论文总字数：27980字

摘 要

结合梁斜拉桥作为钢-混组合结构具有自重轻、刚度大、承载力强、施工速度快等特点，同时桥梁整体结构跨越能力大、造型优美。相比于悬索桥，在合理跨径内无论是适用性还是经济性都占据优势，近几十年发展迅速，受到国内外的青睐。但它的施工工艺流程复杂，在施工成桥阶段经常需要调整斜拉索来改变结构受力以达到安全稳定的目的。桥梁的合理成桥状态主要是由结构体系布置和斜拉索索力所决定的，因此在给定结构体系下就需要通过调节斜拉索索力来改变结构的受力状态实现内力优化。但斜拉桥具有“牵一索而动全桥”的特点，使得为获得合理成桥状态的索力优化成为核心问题。本文以赤壁长江大桥这一典型的结合梁斜拉桥作为研究对象，利用影响矩阵理论以弯曲能量最小为目标函数实现索力优化。参考中铁大桥设计院提供的设计施工图纸和现行规范，采用MIDAS CIVIL有限元软件建立赤壁长江大桥的空间模型，并合理设置边界条件、正确的施加载荷。在软件内基于影响矩阵理论调节出使主梁和主塔受力均匀、结构线型平顺的最优索力。同时ANSYS作为大型通用有限元分析软件，可以在上述斜拉桥力学分析模型下，使用ANSYS APDL平台上的Fortran语言进行二次开发，并精确的求解合理成桥状态下的斜拉索索力，以验证上述方法的可行性。

关键词：斜拉桥；索力优化；影响矩阵；最小弯曲能量法

ABSTRACT

Combined with the girder cable-stayed bridge as a steel-composite structure, it has the characteristics of light weight, large stiffness, strong bearing capacity, fast construction speed, etc. At the same time, the cable-stayed bridge not only has a beautiful appearance but also has a large distance,comprehensive consideration of all aspects than suspension bridge is more favored at home and abroad. However, its construction process is complicated, and it is often necessary to adjust the stay cables to change the structural stress in order to achieve the purpose of safety and stability during the construction of the bridge. The reasonable bridge state is mainly determined by the arrangement of the structure system and the cable force of the stay cables, so it is necessary to change the force state of the structure by adjusting the cable force of the stay cables under a given structure system to realize the internal force optimization. However, the cable-stayed bridge has the characteristic of "pulling one cable to move the whole bridge", which makes the optimization of cable force in order to obtain a reasonable bridge state become the core problem.

This paper takes the chibi Yangtze river bridge, a typical cable-stayed bridge with combined beams, as the research object, and USES the influence matrix theory to optimize the cable force with the minimum bending energy as the objective function. the space model of Chibi Yangtze River Bridge is established by using MIDAS CIVIL finite element software, and the boundary conditions and correct applied load are reasonably set up. The optimal cable force is adjusted based on the influence matrix theory. Meanwhile, the Fortran language on ANSYS APDL platform is used for secondary development, and the cable-stayed cable force under reasonable bridge condition is solved accurately to verify the feasibility of the above method.

Key words：cable-stayed bridge；cable force optimization；influence matrix；minimum bending energy method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 结合梁斜拉桥研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 本文研究内容与意义 5

