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斜拉橋怎么建模？

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斜拉橋怎么建模？

2022/07/18
斜拉橋又稱(chēng)斜張橋，主要由索塔、主梁、斜拉索組成，是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)體系。其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁，可使梁體內(nèi)彎矩減小，降低建筑高度，減輕了結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省了材料。
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斜拉橋作為一種拉索體系，比梁式橋的跨越能力更大，是大跨度橋梁的最主要橋型。斜拉橋?qū)υO(shè)計(jì)和施工技術(shù)的要求非常嚴(yán)格，斜拉橋的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)與其它橋梁形式有很大不同，設(shè)計(jì)人員需具有較深厚的理論基礎(chǔ)和較豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。在斜拉橋設(shè)計(jì)中，不僅要對(duì)恒荷載和活荷載做靜力分析，而且要做特征值分析、移動(dòng)荷載分析、地震分析和風(fēng)荷載分析。
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下面，我們一起來(lái)看下斜拉橋的具體原理及建模過(guò)程。

斜拉橋的原理
斜拉橋承受的主要荷載并非它上面的汽車(chē)或者火車(chē)，而是其自重，主要是主梁。以一個(gè)索塔為例，索塔的兩側(cè)是對(duì)稱(chēng)的斜拉索，通過(guò)斜拉索將索塔主梁連接在一起。假設(shè)索塔兩側(cè)只有兩根斜拉索，左右對(duì)稱(chēng)各一條，這兩根斜拉索受到主梁的重力作用，對(duì)索塔產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的沿著斜拉索方向的拉力，根據(jù)受力分析，左邊的力可以分解為水平向向左的一個(gè)力和豎直向下的一個(gè)力；同樣的右邊的力可以分解為水平向右的一個(gè)力和豎直向下的一個(gè)力；由于這兩個(gè)力是對(duì)稱(chēng)的，所以水平向左和水平向右的兩個(gè)力互相抵消了， 最終主梁的重力成為對(duì)索塔的豎直向下的兩個(gè)力，這樣，力又傳給索塔下面的橋墩了。
斜拉索數(shù)量再多，道理也是一樣的。之所以要很多條，那是為了分散主梁給斜拉索的力而已。
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斜拉橋建模
斜拉橋結(jié)構(gòu)在力學(xué)上屬高次超靜定結(jié)構(gòu)，是所有橋型中受力最為復(fù)雜的一種結(jié)構(gòu)。由于斜拉索索力的不同和施工方法的不同，其最終的成橋受力狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)明顯不同。因此，在斜拉橋結(jié)構(gòu)的受力分析中，首要任務(wù)即是確定合理的成橋狀態(tài)，以使得成橋結(jié)構(gòu)受力均勻，進(jìn)而確定合理的施工狀態(tài)。

1.整體建模
從下圖可以看出，斜拉橋豎曲線對(duì)主梁的受力影響很大，因此，在斜拉橋的建模中必須根據(jù)豎曲線來(lái)建立主梁的計(jì)算軸線。
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2.結(jié)構(gòu)體系
根據(jù)塔、梁、墩三者之間的關(guān)系，斜拉橋主要分為固結(jié)體系（塔梁墩三者完全固結(jié)）、半漂浮體系（主梁支承于墩頂橫梁上的支座、塔墩固結(jié)）、漂浮體系（塔墩固結(jié)、主梁與塔墩在相接處沒(méi)有任何聯(lián)系）。顯然，對(duì)于這三者不同體系，塔、梁、墩之間的連接關(guān)系須采用不同的方法來(lái)模擬。

3.輔助墩
斜拉橋一般以雙塔三跨、單塔雙跨的結(jié)構(gòu)布置為主，為了提高主跨的剛度、減小活載作用的變形，邊跨內(nèi)可布置一個(gè)或多個(gè)輔助墩。但從受力上來(lái)說(shuō)，輔助墩受力較為復(fù)雜，特別是在活載作用下，輔助墩可能會(huì)承受較大的豎向上拔力（設(shè)計(jì)中可通過(guò)壓重的方式盡可能避免），但不能承擔(dān)水平力，這樣在結(jié)構(gòu)設(shè)置上需要設(shè)置拉力支座。模擬時(shí)必須將輔助墩支座按照單向受壓、或者單向受拉、或者有一個(gè)較小的受拉一間隙的支座來(lái)模擬。
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4.主梁
斜拉橋的主梁結(jié)構(gòu)主要是采用混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)或者鋼混組合結(jié)構(gòu)，在截面形式上又可分為閉口截面和開(kāi)口截面。
在進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí)，混凝土截面均可采用普通梁?jiǎn)卧獊?lái)進(jìn)行模擬，結(jié)果足夠精確；對(duì)于鋼箱梁截面的空間效應(yīng)，最好是采用帶第7個(gè)畸變自由度的空間梁?jiǎn)卧獊?lái)進(jìn)行分析。
在進(jìn)行動(dòng)力分析（抗風(fēng)、抗震）時(shí)，主梁的模擬方法對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響非常大。
主梁?jiǎn)卧凸?jié)點(diǎn)的劃分方式主要跟主梁的施工方法有關(guān)，在橫梁相接處、典型截面位置、拉索錨固點(diǎn)、不同材料相接處、施工縫等這些位置都需要?jiǎng)澐止?jié)點(diǎn)。

