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用MIDAS/Civil做悬索桥分析1.悬索桥初始平衡状态分析理论悬索桥与一般中小跨经桥梁的区别就是悬索桥的自重和大部分施工荷载主要由主缆来承担。特别是成桥后在恒载作用下主缆和吊杆的张力、桥形应与设计目标一致。悬索桥的主缆是变形性很大的承重构件，施工过程中主缆和加劲梁的几何形状变化非常大，所以进行悬索桥设计时，要做逆施工阶段分析（倒拆分析），为了做考虑几何非线性的倒拆分析还需要做自重荷载下的初始平衡状态分析。悬索桥在加劲梁的自重作用下产生变形后达到平衡状态，在满足设计要求的垂度和跨经条件下，计算主缆的坐标和张力的分析一般称为初始平衡状态分析。这是对运营阶段进行线性、非线性分析的前提条件，所以应尽量使初始平衡状态分析结果与设计条件一致。悬索桥的初始平衡状态分析阶段是以悬索桥的基本假定为基础，利用节线法来计算空缆线形的过程。节线法是利用加劲梁、吊杆自重作用下产生的内力平衡条件来计算主缆的坐标和张力的方法。此方法是悬索桥（广安大桥、永宗大桥、日本明石海峡大桥）广泛应用的方法。最近除了节线法之外，还有利用弹性悬链线确定空缆线形的方法和考虑加劲梁、主缆、主塔体系来决定整体结构形状的精确分析的方法。MIDAS/Civil软件不仅能做节线法分析，而且还能对整体结构体系做精确的初始平衡状态分析。1.1节线法该方法采用了日本Ohtsuki博士使用的计算索平衡状态方程式，是利用桥梁自重和主缆张力的平衡方程计算主缆坐标和主缆张力的方法。其基本假定如下：(1)吊杆仅在横桥向倾斜，垂直于顺桥向。(2)主缆张力沿顺桥向分量在全跨相同。(3)假定主缆与吊杆的连接节点之间的索呈直线形状，而非抛物线形状。(4)主缆两端坐标、跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置、加劲梁的恒荷载等为已知量。吊杆间主缆的张力分布如图1所示。图1.主缆张力一般来说将索分别投影在竖直面和水平面上，利用在各自平面上张力和恒荷载的平衡关系进行分析，下面分别介绍竖向和水平面内的分析过程。1.1.1竖向平面内的分析下图为主缆在竖向平面上的投影，假设一个跨度内的吊杆数量为N-1，则吊杆将该跨分割成N跨。图2.投影在X-Z平面上的主缆形状和力的平衡在此，siW是将加劲梁和吊杆荷载平均到主缆上的均布荷载，ciW是主缆的自重。根据力的平衡条件，在第i个节点位置的平衡方程式如下。xNNNTldTldTldT==Λ==222111)1...,,2,1(111−==+++NildTldTiiiiii⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅(a)在此iT为节点i-1和节点i之间的主缆单元的张力，il是主缆单元的长度，xT是主缆张力的水平分量，主缆张力的水平分量在全跨相同。在横桥向，即Y-Z平面上的力的平衡如图3所示。图3.Y-Z平面上的平衡在Y-Z平面上的平衡方程如下:)1,...,2,1(1111−=+−=−−−+++−NiWhzzPlzzTlzzTciiiGiiiiiiiiii⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅(b)在此iP是第i个吊杆的张力，ih是吊杆的长度。由(a)和(b)可以得到N-1个方程。)1,...,2,1(111−=+=+−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−−++−Ni在此，siW是均分到主缆上的加劲梁和吊杆的荷载，ciW是主缆自重。上面公式中的未知数为)1,...,2,1(−=Nizi和xT，共有N个未知数，所以还需要一个条件才能解开方程组。作为追加条件使用跨中的垂度f与跨中、两边吊杆的竖向坐标的关系公式。fzzzNN++=)(21021.1.2水平面内的分析与竖向平面的分析一样，也可以得到如下N-1个水平面内的平衡关系公式)1,...,2,1(111−=−−=−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−−++−NizzyyWhyyPdyydyyTiGiiGisiiiGiiiiiiiix在此，水平张力xT可由竖向平面内的分析获得，主缆两端的y轴坐标Nyy,0为已知值，所以共有N-1的未知数iy)1,...,2,1(−=Ni可通过方程组计算。1.2精确平衡状态分析1.2.1确定主缆线形通过节线法确定的主缆初始线形因为基本假定（假定2）的假设，可能与主缆的最终实际线形有所差异。