【正文】 索塔，尺寸的擬定關系重大。懸索橋通常作為當地標志性建筑物，設計時必須充分考慮橋梁的美學元素。： 國內外已建或在建的鋼筋混凝土索塔的基本情況序號橋名主跨跨徑塔高索塔高跨比橫系梁根數1坦克維爾橋（法國）60812322小貝爾橋（丹麥）60023恒伯爾橋（英國）141044青馬橋（香港）137745汕頭海灣橋45236廣東虎門橋 88837江陰大橋13853 尺寸的擬定懸索橋是特大跨徑橋梁的主要形式之一，由主纜、索塔、加勁梁和錨碇4個主要部分組成。第4章 主要構件的設計與驗算 索塔設計 國內外已建成或在建的鋼筋混凝土索塔根據現有統(tǒng)計資料，國外已建成的特大跨徑懸索橋中，采用鋼筋混凝土索塔的很少。 塔頂、跨中位移值（mm）位置順橋向振幅（X波）橫橋向振幅（Y波）豎向振幅(Z波)塔頂—～—～—～主纜跨中—～—～—～主梁跨中—～—～—～ Y波作用下塔頂Y方向位移變化 Y波作用下加勁梁跨中Y方向位移變化 從分析結果可以看出，由于選擇的地震波能量太大，相對于反應譜分析的結果位移因此大很多，并且查看結果，塔柱在X波作用下塔身的最大拉應力達到了2MPa，超過了C50混凝土的容許抗拉強度設計值（）。，分析類型為線性分析，分析方法采用振型疊加法，時程類型為瞬態(tài)，分析時間均設為60秒，稍長與地震作用時間。特征值分析頻率數為300，分析后查看其各個方向的振型參與質量均達到90%，滿足要求，即可查看反應譜分析結果。(a)豎向一階正對稱振動(b) 橫向一階正對稱振動(c)纜索正對稱橫向振動（雙纜反向）(d)豎向一階反對稱振動(e) 纜索橫向振動、梁側彎(f) 索塔、纜索橫向振動(g) 纜索橫向反對稱振動（雙纜反向）(h)纜索橫向反對稱振動 (i)豎向二階正對稱振動(j)纜索橫向反對稱振動（雙纜反向） 前十階模態(tài)振型圖 反應譜分析采用程序自動生成反應譜，設計采用同一條反應譜函數China(JTJ00489)，基本烈度7，場地類別Ⅰ，最大周期10s。前幾階振型中，該橋以纜索橫向振動居多，主要是由于豎向剛度非常大，相對來說橫向剛度就較小了。睿江大橋加勁梁的跨度小，剛度相對較大，而且該橋的振動基頻來就很高，因此在第6階出現了以主塔參與振動的振型，也可以做出解釋。一般大跨度懸索橋的自振周期均較長，基本都在 10s以上，并且以主塔振動為主的振型出現較晚。睿江大橋前10 階模態(tài)的頻率及前10 。運用分別對結構進行特征值分析、反應譜分析和時程分析。橋梁結構的動力特性參數包括結構的自振頻率、振型及阻尼比等，反應橋梁的剛度和剛度分布的合理性。體系的敏感程度與其自身固有頻率和輸入作用的頻率之比密切相關?，F在對懸索橋受動力荷載行為（受迫振動）的研究均是以其固有振動或自振特性為基礎的。由于是橋塔失穩(wěn)，而滿跨荷載的降溫工況橋塔受力是很不利的，因此，本橋的簡化分析還是具有一定意義的。因為主纜與吊索為受拉構件，加勁梁有一定的彎曲應力，但相對橋塔承受的壓應力要小得多，因此兩種工況均為橋塔失穩(wěn)；再者，在降溫荷載下，拉索收縮，會加大對橋塔的壓應力，所以降溫工況要比升溫工況的特征值穩(wěn)定系數稍低。 移動荷載工況加勁梁彎矩包絡圖（y方向） 移動荷載工況加勁梁應力包絡圖注：其中的彎矩和應力均包含恒載 屈曲分析 限于作者的水平，本橋只進行了結構在恒載，滿跨活載（車輛+人群），風，溫度荷載作用下的線彈性屈曲分析，并將兩者加以比較。