摘 要

城市的发展依靠着交通的发展来支持，随着国家生产水平和国民水平的提高，无论是高速公路还是城市主干道必然需要建立更多的桥梁。对于城市桥梁，除了要考虑结构安全以外，优美桥梁景观也是在设计师的考虑范围内。异形塔斜拉桥由于其美观奇异的外形，和良好的城市河流环境适宜性，越来越受到的重视。该桥梁作为一种造型奇特美观的新型桥梁，在城市建设者的选择里越来越靠前。但本类斜拉桥因其本身结构与众不同的特点，导致其设计分析工作挑战性较大。

本文以2x90m的两跨蝴蝶兰拱塔斜拉桥为工程背景，对该桥进行受力分析研究。该桥桥塔结构独特，由三个钢拱圈结构物组合而成，边塔和中主塔呈32°倾角。因为此种独特的结构形式导致其受力分析工作相对较为复杂。本文应用大型有限元计算分析软件MIDAS/CIVIL对该桥进行整体空间结构单元建模，对其成桥阶段整桥的静力、稳定性、动力特性进行了分析。^[1]得出对结构的内力影响较大的荷载作用是汽车荷载和温度梯度荷载。但影响在规范要求范围内。本桥的自振以横向振型为主，较容易受到横波影响。从第六振型开始，本桥的自振频率较为集中，由此，应当着重注意桥梁的共振问题。在做抗震研究时这类问题应该受到足够的重视。并且在进行抗震分析时，横向受力必须考虑。

通过本文的计算分析，掌握了斜拉桥的有限元分析方法，同时对该类异形塔斜拉桥的研究提供了理论分析背景。

关键词：蝴蝶兰异形塔；受力性能；自振；斜拉桥

Abstract

The development of the city drives the development of traffic. ^[2]With the improvement of national production level and national level, more bridges must be built on highways and urban main roads. For the city bridge, the structure of it must be safe and reliable, and requirements to the structural landscape can not be ignored. ^[2] As a new type of bridge with peculiar shape and beautiful appearance, the bridge is more and more advanced in the choice of urban builders. However, the design and analysis of this kind of cable-stayed bridge is challenging because of its distinctive structure.

This paper takes 2x90m's two-span Phalaenopsis arch tower cable-stayed bridge as the engineering background, carries on the force analysis research to this bridge. The bridge tower has a unique structure, which is composed of three steel arch ring structures, with 32 °inclination angle between the side tower and the middle main tower. Because of this unique structural form, the force analysis work is relatively complex. In this paper, the finite element analysis software MIDAS/CIVIL is used to model the whole spatial structure of the bridge, and its static and dynamic characteristics are analyzed. The internal force on the structure is obtained. The most influential loads are automobile load and temperature gradient load. But the influence is within the scope of the specification. The natural vibration of the bridge is mainly transverse mode, which is easy to be affected by shear wave. Starting from the sixth mode, the natural vibration frequency of the bridge is concentrated, so we should pay more attention to the resonance of the bridge. This kind of problem should be paid enough attention to in seismic research. And in seismic analysis, the lateral force must be considered.

Through the calculation and analysis of this paper, the finite element analysis method of cable-stayed bridge is grasped, and the theoretical analysis background is provided for the research of this kind of cable-stayed bridge with special-shaped tower.

Key Words: phalaenopsis-shaped arch tower; natural vibration; Force characteristic；Cable-stayed Bridge

