摘 要

斜拉桥作为桥梁建造中一种成熟的桥型，距今已有两百多年的历史，到目前为止，已在国内外进行了广泛研究和大量修建。斜拉桥的上部结构主要由主梁、索塔、斜拉索、锚固装置等几部分组成，其具有桥型优美，建造方便、跨越距离远等众多优点。桥梁施工安全一直都是现代桥梁研究的重点，对斜拉桥的施工阶段安全控制领域的研究，仍有大量的工作要做。

本文以襄阳汉江三桥为例，利用桥梁建模软件Midas Civil建立斜拉桥不同施工阶段有限元模型。襄阳汉江三桥采用的支架施工和悬臂挂篮施工法，建模过程中体现了其施工过程中边界条件和荷载的变化。通过分析斜拉桥在施工过程中内力、位移、弯矩的变化，验证其施工安全。通过比较不同施工阶段斜拉桥的力学响应，得出斜拉桥受力、变形最不利的施工阶段，并探讨其施工安全控制，最终为这一类斜拉桥施工过程力学响应分析提供参考。

关键词：斜拉桥；有限元；施工过程；力学响应

Abstract

Cable-stayed bridge, as a mature bridge type in bridge construction, has a history of more than 200 years ago. So far, extensive research and construction have been carried out at home and abroad. The upper structure of the cable-stayed bridge is mainly composed of the main beam, the tower, the cable-stayed cable and the anchorage device. It has many advantages, such as the graceful bridge type, the construction convenient, the distance far from the distance and so on. The safety of bridge construction has always been the focus of modern bridge research. There is still a lot of work to be done in the study of safety control in the construction stage of cable-stayed bridges.

Taking the Hanjiang three bridge in Xiangyang as an example, the finite element model of cable-stayed bridge in different construction stages is established by using the bridge modeling software Midas Civil. The scaffold construction and cantilever hanging basket construction method used in the third bridge of Hanjiang River in Xiangyang reflects the changes of boundary conditions and loads during the construction process. By analyzing the variation of internal force, displacement and bending moment during the construction of cable-stayed bridge, the safety of the construction is verified. By comparing the mechanical response of the cable-stayed bridge at different stages of construction, the most unfavorable construction stage of the tension and deformation of the cable-stayed bridge is obtained, and the construction safety control is discussed. Finally, it provides a reference for the mechanical response analysis of the construction process of the cable-stayed bridge.

Keywords: Cable-stayed bridge; Cable-stayed bridge; finite element method; construction process; mechanical response

目录

第一章 绪论 4

1.1斜拉桥概述 4

1.1.1 斜拉桥造型特点 4

1.1.1 斜拉桥的分类 4

1.1.3 斜拉桥力学特性 5

1.2 研究现状 5

1.2.1斜拉桥国内外发展状况 5

1.2.2斜拉桥施工控制国内外研究现状 6

1.3 研究内容与意义 7

1.3.1襄阳汉江三桥介绍 7

1.3.2斜拉桥有限元分析方法 7

1.3.3研究目的与意义 7

1.4本章小结 8

第二章 襄阳汉江三桥有限元模型的建立 9

2.1襄阳汉江三桥工程介绍 9

2.1.1主桥结构介绍 9

2.1.2主要技术指标 9

2.2建立节点 10

2.2.1节点的划分 10

2.2.2节点的建立 10

2.3建立单元 11

2.3.1单元的分类 11

2.3.2单元的建立 11

2.4建立材料 11

2.4.1襄阳汉江三桥所用建筑材料 11

2.4.2材料的建立 12

2.5建立截面 12

2.5.1截面类型介绍 12

2.5.2截面的导入和建立 12

2.6建立边界条件 14

2.6.1边界条件介绍 14

2.6.2边界条件的建立 14

2.7施加荷载 16

2.7.1荷载介绍 16

2.7.2添加荷载 17

2.8建立施工阶段 17

2.8.1施工阶段介绍 17

2.8.2施工阶段的建立 18

2.4本章小结 21

第三章 斜拉桥施工过程力学响应分析 22

3.1 轴力分析 22

3.1.1主梁轴力分析 22

3.1.2索塔轴力分析 23

3.2剪力分析 24

3.2.1主梁剪力分析 24

3.2.1索塔剪力分析 26

3.3弯矩分析 26

3.3.1主梁弯矩分析 26

3.3.1索塔弯矩分析 28

3.4应力分析 28

3.4.1 单元应力分析 28

3.4.2 安全性评估 32

3.5挠度与变形分析 32

3.6 本章小结 34

第四章 结论与展望 35

4.1 结论 35

4.2 改进与展望 35

主要参考文献 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1斜拉桥概述

1.1.1 斜拉桥造型特点

斜拉桥作为一种成熟的桥型，已经经历了200多年的发展。其主要的支撑结构是斜拉索，布置在索塔两侧，斜拉索主要采用高强度钢丝或钢绞线绞结而成，通过锚固装置分别锚固在主梁和索塔上，斜拉索索面布置方式有扇形、放射形（辐射形）、竖琴形、星形，其索面布置好坏往往也影响桥型的美观。主梁大多采用钢筋混凝土结构，梁的截面类型可以多种多样，有箱型、板式、开口截面、闭口截面等。索塔一般也采用钢混组合结构，索塔的外形有A型、H型、倒Y型、钻石型等，一般具体采用何种类型还要根据现场实际情况。主梁和索塔有多种固结方式，有些斜拉桥还会加入辅助墩改善受力。斜拉桥跨越能力比梁式桥更大，比悬索桥更节约钢材，具有比其他桥型更多的优点。

