斜拉桥结构设计论文

[摘要]本文根据斜拉桥结构设计原理以及悬臂施工方法的特点，运用MIDAS有限元软件建立了铁锣坪大桥的空间模型，对其施工过程进行仿真分析。下面小编整理了一些《斜拉桥结构设计论文(精选3篇)》，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。

斜拉桥结构设计论文 篇1：

铁路拱承斜拉桥竖转转体结构设计研究

新建常益长铁路沅江特大桥（32+90+90+32） m拱承斜拉桥主塔采用竖转方式施工，其转体结构的设计是是影响施工安全的重要因素。文章介绍利用Ansys软件对转体结构施工状态下的受力进行了验算，同时还分析了在侧向风荷载作用下的安全性，证明所设计的转体结构满足了施工要求，以期为类似施工方案提供参考。

特大桥; 钢箱主塔; 竖转; 转体结构

U445.465   A

[定稿日期]2021-03-12

[作者简介]韩若愚（1995～），男，本科，研究方向为桥梁工程。

1 工程概述

沅江特大桥跨石长铁路（32+90×2+32） m拱承斜拉桥位于位于湖南省常德市武陵区，桥梁起点里程为DK9+335.49（对应石长线里程为K88+916.49），终点里程为DK9+581.19（对应石长线里程为K89+162.19），全长245.7 m，处曲线半径R=2800 m圆曲线上。主塔采用拱型桥塔，塔底以上桥塔全高为66 m，桥面以上塔高45 m，桥面以下塔高21 m。拱轴线线型采用椭圆形。主梁在桥塔处与横梁刚性连接。拱塔截面尺寸为：顺桥向3.0 m×横桥向4.0 m，板厚为24～36 mm，拱塔单侧分为8段。桥塔横梁截面尺寸为：梁高2.8 m，梁宽3.0 m，顶板厚14 mm，底板和腹板厚16 mm。其结构示意如图1所示。

2 竖转转体结构设计概况

主桥桥塔为全钢箱结构拼装而成，采用工厂加工、试拼接，现场卧式拼装、竖向转体、与合拢。根据图2中所示，桥塔整体结构与转体机构[1-2]分为以下几个构件：

（1）桥塔结构：包括承台预埋段钢箱、转体钢箱与合龙段;

（2）竖转结构：支撑杆杆件（BM段），拉杆杆件1（BC段）与拉杆杆件2（BD段）;

（3）牵引机构与轨道：水平作用在支撑杆杆件（BM段）上的牵引钢绞线与电机以及支撑杆杆件BM的辅助轨道;

（4）定位机构：支撑杆杆件BM作用到钢转盘上时的辅助定位机构;

（5）保护机构：支撑杆杆件BM在牵引移动过程中发生失效时可以与轨道锁定的机构。

3 竖转过程有限元分析

3.1 初始位置分析

如图3所示，在初始状态下桥塔OA段为水平放置，BM杆牵引端M距离最终位置距离最远，分别计算M在初始位置，距离最终位置47 m、37 m、27 m、16 m、6.4 m以及5 m时候整个模型的受力情况。

按照豎转过程的施工过程，设置合适的边界条件，即在A处整体施加标准加速度，在B处采用铰接约束，在C处释放转动约束，并固结其他方向约束。

根据图4的计算结果，B处的反力为FY方向（竖向）为2 712 kN，FZ方向（水平）为2 587 kN，竖转铰处反力FY方向（竖向）为1 900 kN，FZ方向（水平）为2 641 kN，牵引荷载为2 723 kN。

顶推杆（BM）所受轴向力：

F=FY2+FZ2=3748kN

根据欧拉公式[3-4]计算临界荷载

Pcr=π2EIl2=π2E1-0.994412l2=19000kN

根据以上结果，可得到安全系数f=10.13，满足规范要求。

3.2 滑移过程受力分析

按照施工方案在模型中施加合理的边界条件，即在B、C两处施加铰接边界条件，仅允许轴向转动，整体施加标准重力加速度。然后计算施工过程中支撑铰（M处）距竖转铰47 m、37 m、27 m、16 m、6.4 m时的工况，其结果如表1所示。