目录

摘 要 3

Abstract 4

第一章 绪论 1

1.1 斜拉桥发展概况 1

1.2 异形塔斜拉桥概况 1

1.2.1 异形塔斜拉桥的特点 2

1.2.2 异形塔斜拉桥发展概况 3

1.2.3 异形塔的研究现状 4

1.3 本文研究内容 5

第二章 斜拉桥结构分析理论及工程背景 6

2.1 斜拉桥结构分析理论 6

2.1.1 斜拉桥结构分类 6

2.1.2 斜拉桥静力分析概述 6

2.1.3 斜拉桥动力分析概述 6

2.2 蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥工程背景 6

第三章 斜拉桥空间有限单元模型模拟 9

3.1 蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥有限单元建模 9

3.1.1 异形拱塔模拟 9

3.1.2 钢主箱梁模拟 11

3.1.3 斜拉索模拟 12

3.1.4 下部结构模拟 13

3.1.5 边界条件模拟 14

3.2 本章小结 14

第四章 异形塔斜拉桥静力计算分析 16

4.1 异形塔斜拉桥合理成桥状态的确定 16

4.1.1 异形塔斜拉桥合理成桥状态的目标 16

4.1.2 确定合理成桥状态的方法 16

4.1.3 蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥成桥状态索力计算 17

4.2 异形塔斜拉桥成桥运营状态静力分析 18

4.2.1 成桥运营阶段荷载工况 18

4.2.2 活载作用计算分析 20

4.2.3 荷载组合作用计算分析 28

4.3 本章小结 29

第五章 异形塔斜拉桥动力特性计算分析 31

5.1 斜拉桥自振频率的计算 31

5.1.1 桥梁自振频率计算理论概述 31

5.1.2 自振特性结果分析 32

5.2 本章小结 38

第六章 结论与展望 39

6.1 结论 39

6.2 展望 40

参考文献 41

绪论

我国是一个山川河流众多的国家，随着国家生产水平和国民生活水平的提高，必然需要建立更多的桥梁，无论是高速公路或者是城市主干道都是需要的。一个优秀的桥梁作品，不仅可以便利市民出行，更可以作为一个地区的地标性建筑。并且其中也能融合一个城市的地方特色，所以斜拉桥在近代随着技术和材料的革新，取得了长足的发展。

斜拉桥发展概况

斜拉桥是一种桥面体系受压，支撑体系受拉的桥梁。加劲梁构成了该类桥梁的桥面系，钢索组成 其支撑体系。因为其特殊的构造，斜拉桥的跨越能力远大于一般的连续梁桥，使得斜拉桥在20世纪后期发展迅速。^[2]

1956年建设成功的瑞典的Stromsund 桥为现代斜拉桥建设的序章。斜拉桥的发展在此之后更加迅猛。主要原因是：

1. 高强度钢丝出现。这种材料可以使得桥梁在很大的跨度内保持直线。
2. 正交异性板的制造工艺走向成熟化。加劲梁不仅能够抗弯，而且还能承受相当大的压应力。
3. 大型有限元分析软件的出现，使得内力分析和结构稳定性分析变得轻松。

以上三点促使斜拉桥起步。^[3]

异形塔斜拉桥概况

随着人类科技水平的提高，人们越来越渴望优美适宜的斜拉桥。为了改变传统斜拉桥的外观，设计师们将选择桥塔结构和索材料作为创新突破点，异形塔斜拉桥由于其美观奇异的外形，和良好的城市跨河环境适宜性，越来越受到的重视。而异形塔斜拉桥因其独特的外形受到了很大的欢迎，在最近几年有了较大的发展。

异形塔斜拉桥的特点

桥塔毫无疑问能够充分展示出斜拉桥的特性，因此设计师们大都选择桥塔结构作为创新点，异形塔斜拉桥应运而来。异形塔斜拉桥由于其美观奇异的外形，和良好的城市河流环境适宜性，越来越受到的重视。除了普通桥塔造型的斜拉桥，还有一类斜拉桥，具有奇特的桥塔造型，该类桥塔的轴线大多和地面倾斜，并且拉索的布置形式通常是不对称的，所以该类斜拉桥具有更强的视觉冲击感，能够吸引人们驻足观看，提升城市影响力。^[2]这类斜拉桥被称作异形塔斜拉桥。由于其独特的结构，该类斜拉桥的设计和受力分析，是一件极具创造性且富有挑战性的工作。值得我们赞扬的是，目前已建成了诸多造型奇特美观且受力合理的桥梁，它们无论在造型上还是在受力形式上都是对传统斜拉桥的突破和创新。

异形塔斜拉桥发展概况

随着经济高速发展，乡村城市化给城市带来了更多的基础设施需求。为了改变传统斜拉桥的外观，设计师们通常将桥塔结构和索材料作为创新突破点，而异形塔斜拉桥因其独特的外形受到了越来越多的欢迎。我国在最近的十几年间也逐步建成了一些设计精良，造型优美的异形塔斜拉桥。

（1）哈尔滨太阳岛太阳桥为亚洲第一座独塔前倾无背索双索面全钢结构斜拉桥。

（2）通州世纪大桥位于南通第一运河——通吕运河上。其主桥采用双索面独斜拱塔结构。

（3）荆邑大桥是目前国内桥面第一宽的X型钢构桥梁。

图1-6 荆邑大桥

异形塔的研究现状

异形塔斜拉桥构造奇特，结构及材料均较为现代化，成为了城市桥梁的首选目标。^[2]

但是由于其受力复杂，为了出来的桥梁可以长期安全使用，对其开展受力分析工作就十分有必要 。异形塔桥塔富有多变的结构形式，不同的结构对应的结构受力特性也各有不同，因此国内外学者对异形塔斜拉桥的研究都是基于对某一座实际存在的异形塔斜拉桥进行的。

在文献^[4]中，以湖北省鄂东长江公路大桥为工程背景，郑周军根据其简化的力学模型，分析了在拉索作用下，拉索锚固区的受力情况。该计算分析结果对比索塔锚固区足尺节段模型试验实测结果之后，得出结论：大跨度斜拉桥较合适的锚固形式是内置式钢锚箱。

在文献^[5]中，以梅溪河大桥为分析工程背景，结合实际工程项目，彭泽友应用大型有限元程序 Ansys，建立了索塔锚固区的受力模型，并对其受力分析。得出了结构特征点处的应力值。