5.索塔
橋塔可采用混凝土結(jié)構(gòu)、鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)。對(duì)于混凝土索塔或者鋼塔，在整體計(jì)算時(shí)可采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，對(duì)于鋼一混組合索塔，若在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間同時(shí)有兩種材料，則可通過(guò)同時(shí)建立鋼單元和混凝土單元來(lái)模擬。在索塔錨固區(qū)，單元長(zhǎng)度拉索間距的1～3倍控制。
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6.拉索
拉索的模擬分為兩類(lèi)：對(duì)于近千米或者超千米的斜拉橋，長(zhǎng)拉索具有明顯的非線性效應(yīng)，可采用索單元或者懸鏈線單元來(lái)模擬；對(duì)于中小跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)，其斜拉索的模擬可采用Ernst公式修正的等效桁架單元（只受拉），結(jié)果足夠準(zhǔn)確。

7.索梁錨固、索塔錨固
拉索在梁和塔上的錨固點(diǎn)一般不與主梁、索塔截面的中性軸位置相重合，之間都會(huì)有一段距離，此時(shí)需在拉索錨固點(diǎn)和主梁、索塔節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置剛臂相連，以保證內(nèi)力的傳遞符號(hào)真實(shí)狀況。
但并不是所有的拉索錨固都需要設(shè)置剛臂，如長(zhǎng)沙市的洪山橋?qū)儆跓o(wú)背索斜塔斜拉橋，它的拉索錨固在塔的中和軸上。

8.復(fù)雜受力區(qū)域
除了整體受力之外，在一些特殊區(qū)域，如索塔錨固區(qū)、索梁錨固區(qū)、主梁0號(hào)塊、承臺(tái)等受力集中的局部區(qū)域，需要采用實(shí)體單元模擬，以掌握復(fù)雜受力體內(nèi)部的各種局部?jī)?nèi)力狀況。

9.施工模擬
斜拉橋施工階段分析的類(lèi)型主要有兩類(lèi)。一是考慮時(shí)間依存性的累加模型，這屬于小變形分析，適用于大部分中小跨徑的斜拉橋。在施工階段，拉索的應(yīng)力水平較低，此時(shí)拉索彈性模量必須考慮它的垂度效應(yīng)；當(dāng)結(jié)構(gòu)處在成橋狀態(tài)時(shí)，斜拉索的應(yīng)力水平較高，此時(shí)拉索彈性模量折減將很小。二是考慮非線性的累加模型，對(duì)于索單元按懸索單元進(jìn)行大變形分析，適用于千米級(jí)的斜拉橋。
斜拉橋一般采用懸臂施工，包括懸臂拼裝和懸臂澆筑法。掛籃與混凝土濕重作為施工荷載加在節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)荷載的激活與鈍化來(lái)模擬掛籃的前進(jìn)。對(duì)于塔梁非固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系通過(guò)修改不同階段的邊界條件來(lái)模擬結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。


斜拉橋建模軟件
斜拉橋建模需要使用三維橋梁建模軟件OpenBridge Modeler。OpenBridge Modeler適用于大中小或復(fù)雜的橋梁建模，以及碰撞檢測(cè)、動(dòng)態(tài)視圖、施工模擬等橋梁分析需求。下面，我們一起來(lái)看下OpenBridge Modeler的具體功能和介紹。
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OpenBridge Modeler是Bentley公司針對(duì)橋梁模型創(chuàng)建而開(kāi)發(fā)的一款參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件，具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)建模功能，可以利用強(qiáng)大的參數(shù)化截面圖模板，自由創(chuàng)建復(fù)雜形狀的模型。其豐富的常用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化組件庫(kù)可以幫助用戶簡(jiǎn)化日常的橋梁建模工作、實(shí)現(xiàn)逼真的可視化效果并提供費(fèi)用估算明細(xì)。


軟件詳情：http://xaguge.cn/Products/openbr.html



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