3.3 支撑铰（M处）距竖转铰5m工况计算分析

当竖转体系撑脚据桥塔中心5 m，T0与T1钢箱尚未安装封板，其整个体系的受力和前者有所不同，需要另行建模分析（图5）。

按照施工方案，模型的边界条件可按照如下要求设置：桥塔仍由支撑桁架BM支撑，B处销轴孔铰接，沿销轴可转动，其他方向约束，C处销轴孔铰接，沿销轴可转动，其他方向约束，整体施加标准重力加速度。模型的计算结果如下所示。

撑铰M处反力：FY方向（竖向）为4 978 kN，FZ方向（水平）为1 710 kN。

单根支撑钢箱受力：

F= FY2+FZ2/2=2631kN

屈曲安全系数：

S=PcrF=190002631=7.22

其值满足规范要求。

竖转铰C处反力：FY方向（竖向）为-922 kN，FZ方向（水平）为-1 710 kN。

除此之外，通过图5可知，应力最大值为129 MPa，顶端Z方向（水平）位移最大119 mm，顶端最大竖向位移69 mm，满足实际施工要求。

3.4 侧风分析

根据标准风压公式[5]：Wp=0.5 V2/g，其中，空气重度r=0.01225 kN/m3，g=9.8 m/s2，v为风速。考虑10级大风，取风速上限28.4 m/s，得到风荷载Wp=0.51kN/m2。

由于模型为梁单元模型，因此施加线荷载。塔单元施加2.04 kN/m，拉板BC，BD施加0.408 kN/m，撑杆BM施加0.51 kN/m，如图6所示。

在考虑上转盘自重荷载下，竖转体系撑脚处一侧反力为2 894 kN，另一侧为3 380 kN，都没有出现负反力，满足施工要求。

4 结论

新建常益长铁路沅江特大桥（32+90+90+32）m拱承斜拉桥钢箱主塔采用竖转方式施工，其转体结构的设计与使用是施工安全的重要因素。本文通过数值分析，对竖转施工的整个过程中的转体结构的受力进行了验算，发现整个结构的受力、变形均满足施工需要。最后文章还对整个体系在侧向风载作用下的稳定性进行了分析，竖转体系撑脚均没有出现负反力，满足施工安全要求。

参考文献

[1] 高兴赞， 游德泉， 李琼慧. 基于有限元模型的独塔斜拉桥钢塔竖转转体过程静力分析研究[J]. 福建交通科技， 2018（1）：28-29.

[2] 张国臣. 转体桥施工控制要点分析[J]. 建筑工程技术与设计， 2015（7）.

[3] 孙潮， 陈宝春， 谢云举.徐州京杭运河特大桥竖转受力分析[J]. 福州大学学报（自然科学版）， 2002， 30（3）：358-361..

[4] 何敏娟， 郑元， 吕兆华. 钢拱塔斜拉桥竖转施工方案分析[J]. 特种结构， 2010， 027（1）：76-79.

[5] 严国敏. 法国伊泽尔河的吉利桥——塔竖转与梁平转的斜拉桥[J]. 铁道标准设计， 1993，（12）：40-42.

作者：韩若愚

斜拉桥结构设计论文 篇2：

双塔斜拉桥施工控制仿真分析

[摘 要] 本文根据斜拉桥结构设计原理以及悬臂施工方法的特点，运用MIDAS有限元软件建立了铁锣坪大桥的空间模型，对其施工过程进行仿真分析。采用前进分析方法模拟每一阶段施工状态，得到各个工况下结构的索力、内力、位移值，并且选择具有代表性的斜拉索和施工梁段进行研究，然后对仿真计算的结果进行了分析，总结出了结构在施工过程中的一些变化规律，为施工控制的实施奠定了理论轨迹。

[关键词] 有限元 仿真分析 斜拉桥 施工控制

斜拉桥其桥面体系用加劲梁构成，支承体系由钢索组成，是一种桥面体系受压、支承体系受拉的高次超静定结构，设计与施工高度耦合，所采用的施工方法和施工顺序对桥梁结构施工阶段和成桥状态的几何线形具有决定性的作用，特别是施工阶段结构体系和荷载形态的变化直接引起结构内力和变形的不断变化，结构最终状态的形成将受到许多确定和不确定因素的影响。

