàn)性，實(shí)在遺憾。

　　不管怎樣，我是有收獲的，對得起老師，更對得起自己。

　　致謝

　　在畢業(yè)論文結束之際，我要向四年來(lái)所有在學(xué)習上給予我幫助的師長(cháng)和同學(xué)致謝！感謝您們！

　　感謝指導老師盛洪飛教授！感謝您一直以來(lái)的諄諄教導，不厭其煩的指導我解決設計中遇到的困難和出現的問(wèn)題，還幫我查找有關(guān)資料。我的設計能夠很好的完成，與您的教導密不可分。從與您的接觸中，我不僅學(xué)到了很多設計的知識，還有許多做人的道理，您嚴謹的治學(xué)態(tài)度以及會(huì )人不倦的敬業(yè)精神令我終生難忘！這將會(huì )激勵我在今后的工作生活中更加努力，奮斗不止。在此謹向敬愛(ài)的盛老師表示誠摯的謝意！

　　感謝張樹(shù)仁教授、盛洪飛教授、王永平教授、黃僑院長(cháng)、王宗林教授、宋建華教授、陳彥江教授，以及橋梁教研室的吳洪林老師、金秀輝老師、張連振老師、楊大偉老師、楊明老師等各位老師的熱心指導，及四年授課的辛勞，還要感謝給予我幫助的馬俊和黃新藝兩位研究生師兄。

　　感謝我的父母，他們一直支持著(zhù)我，希望本設計可以作為獻給他們的禮物，能讓他們感到我永遠是他們的驕傲！

　　再次感謝關(guān)心我，培養我的父母及師長(cháng)！感謝您們！

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