第2章 斜拉桥索力优化理论 7

2.1 索力优化基本概念 7

2.2 索力优化的影响矩阵法 8

2.2.1 基本定义 8

2.2.2 斜拉桥索力优化影响矩阵法 8

第3章 赤壁长江大桥有限元建模 10

3.1 赤壁长江大桥工程概况 10

3.1.1 材料特性参数 10

3.1.2 截面特性参数 11

3.1.3 边界条件与计算载荷 11

3.2 赤壁长江大桥基于ANSYS的二次开发 11

3.3 赤壁长江大桥基于MIDAS建模 13

3.3.1索单元的算法 13

3.3.2调索过程中的重点概念及常见问题 16

3.3.3 MIDAS CIVIL下的斜拉桥成桥状态调索 17

第4章 赤壁长江大桥合理成桥状态分析 19

4.1成桥状态下的索力分析 19

4.2最优索力下主梁的受力分析 24

4.3最优索力下主塔的受力分析 25

第5章 结论与展望 27

5.1 结论 27

5.2展望 27

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 结合梁斜拉桥研究背景

1975年我国才建立起第一座斜拉桥，但随着我国经济的飞速提升和国家对交通事业的高度重视，桥梁工程建设迅速崛起。在所建造的各种桥型结构中，结合梁斜拉桥凭借其受力合理、可采用悬臂施工和跨越能力强等所特有的优点脱颖而出，被广泛运用到桥梁建设中，而且朝着前所未有的高峰期迈进，发展速度非常快。目前我国已经建成30多座大跨度斜拉桥，是世界上斜拉桥数量最多、跨度最大的国家。

结合梁斜拉桥属于钢-混凝土组合结构体系，组合结构是在传统桥梁结构形式的基础上发展起来的新型结构体系^[1]。组合结构就是将钢材和混凝土两种最常见的工程材料通过合理的方式组合成整体结构，可以充分发挥各自的性能优势，扬长避短，实现结构性能的有效提升，以形成自重轻、刚度大、承载力强、现场施工作业量小、施工速度快的新结构，实现“1 1gt;2”的结果。同时组合结构拥有很大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度^[2]。组合结构中的结合梁在施工过程中桥面板放弃了容易疲劳破坏且造价较高的正交异形钢板，预制混凝土板成为更好的选择；同时，预制混凝土桥面板在钢横梁之间纵向布置，这样整体结构在桥面板上所产生压应力与局部载荷对桥面板产生的拉应力相叠加^[3]。

斜拉桥是一种高次内部超静定结构，其简单的结构、轻盈美观的外形似乎并不影响它不断延展的跨径。桥梁结构中主梁、主塔和斜拉索的传力机理^[4]可以看作是主梁被高强度钢材制成的斜拉索多点吊起，这样跨度较大的主梁就像是多点弹性支撑的连续梁一样工作。主梁在施工建造阶段会受到恒载作用，建成通车后又会受到车辆活载等的作用，根据平衡原理向下的作用力除了为数不多的辅助墩抵抗外，主要是通过斜拉索的拉力来抵消的。受拉的斜拉索作用在主塔上，由于索力在水平方向的投影之和为零，就相当于一根根的拉索只给主塔向下的集中力，主塔便成为承受来自拉索和地基支反力的受压构件，有利于斜拉桥跨越能力得到了提高。

1955年，建于瑞典的Stroemsund桥主跨182.6m，成为了世界上第一座现代斜拉桥。随后由于桥梁理论、高强度材料、计算机技术的长足进步，斜拉桥在世界上得到了蓬勃发展，出现了德国Fridrich Ebert桥，日本的Tatara桥以及美国的P-K桥等优秀桥梁。1982年德国教授Leohardt首次提出了结合梁斜拉桥的设计理念 ^[5,6]，为现代结合梁斜拉桥奠定了基础。国内的专家学者借鉴世界上首座结合梁斜拉桥Annacis桥的经验，设计了主跨为423m的上海南浦大桥，第一座结合梁斜拉桥在我国建立。为了提高斜拉桥的总体刚度，专家们设计在边孔处设置辅助墩；为了增大边跨压重设计在尾端和过渡孔使用混凝土结构，实现了技术上的创新。认识到斜拉桥的显著优越性和社会效益，采用结合梁斜拉桥结构体系的徐浦大桥、杨浦大桥在之后进行了施工建造。在近几十年间，结合梁斜拉桥成为建在江河上大跨度桥梁的广泛采用形式之一。国内典型的结合梁斜拉桥^[7,8],见表1.1。

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