斜拉桥由于主梁很柔,在施工架设中,其主梁挠度和索力变化幅度值较大.另一方面,斜拉桥又是高次超静定结构,要使竣工后的主梁挠度和索力都符合要求是既重要又困难的任务.在斜拉桥的施工设计时,可以采用倒退的结构分析方法,从期望的成桥状态计算出每一施工状态的索力和挠度值。但是按这种设计值进行施工时,其实际结构的每一状态未必都能达到设计值.这是因为在设计时诸如材料的弹性模量、构件自重、临时施工荷载、徐变收缩参数等参数的选择不可能与实际结构所对应的完全一致;另外还存在环境的影响、测量误差、施工误差、结构模型简化和计算误差等因素.如果不在施工过程中逐步修正设计值,则由这些参数引起的结构误差具有积累性;随着悬臂的伸长,最终将显著地偏离设计目标,造成合拢困难,影响整个斜拉桥建成后的美观和运营质量。本文结合具体工程实例，针对斜拉桥施工难点，用桥梁结构有限元分析软件MIDAS2010建立了铁罗坪斜拉桥总体静力平面计算模型。所建模型完全描述了铁锣坪大桥各施工阶段的结构形式、荷载状况、边界条件、结构体系转化、拉索张拉与索力调整等结构分段形成的特点，准确计算出了各施工阶段的结构内力和变形，为施工控制的实施提供了重要的理论轨迹。

1、工程实例

铁锣坪大桥是位于沪蓉西国道主干线第十三标段湖北宜昌至恩施段的一座特大型公路桥梁。主桥斜拉桥为三跨一联双塔双索面塔梁固结预应力混凝土斜拉桥，主桥跨径组合为140+322+l40m，主梁采用肋板式结构，拉索采用平行钢丝体系。承台以上塔柱总高为190.397m。其中宜昌侧为7#索塔，恩施侧为8#索塔。

2、有限元模型

单元的划分：对铁锣坪大桥进行结构离散，全桥共分为595个单元(不含挂篮单元)，748个节点。其中桥面共划分为243个单元，桥墩和桥塔共划分为200个单元，索单元划分为152个。铁锣坪大桥塔梁固结处采用水平、竖直和转角三个方向均约束的主从节点处理，边跨临时墩采用仅竖向约束的主从节点处理，墩与基础均为刚性连接。全桥有限元模型图见图1。[1]

图1 全桥有限元模型图

计算工况：斜拉桥模型定义钢束组23组，结构组49组，边界组24组，荷载组114组，斜拉桥的成桥状态要通过一系列的施工步骤来实现。成桥状态确定后，斜拉桥的设计和施工都应以成桥状态为目标，同时满足施工强度要求来进行操作铁锣坪大桥主塔采用滑模法施工，主桥采用前支点挂篮悬臂浇注施工。根据实际施工方案的施工顺序，全桥施工仿真计算分析共划分为80个阶段。

结构构件的模拟：

（1）主梁模拟：对于本桥所采用的主梁，采用单主梁模型模拟比较合适，可以取得较好的计算效率性和经济性。主梁的模拟采用PSC变截面空间梁单元，程序通过自定义的截面自动计算梁单元的抗弯、抗扭和抗剪刚度，还能计算截面的质心、剪切中心、转动惯量并赋于梁单元。主梁梁段有限元模型图见图2所示。[2]

图2 主梁梁段有限元模型图

（2）主塔和桥墩的模拟

索塔同样地采用PSC空间梁单元，模拟方式同主梁。

（3）预应力的模拟

MIDAS/CVIL2006在建模时不是把预应力钢束看成析架单元，而是把钢束的预应力模拟为等价的荷载作用到混凝土截面上。在张拉、固定预应力束之前计算截面面积、抗弯刚度等截面特征值时使用的是从总截面减去管道截面的净截面，而在钢束张拉、灌浆后，则使用考虑了钢束截面效应的换算截面。钢束的张力随每个施工阶段的预应力损失而变化的，作用于分析模型中的等价荷载己经考虑了预应力损失效应。

（4）斜拉索的模拟

斜拉索采用析架单元模拟，考虑初拉力。对于索垂度引起的非线性行为，该桥的几何非线性主要包括斜拉索的垂度效应和梁柱非线性(即P－Delta效应)两部分。

3、计算结果及分析

斜拉索索力计算结果：对铁锣坪斜拉桥进行施工阶段的索力优化计算，经过三轮正装计算，成桥状态控制参数误差进入容许范围内，设计成桥索力与正装迭代成桥索力比较见图3。

图3 成桥索力图

从图中可以看出全桥索力分布比较对称，从索塔到两边索力逐渐递增，最大索力出现在中跨合拢段处的19号索。选取有代表性的斜拉索(7#-B1、7#-B10、8#-Z5、8#-B15)来分析在正装计算过程中索力的变化。[3]