其中最大豎向彎矩 t此項工作將在后續(xù)章節(jié)進行。由此可知：在活載作用下加勁梁豎向最大撓度發(fā)生在跨中點位置。 溫度變化主纜索力增量 溫度變化吊桿內力增量 移動荷載工況分析之前對結構所做的分析將用于后來擾度和極限承載力能力的驗算分析，下面要做的是對結構進行移動荷載（車輛和人群）的分析，可以得到結構在移動荷載工況下加勁梁的彎矩包絡圖和應力包絡圖，以及車車道荷載作用下加勁梁豎向最大撓度。溫度變化對兩邊端部幾根吊桿內力影響較大，溫度升高引起端吊桿內力減小，溫度降低引起端吊索內力增大，但溫度變化對其他吊索內力變化影響很小。 ℃作用下結構的變形 ℃作用下結構的變形（2） 主纜、吊索內力增量溫度升高使得主纜內力減小，溫度降低則使主纜內力增加，其增量大小與溫度變化大小有關，溫度變化愈大，主纜內力變化愈大。模型在成橋運營階段主纜與塔頂固結，溫度降低使主塔縮短，索塔位置附近主纜有所下?lián)?，其他位置處主纜上撓；溫度升高時情況相反。（1） 主纜和加勁梁豎向位移溫度升高（），主跨主纜最大下?lián)?，加勁梁最大下?lián)?，均位于在跨中點；溫度降低（），主跨主纜最大上撓 ，位于離跨中點一個吊桿距離偏向固定鉸支座的一個節(jié)點處，加勁梁最大上撓 ，位于在跨中點。這里只考慮均勻的或線形的溫度變化。（） 在橫向靜風荷載作用下加勁梁的彎矩 溫度作用分析溫度作用也是作用在懸索橋結構上的主要作用之一。（） 在橫向靜風荷載作用下主纜與加勁梁的位移（2）加勁梁橫向彎矩增量經過有限元計算得到，加勁梁在靜風荷載作用下，橫向彎矩的最大增量為 t 建模過程中索塔和加勁梁風力簡化為梁單元梯形荷載和梁單元均布荷載，主纜風力近似為節(jié)點荷載。經計算得，各個構件的風荷載標準值為：加勁梁 ，橋塔上部 、橋塔下部 ，主纜為 （主跨）、（邊跨）。依據設計規(guī)范，取該橋的設計基本風速 V10=，按D類地區(qū)類別計算，設計風速重現期換算系數 k0 取 ；各個構件的風載阻力系數k1均取 ；各個構件的風速高度變化修正系數 k2 分別?。杭觿帕喝?，橋塔頂部取 、底部取 ；陣風風速系數k5取 。根據已有的三分力風洞實測曲線可知，0oC 攻角時的 CV 和 CM 的影響一般通過原點或接近原點，因此在風速較低和加勁梁扭轉角不大的前提下，忽略CV和CM的影響只考慮CH的作用。橫向風荷載是垂直于懸索橋縱向軸線的風荷載，它對懸索橋加勁梁的靜荷載通常用三分力即 FH、Fv 和扭矩 M 來描述，三分力的大小由空氣密度、風速和加勁梁迎風面積大小及幾何形狀確定，其中，加勁梁幾何形狀是一個關鍵性因素。因此，主纜剛度減小，從而使整個橋體結構的剛度減小。本設計中采用了國內常見的流線型扁平鋼箱梁。而對于吊桿增量，在滿跨車道荷載作用下，由于加勁梁的變形，致使吊桿拉力增量呈現與加勁梁的變形形狀相反地增量趨勢，端部吊桿由于變形小，故分配的拉力較小，中段吊桿變形大，相對分配的拉力較大；并且相對于人群荷載來說，由于存在車道荷載集中力的作用使得車道荷載作用下的吊桿增量有一個尖峰，而人群荷載作用下的中段吊桿相對平緩，這也在情理之中。這里僅列出滿跨人群荷載作用下主纜索力和吊桿拉力增量。 滿跨車道荷載結構變形。于是本橋又采用非線性分析計算出滿跨車道荷載作用下的加勁梁豎向最大撓度 ，同樣在跨中。