1.1.2 斜拉桥的分类

按梁、索、塔、墩的结构构成体系分类，斜拉桥可以分为漂浮体系斜拉桥、半漂浮体系斜拉桥、塔梁固结体系斜拉桥、刚构体系斜拉桥。漂浮体系斜拉桥只在桥梁两端与地面有支承，梁身自重主要由拉索承担，这种结构有利于改善梁身受力，使主梁梁段内力、弯矩、变形更加平缓和均匀。半漂浮体系斜拉桥在漂浮体系的基础上增加了索塔和主梁之间的竖向支承，桥墩和拉索共同受力。塔梁固结体系斜拉桥则将索塔与主梁固结，这种结构改善了梁下索塔的受力，可以在梁下直接用一般桥墩代替。主梁与索塔固结的同时，主梁变形不能自由释放，容易使索塔产生较大的转角位移，影响安全，所以一般只有小跨径斜拉桥才采用这种形式。刚构体系斜拉桥是将主梁、索塔、桥墩三则固结一起，这种桥梁形式适合施工，结构刚度大。桥梁的动力特性却是以上四种结构体系最差的一个。

按斜拉索的锚固体系分类，斜拉桥可以分为自锚式斜拉桥、地锚式斜拉桥和部分地锚式斜拉桥。自锚式斜拉桥是将斜拉索都锚固在桥梁自身主梁上，少数情况下，会有锚固在主梁支座处的拉索。地锚式斜拉桥见于只有一个索塔的斜拉桥，其靠岸侧斜拉索因为地形或者索塔的原因将会布置在地面上。部分地锚式斜拉桥斜拉索布置既有地锚式也有自锚式，是两则的结合类型。斜拉索锚固与现场实际情况有很大关系，设计人员应谨慎选取。

另外，根据斜拉桥主梁的布置方式的不同，可以分为连续体系和非连续体系斜拉桥；根据跨径布置的不同，斜拉桥可以分为单塔双跨式、双塔三跨式和多塔多跨式斜拉桥； 斜拉桥的类型多种多样，优缺点各有区别，桥梁建模时一定要仔细分析。

1.1.3 斜拉桥力学特性

斜拉桥是主梁被拉索多点吊起，拉索一端连接主梁，另一端连接在桥塔上的一种桥型。如果把拉索可以看作是桥墩，那么斜拉桥就可以当作一种多跨支承弹性连续梁桥。相比一般梁桥，其跨径大，自重轻，使用的建造材料更少。

斜拉索通过将主梁承受的桥身自重和车辆荷载传递给索塔，使得主梁内弯矩大大减少。主梁就不需要额外增加尺寸来增大刚度以抵抗弯矩，从而降低了主梁结构自重。由于拉索本身自重的原因，悬挂状态下会产生向下的扰度。所以要提前张拉斜拉索，给拉索一个预张应力，提高其刚度。考虑到主梁在荷载作用下会产生变形和位移，拉索的预张应力将大大改善主梁的变形和位移情况，使其受力更加合理。另外由于斜拉索对主梁的拉力是倾斜，使得主梁之间存在水平轴力，部分抵消主梁承受的拉应力，大大增强主梁的抗裂能力。

1.2 研究现状

1.2.1斜拉桥国内外发展状况

斜拉桥自从18世纪初就已经出现，第一座斜拉桥是一座跨径32米的木制桥，是由德国人勒舍尔于1784年建成。法国工程师叶帕特1821年才第一次提出斜拉桥的结构理论，但由于当时缺乏完善的科学理论和结构分析方法，出现了一些斜拉桥倒塌事故，如1818年英国特韦德河人行斜拉桥桥倒塌事故和1824年德国萨尔斜拉桥坍塌事故，这也导致斜拉桥这种体系在当时一直得不到重视和发展。直到1938年，德国工程师迪辛格尔对斜拉桥结构理论体系进行认真分析，同时主持修建了当时世界上最长的斜拉桥，瑞典的182米的斯特勒姆伍特桥，斜拉桥才渐渐得到认可。大约十年后，迪辛格尔最终也完成了自己对斜拉桥的研究成果，为现代斜拉桥的出现和现代斜拉桥理论提供了巨大的帮助。

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