累计挠度计算结果分析，如图4所示。

图4 主桥成桥阶段各节点位移图

由图5可以看出：挠度值随着主梁节段距离索塔的长度增大而增大，在距离主跨跨中位置4个梁段附近达到最大值。在两边跨交界墩附近出现正挠度，主梁向上凸起。选取有代表性的梁段(7#塔边跨侧1号梁段、10号梁段，中跨侧1号、10号梁段)分析在正装计算过程中挠度的变化情况。[4]

4、结论

本文根据铁锣坪大桥实际结构设计尺寸和具体施工方案建立了总体静力平面计算模型。所建模型完全描述了铁锣坪大桥各施工阶段的结构形式、荷载状况、边界条件、结构体系转化、拉索张拉与索力调整等结构分段形成的特点，准确计算出了各施工阶段的结构内力和变形，得出以下结论：

（1）斜拉桥特殊的结构体系决定了斜拉索力对塔、梁内力的影响非常显著,无论在设计还是施工阶段,索力都是控制全桥受力状态的关键因素。

（2）利用MIDAS/CVIL2006软件建立斜拉桥空间模型，对斜拉桥施工工况进行数值模拟。将计算值与现场实测数据对比,实测索力及结构内力变化规律与计算结果基本一致，说明计算模型正确合理，模拟的工况与实际施工过程相符，采用的计算参数基本正确。

（3）施工工序, 特别是主梁合拢方案对索力计算结果和立模标高确定影响很大,在施工中应该及早确定。

参 考 文 献

[1]朱伯芳.有限单元法原理与应用(第二版)[M].北京:中国水利水电出版社,1998.

[2]王勋成,邵敏.有限单元基本原理与数值方法[M].北京:清华大学出版社,1988.

[3]陈从春,肖汝诚.矮塔斜拉桥几个问题的探讨及发展展望[J].2005:287-292.

[4]王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验(上册)[M].北京:人民交通出版社,2004.■

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

作者：夏天 陈晓霞

斜拉桥结构设计论文 篇3：

有桥千程近，山河增瑞色

江汉交汇的武汉因唐人李白“江城落梅”之咏，久有“江城”雅号。又因1957年建成“万里长江第一桥”，尔后武汉落成跨越长江、汉水的桥梁十余座，又获“桥城”美名。伫立黄鹤楼头，观赏江桥交织的景象，不禁涌起“桥文化”的遐想。

1

自然环境提供文化创造的物质基础，具有理性和劳作能力的人类又对自然环境加以改造，使其“人化”，而自然的人化便是“文化”。

人类创造文化并不能天马行空、率性驰骋，而必须因应自然，把握自然提供的可能性，去创造文化的现实性。

运河的开掘与桥梁的构筑便是人类因应自然、改造自然的两大典范。

开掘运河，以克服东亚大陆江河西东走向带来的南北运输不便，造就了灵渠、京杭大运河等伟绩;与此异曲同工，广架桥梁是山川纵横的中国调整自然环境，使之适合生产、生活之需的又一卓越努力。

2

桥梁，泛指一切架空的人造通道，略分“跨水”与“越谷”两大类，又以跨水为主，《说文解字》段玉裁注曰：“梁之字，用木跨水，今之桥也。”

中国江河纵横，提供灌溉之利、航运之便，同时也带来行旅的艰难，如东西向的黄河、淮河、长江、珠江，都造成南北向交通的障碍。水量巨大的长江更有“天堑”之称，在古代曾一再阻挡北方铁骑南下，给商旅带来的困顿就更为普遍。为了克服山川阻隔造成的困局，中国古来即以造桥为国计民生之大事，形成丰厚的桥梁文化传统——

先贤充分肯定桥梁的重要作用。所谓“有桥千程近，隔水咫尺遥”，所谓“坦平箭直千人过，驿马驰驱万国通”，所谓“一桥飞架南北，天堑变通途”。既然桥梁如此利好于家国天下，故中国人历来把“修桥补路”视作大善之举。