在滿跨車道荷載作用下：如果采用線性分析，加勁梁豎向最大撓度 ，正好發(fā)生在跨中位置。車輛加載依據《公路橋涵設計通用規(guī)范》進行，全橋橋面寬9m，荷載等級為公路一級，雙向兩車道。m，最大拉應力 ，最大壓應力發(fā)生在索塔底部，為 。 恒載主纜索力 恒載吊桿拉力 恒載加勁梁和索塔彎矩圖恒載作用下主纜索力最大值為 ，最大應力 ，位于邊跨主纜塔頂處；由于端部吊桿吊桿需要承受比標準吊桿稍長的加勁梁段，故兩端吊桿拉力較大，符合實際情況，最大拉力為 ，最大應力 ，發(fā)生在靠近索塔的第一根端吊桿，為了使吊桿應力較為均勻，所以將端部吊桿的尺寸予以加大，此方案是比較合理的；加勁梁中間段內力分布較為均勻，固定端由于存在端部無索區(qū)，故正彎矩較大，而彈性連接端由于彈性效應，使得靠近索塔的幾段加勁梁存在負彎矩，這也在預料之中，加勁梁的彎矩最大值為 一次成橋施工階段計算根據一次成橋施工階段的結果可以查得主纜（），吊桿拉力（），加勁梁的內力以及索塔的內力（）。精確精算線型，經過疊加計算之后，建立施工階段模型（一次成橋狀態(tài)），運行之后，得到恒載作用下結構最大豎向撓度發(fā)生在彈性連接的支座處，僅為 e007 m，由此可知懸索橋精確分析的得出的線型接近理想線型，足以達到工程需要（）。隨后修改懸索橋分析控制數據并運行（），通過不斷地迭代，直到相鄰兩次之差呈千分之幾的固定值，可認為模型迭代次數以及收斂次數足夠，這可能是模型修改較大或者主梁支座處使用了彈性連接造成的。 懸索橋建模助手對話框 懸索橋建模助手 去掉中間跨 修改為獨塔由于模型改動較大并且也希望找到更加理想的成橋線形，因此，修改相應的邊界條件，通過合并以及分割單元來建立索塔和索塔上下橫梁等。由于程序沒有獨塔模型，因此根據懸索橋在成橋狀態(tài)下邊中跨主纜水平力相等這一平衡原則，利用懸索橋建模助手（）建立一雙塔兩跨懸索橋的模型（）。（3）假定主纜與吊桿的連接節(jié)點之間的索呈直線形狀，而非拋物線形狀。其基本假定如下:（1）吊桿在橫橋向垂直向下，并垂直于順橋向。軟件不僅能做節(jié)線法分析，而且還能對整體結構體系做精確的初始平衡狀態(tài)分析。此方法是懸索橋(廣安大橋、永宗大橋、日本明石海峽大橋)廣泛應用的方法。對于程序，懸索橋的初始平衡狀態(tài)分析階段是以懸索橋的基本假定為基礎，利用節(jié)線法來計算空纜線形的過程。因此，懸索橋的空間建模計算應該是首先確定初始平衡狀態(tài)，然后根據初始平衡狀態(tài)進行靜力和動力分析。特別是成橋后在恒載作用下主纜和吊索的張力、橋形應與設計目標一致。這是索結構等張力結構設計中的一個關鍵問題。在給定的邊界條件下，所施加的預張力系統(tǒng)的分布和大?。ㄟ@是一套自平衡的內應力系統(tǒng)）同所形成的結構初始形狀之間是相互聯(lián)系的。在外荷載作用下的懸索橋結構分析，不僅對懸索橋的設計計算，而且對檢查懸索橋結構在施工階段、成橋運營階段的安全性都是十分必要的。下面將詳細介紹睿江大橋成橋階段的各種分析。將初始平衡狀態(tài)下構件的內力轉換為幾何剛度后做線性化分析的方法稱為線性化有限位移法。懸索橋在施工階段具有很明顯的非線性反應，但在給主纜以及吊桿施加了足夠的張力的成橋階段，其它荷載(車輛荷載、風荷載等)作用下的結構效應顯示為線性。