大跨度预应力混凝土斜拉桥局部仿真分析分析

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1页1．1现代斜拉桥简介第1章绪论预应力混凝土斜拉桥结构体系是充分利用钢材和混凝土两种不同受力性能材料的典范。其上部结构由主梁、拉索、主塔三类构件组成，是一种桥面体系以加劲梁受压(密索)或受弯(稀索)为主、支撑体系以斜拉索受拉及桥塔受压为主的桥梁。斜拉桥利用从塔柱两侧伸出张紧的斜拉索作为梁的弹性支承点，因此，从其结构形式上可以看作是主梁在各斜拉索吊点获得弹性支承的连续梁体系。我国自1975年开始修建斜拉桥，即以混凝土斜拉桥为主，迄今全国斜拉桥90％以上皆为混凝土斜拉桥。这是由于混凝土材

2、料的技术经济优越性决定的。一般认为混凝土斜拉桥的经济跨径在200m--500m之间。大跨径预应力混凝土斜拉桥桥主梁通常采用箱形截面。这是因为箱形截面与其它截面型式相比有着自身独特的优点。箱梁截面抗扭刚度大，结构在施工与使用过程中都具有良好的稳定性；项板和底板都具有较大的混凝土面积，能有效得抵抗正负弯矩，能满足布束的要求，适用于产生正负弯矩的结构：适合于现代化施工方法的要求，如悬臂施工法、顶推法等，这些施工方法要求截面必须具有各较厚的底板；承重结构与传力结构相结合，使各部件共同受力，同时截面效率高，又适合于预应力混凝土

3、结构空间布束，能收到良好的经济效果；对于宽桥，由于抗扭刚度大，跨中设置横隔板亦能获得满意的传力效果。1．2箱型梁一般分析方法箱形梁的受力分析是一个复杂的结构空间分析问题，在分析的过程中经常采用一些假定和近似的处理方法。对于箱形结构计算方法有很多，每种都有其适用的范围或者说是局限性，有基于线弹性理论的，有基于非线性理论的，有解析方法，有数值方法，也有结合两者的解析一数值法。具体选用何种方法，应依据分析的目的和所要求的计算精度来确定。目前箱形梁的计算分析方法主要有两大类：即解析法和数值法。西南交通大学硕士研究生学位论文第

4、2页薄壁箱形截面扭转解析理论(扭转理论和畸变理论)可以解决构件在挠曲和扭转荷载作用下截面所产生的变形和应力以及突出截面平面外的翘曲变形和平面内的畸变变形和应力。但是其分析方法比较繁琐，应用受到限制，对于复杂的空间应力状态，平衡方程的建立和求解将十分困难。一些学者的经典薄壁箱梁解析理论，计算繁琐，且一般不能同时考虑各种基本变形，也不便于分析复杂结构。随着计算机技术的迅猛发展及普及，数值方法已成为解决复杂工程问题行之有效的方法。数值分析法主要是有限单元法。对于大型复杂的空间结构，其边界条件十分复杂，这使得解析方法中微分(

5、或变分)方程的建立和求解变得十分复杂，另外解析一数值法处理预应力比较麻烦且不准确，而采用有限元法可以求解各种复杂边界的箱梁结构，施加多向预应力方便、有效。尤其是采用空间板壳、块体和梁单元的组合模式，可以相对减少计算规模，又可以模拟实际结构的受力状态。1．3斜拉桥的局部空间分析的必要性及现状现代斜拉桥的宽度大、横截面形式多样，桥梁结构的受力状况复杂，平面分析的结果己很难反映桥梁的实际受力情况。而且一些桥梁事故也告诉我们，传统的桥梁设计方法和理论需要完善和改进。因此，在对全桥整体静动力完成之后，在技术设计阶段还需对一些结

6、构和受力复杂的局部构造进行详细分析计算，甚至进行模型试验，查明结构细部受力情况，以便改进设计或施工程序，确保安全。斜拉桥的锚固区段内，受力比较复杂。特别是拉索局部强大的集中力及预应力钢束锚具的集中力的作用，影响结构内力、变形和应力的分布。在设计、计算中，如果不进行有限元的力学模型的局部分析，很难全面反映结构的实际工作状态和应力分布。斜拉桥主要由主梁、索塔及斜拉索组成，现多采用密索体系，属于高次超静定结构。根据对力学性能和索面布置的要求，斜拉桥主梁和索塔可采用不同的截面形式。并且由于功能要求和构造需要，同一个桥梁的主梁

7、和索塔可能也需要不同的截面形式和材料的截面，这些截面连接位置的应力传递，构件的优化组合就不是梁单元分析能够解决的。对于预应力混凝土桥梁，再加上双向甚至三向预应力的使用，使得结构受力状况更加复杂。对PC斜拉桥中三向预应力筋也不能完全应用传统的平面结构进行模拟和设计，给我们的桥梁设计工作带来很多的隐患。现代斜拉桥一般西南交通大学硕士研究生学位论文第3页采用悬臂挂篮施工，每段一般为6-8m，而桥面宽达30m以上，很难作为梁段处理。必须进行空间分析才能考虑这些复杂因素。一般说来，在斜拉桥局部仿真分析可以解决的问题主要有以下几

8、个方面：．空间剪力滞效应的分析．截面应力的控制．局部结构的优化．横向和竖向预应力钢筋的配置．横梁和主梁的连接当然对于斜拉桥的最真实的受力还是根据施工监控中实测得到的数据。但是通过仿真分析，可以提高总体安全度和抗裂安全度。不仅对于斜拉桥，其他种类的大跨度桥梁的局部设计也是如此。由于计算机技术及大型有限元软件的发展，在计算机中建立结构体系下全桥或者