勇于并勤于修造桥梁。中国自古便是桥梁大国，开掘多样的造桥材料，遂有木桥、石桥、砖桥、竹桥、藤桥、铁桥、钢筋水泥桥，乃至盐桥、冰桥等。创造丰富的桥梁型制，如梁桥（平桥）、浮桥（舟桥）、索桥（吊桥）、拱桥等。其中拱桥最富技术含量，为中国首创。南北朝的《水经注》已有记载，实物存世最古的是隋代匠师李春设计建造的安济桥，因地处今河北赵县，旧属赵州，故又称“赵州桥”。此为单孔敞肩石拱桥，借助拱形强大的抗御力，省用桥柱，飞跨江河两岸而牢固如磐，历1400年仍雄姿巍然。赵州桥昭显了中华先民知晓并运用力学原理于桥梁建设的卓越成就，所谓“奇巧固护，甲于天下”。

3

时至近现代，借助工业革命的伟力，桥梁建设的规模和技术水平不可同日而语。

茅以升主持修建的钱塘江大桥，用30个月工期，完成中国首座大型钢桥。1937年竣工，即逢抗日战争爆发，该桥使10余万难民得以通过，后日军迫近，茅以升忍痛炸毁钱塘江大桥，恢复钱塘江天堑，以阻挡日军。

中华人民共和国成立后，建桥事业长足进展，“万里长江第一桥”——武汉长江大桥1957年落成。此桥长1155米，为大跨度钢桥。在下当年作为初中三年级学生，曾多次到大桥工地义务劳动，桥上的某些水泥板，说不定是我们参加搬运的。此桥为民众钟爱，1957年诞生的武汉人命名“大桥”“汉桥”“长江”者甚众。

1968年落成的南京长江大桥，是中国人独立主持设计施工的长江大桥。

改革开放三十余年，进入建桥黄金时代，以武汉为例，近十余年新建7座长江大桥，连同老前辈武汉长江大桥，8座桥梁为大武汉造就了三环交通线。

近30年间，一系列桥梁世界纪录由中国打破：1982年世界最大跨度的铁路斜腿钢架桥——主跨176米的四川安康桥落成;1997年主跨590米的上海徐浦大桥落成;2005年跨径1490米的润扬大桥落成;2008年世界最长的跨海大桥杭州湾跨海大桥落成……

中国正在进一步学习、引进国外斜拉桥结构设计等技术，进一步开掘我国传统的悬索桥结构技术，并使之现代化。据报道，2020年前，中国兴建大、中、小型桥梁20万座，桥梁正向雪域高原进军。

4

桥梁不仅具有便利交通的实用价值，而且也是景观的有机构成，中国桥文化的一大特色便是对桥梁美学意蕴的关注与深度开掘。自古以来，中国人爱桥、颂桥，赋予桥梁灵动的美感。

有将其喻为彩虹的——“玉带垂虹”（古建专家陈从周），李白更有“两水夹明镜，双桥落彩虹”的名句。有将其喻為蛟龙的——杜甫赠李白诗云“水深波浪阔，天使蛟龙得”，将桥比拟为舞跃于水深浪阔之中的蛟龙，可谓妙想。

桥架水上，水映月色，故在诗人笔下，桥、月每每联姻，“二十四桥明月夜，玉人何处教吹箫”。何等情致！桥是联系的纽带，故为会友处，更是天各一方情人的相聚处，“鹊桥之会”传诵千古。

桥既然是聚散离合的节点，人们常常因桥怀旧，勾起思故之绪。唐人刘禹锡《柳枝词》云：“清江一曲柳千条，二十年前旧板桥。”明人葛一龙诗云：“桥上飞花桥下水，断肠人是过桥人。”桥畔送别，灞桥折柳，成为惜别的特定场景。宋人柳永词云：“参差烟树灞陵桥，风物尽前朝。”南宋陆游追思唐婉，亦有“伤心桥下春波绿，曾是惊鸿照影来”。

桥梁寄寓如此丰富，或壮丽或悱恻的诗情画意，说明桥梁的美学价值不在实用价值之下。人们的美感诉求，不仅寄托在杭州西湖的“残雪断桥”、北京颐和园的玉带桥等园林桥上，同时对各种交通桥也有美学要求。法国巴黎塞纳河上、匈牙利布达佩斯多瑙河上竞展典雅的多座桥梁被列国游人称颂。

桥梁，衔接江河阻隔，给人类带来交通之便;也与山川融为一体，提供悦目赏心之美，桥梁“能使山河增瑞色，永偕日月赛光华”。

摘自《冯天瑜文存·月华集》（湖北人民出版社）

作者：冯天瑜