在文献^[6]中，以重庆东水门长江大桥为工程背景，针对该桥，耿波利用有限元软件Midas FEA建立了该桥索塔锚固区的非线性接触模型。通过该模型的仿真计算，得出了钢锚箱、侧拉板、剪力钉和塔壁混凝土的应力分布情况，以及索力的传递分配情况。

以上学者分别针对不同类型的斜拉桥和异形塔斜拉桥进行了受力分析研究，为以后分析具有类似结构的桥梁提供了理论依据。本文以2x90m的蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥这个新建工程为背景，利用大型有限元软件MIDAS/CIVIL，建立了其全桥分析模型，探究其结构合理性。

本文研究内容

本文的主要研究内容：

第一：结合国内外相关文献资料，总结斜拉桥和异形塔斜拉桥的发展概况和国内外异形塔斜拉桥的研究现状。

第二：介绍斜拉桥结构分析基本理论及蝴蝶兰异形拱塔斜拉的工程背景，建立双索面异形拱塔斜拉桥全桥有限元分析模型。^[2]

第三：对蝴蝶兰异形拱塔斜拉进行合理成桥状态索力的确定，桥梁结构静力计算，包括：

1.主梁计算；

2.成桥阶段主梁竖向位移和桥塔纵向水平位移计算，讨论结构受力的合理性；

3.汽车荷载作用下主梁最大竖向挠度计算，讨论主梁刚度是否满足规范要求；

4.主梁、主塔（边塔、中塔）、斜拉索和横梁的应力检算与分析。

第四：对蝴蝶兰异形拱塔斜拉进行桥梁结构动力特性计算与分析，为该桥进行地震等动荷载计算提供依据。

斜拉桥结构分析理论及工程背景

斜拉桥结构分析理论

斜拉桥结构分类

斜拉桥有三种基本构件，桥塔、主梁及斜拉索。属于多次超静定结构。[⁷]

斜拉桥静力分析概述

在早期，古典结构力学方法，是斜拉桥整体静力分析所使用的主要方法，例如力法、位移法和能量法。而随着桥梁跨度加大，其结构形式也随技术发展变得越来越复杂，新材料的大量使用，这些方法就显得不够使用了。而现在所流行的有限元分析方法，是基于计算机技术而发展的。运用该方法对桥梁受力进行空间模拟 ，是一种简化和近似的方法。有限单元分析法可以将塔、梁作为空间受力构件，用杆单元、板单元以及实体单元对其进行模拟分析。该方法的主要使用背景是将结构离散化，如以直杆代替拉索。而对一些结构较为复杂的斜拉桥，此时只能对其进行空间结构分析。

斜拉桥动力分析概述

斜拉桥动力分析一般可以分为三个方面：抗风、抗震以及消除行人行车不舒适感[8]。由于现代桥梁结构的刚度都比较大，因此行人行车不舒适感这个问题可以不考虑。但是风荷载以及桥梁自振对桥梁结构很大的影响。进行结构抗风、抗震分析时，首先得计算出其自身的自振频率和振型，因为这些均是桥梁结构动力反应特点的决定条件 。计算桥梁结构自振的方法有许多，目前主要是通过有限元建模来分析计算。

蝴蝶兰拱塔斜拉桥工程背景

本文模型蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥为新建的厥水一桥，桥位于湖北省随州市曾都区解放路。厥水一桥是在原旧桥上改建，采用类似于蝴蝶造型的双索面拱形塔斜拉桥，跨径布置为90m 90m=180m，采用塔墩固结、塔梁分离的半漂浮结构体系。主塔分为边、中主塔的布置形式，且两侧边塔相对竖直中塔呈32°倾角。

图1-11 桥式侧面图

本文研究对象为2x90m的两跨蝴蝶兰拱塔斜拉桥，为城市主干道上的景观斜拉桥。该桥主桥体系采用半漂浮体系，主塔分为边、中主塔的布置形式，且两侧边塔相对竖直中塔呈32°倾角。主梁梁高2m、梁宽32m，采用带挑臂的边主钢箱梁结构，其上下顶板采用正交异性板，且沿主梁纵向间隔数米设置横梁，使桥面整体受力均匀。

斜拉桥空间有限单元模型模拟

蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥有限单元建模

有限单元模型建立的过程是对实际工程的模拟的过程，也是进行有限元分析的基础。[⁷]但是实际桥梁结构物通常要比模型复杂，建立有限单元模型的过程是对简化其结构的过程。整个建模过程不仅要以桥梁力学理论为分析基础，还必须结合桥梁实际受力情况对模型进行反复调整。[2]本文蝴蝶兰异形拱塔斜拉桥采用MIDAS/CIVIL，对其进行空间杆系有限单元模拟。具体模型见下图：

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