懸索橋在成橋狀態(tài)下處于結構自重平衡狀態(tài)，又稱為懸索橋的初始平衡狀態(tài)，計算初始平衡狀態(tài)下主纜的坐標和張力稱為初始平衡狀態(tài)分析。 睿江大橋空間有限元模型——： 模型的立面圖 模型的平面圖 模型的軸測圖懸索橋的結構分析主要分為成橋階段分析和施工階段分析兩部分。而加勁梁與陸地的連接采用固定鉸支座簡化處理。建模過程中，在橋塔與鋼箱梁的連接處，除了豎向支座，還考慮了加勁梁橫向抗風的需要設置了抗風支座。（3）門字形索塔：由于混凝土索塔是等截面的箱型，故采用等截面里的箱型截面自定義索塔截面即可。吊索間距為9,328，12m，吊索與主纜連接處共用節(jié)點。橋面板厚14mm，底板與斜腹板厚度為12mm?？紤]到結構受力，空間布纜以及后期施工階段吊裝和模擬的方便，鋼箱梁的分段為4m（端節(jié)段）+1616m（標準段）+12m（端節(jié)段 ）一段。這里需要注意是，鋼箱梁為薄壁閉口結構，故在的截面特性計算中對閉合部分一定使用— —。所以，鋼箱梁的整體受力考慮了面板、底板、縱向加勁肋以及腹板，不計入橫隔板的剛度貢獻，但它自身的總量不可忽略?？辜糁饕筛拱宄袚＝Y構各構件的模型特點描述如下：（1）鋼箱梁：考慮到鋼箱梁的截面比較復雜，故根據受力特點進行簡化模擬。建模時應抓住主要矛盾，忽略次要因素的影響，盡量減少模型誤差。當然，也可以用實體單元、殼單元等來仿真實際的結構，但這種方法工作量太大，往往導致過于注重細節(jié)而忽視大局。： 材料參數名稱材料類型彈性模量E（1011N/m2）面積A(m2)慣性矩I（m4）容重W（kN/m3）主纜鍍鋅鋼絲0吊桿鍍鋅鋼絲0加勁梁Q345D(帶縱肋)83主塔C50砼25 模型結構的組成一般將懸索橋模型簡化為空間桿系結構模式。材料均選用C50混凝土。3. 主塔主塔截面為帶圓弧倒角的箱型截面，采用等截面形式，材料選用C50混凝土。建立模型時簡化為單吊桿。對于標準梁段的標準吊桿：依據規(guī)范公式：其中：為安全系數，； 為高強鋼絲的公稱抗拉強度，取1670MPa。則主纜的橫截面面積：取單絲直徑為5. 10mm,單股絲數為127絲， 。,則加勁梁重量： =鋪裝層為8cm的瀝青混凝土，則：9 =人行道、欄桿等附屬結構根據規(guī)范取值，即：2取一半的橋梁寬度， 擬定主纜的尺寸：（+1）= t/m由以上數據可知：+= t/m + 1 ==主纜的水平拉力：其中： 為橋梁的等量跨徑，為544m； 為橋梁的等量垂度。做近似計算。睿江大橋的等量矢跨比DS=1/10。因此，引入一個參數：當獨塔懸索橋產生的水平分力與兩倍于獨塔懸索橋主跨加勁梁跨徑的雙塔懸索橋在相同荷載集度作用下產生的水平分力相等時，把雙塔懸索橋的矢跨比叫做“獨塔懸索橋的等量矢跨比”簡稱為“等量矢跨比”。在后來接觸到2011懸索橋建模助手時，發(fā)現該助手可以模擬不對稱結構體系的懸索橋。懸索橋初期設計中的一個參數就是矢跨比，大跨度懸索橋的矢跨比一般為1/8～1/12, 睿江大橋初步設計思想就是矢跨比為1/10的雙塔單跨懸索橋在主跨跨中切開，取一半進行分析。 魚骨梁模型 睿江大橋結構分析理論睿江大橋結構體系為獨塔單跨地錨式懸索橋，由于該結構體系不多，一些經典傳統(tǒng)懸索橋的基本理論，結構參數不能直接套用。這種模