所以需要以节线法确定的初始线形为基础，使用悬链线索单元做更精确的分析。首先把主缆两端的锚固点、主塔底部、吊杆下端均按固结处理，然后建立由弹性悬链线主缆和吊杆形成的空缆模型。通过节线法计算的主缆两端坐标和无应力长作为弹性悬链线的已知参数。无应力长0L是以主缆两端坐标为基础计算而得，主缆的水平张力xT也是通过节线法来计算，也是已知参数。初始平衡状态的精确分析分析流程图参见图4。图4.通过已知条件xT表现弹性悬链线单元的静力平衡状态已知条件:),,,(1xTFlzlylx=水平力未知条件:oLFF,,32以Tx为基础假设：22)sinh)(22(,12zlylxloLFxwl++=−=λλλ)sinhcosh(2,232ozyLlwFwlF+−=−=λλλ计算)('),('),('ozoyoxLlLlLl计算Tzyxdldldlds},,{}{=)('),('),('ozzzoyyyoxxxLlldlLlldlLlldl−=−=−=?}{toleranceds≤计算⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂=oooLhFhFhLgFgFgLfFfFfC323232][}{][},,{132dsCdLdFdFTo−=更新ooodLLLdFFFdFFF+=+=+=333222,如果满足，则赋值oLFF,,32计算下一个索1.2.2确定整体结构形状自锚式悬索桥的主缆和加劲梁是连接在一起的，加劲梁受很大的轴力作用。如图5所示，加劲梁的两端和主塔顶部会产生很大（桥轴方向）的位移。即主缆体系将发生变化，所以从严格意义来说初始平衡状态分析计算的主缆坐标和无应力长与实际并不相符。这样的问题可以通过给杆系单元输入初始内力来解决。图5.自锚式悬索桥加劲梁两端和主塔顶部的变形图5为自锚式悬索桥的初始平衡状态。把主缆平衡状态分析计算的主缆反力作为外力施加在杆系单元上（输入初始内力）。图6.初始平衡状态自锚式悬索桥分离图形VaHHHHVaVpVpWiWiWi2.地锚式悬索桥初始平衡状态分析例题2.1桥梁类型以及基本数据三跨连续的地锚式悬索桥，全跨116m（183＋750＋183），详细数据如图7所示。图7.三跨连续地锚式悬索桥分类主跨边跨加劲梁自重9.680tonf/m9.680tonf/m附属构件平均集中荷载4.5tonf/EA4.5tonf/EA主缆单位长度自重0.8528tonf/m1.2625tonf/m吊杆单位长度自重0.0132tonf/m0.0132tonf/m将附属构件的荷载换算成集中荷载，加在吊杆下端节点上。主缆和吊杆的自重需要通过反复迭代计算才能确定（因为只有确定了主缆坐标位置才能确定重量）。2.2用节线法计算主缆坐标2.2.1主跨主缆坐标的计算垂点和主塔顶点坐标为已知点，利用节线法计算主跨主缆的坐标。分类X(m)Z(m)垂点595.048.35主塔顶点220.0131.7用节线法计算地锚式悬索桥形状时，要把加劲梁的均布荷载换算成集中荷载加载在吊杆的下端。主跨的一般吊杆:19.68/20.096.82tonfmmtonf××=750m183m183m18@20m18@20m2@15m7@20m7@20m50m50mf=83.35m主跨垂点相邻吊杆:19.68/17.584.72tonfmmtonf××=主跨垂点处吊杆:19.68/15.072.62tonfmmtonf××=图8.主跨加劲梁荷载计算主缆的水平张力(Tx)。如图8所示，A1点作用的反力计算如下：1101.31789.277.11849.852tonftonftonftonf×++×=垂点C处的弯矩Mc计算如下：11849.85750101.3(355335315755535)89.2152Mc=××−×++++++−×L356546.25tonfm=⋅利用MTfcx=⋅条件，计算水平张力为：356546.254277.69983.35MctonfxfT===利用上面求出的水平张力和主塔的反力可以计算出主塔旁边第一根吊杆上端节点的坐标。18@20.0m18@20.0m2@15.0m72.6tonf+4.5tonf84.7tonf+4.5tonf84.7tonf+4.5tonf96.8tonf+4.5tonf96.8tonf+4.5tonfA1B1C图9.主塔反力如图9所示，通过下面的关系式计算H1。12011849.85208.649204277.699AAxxHRRHmmTT→=×==×=主塔旁边第一根吊杆上端节点的Z坐标为：131.78.654123.046m−=第二根吊杆上端节点坐标可通过第一根吊杆上端节点的平衡条件来计算。图10.吊杆上部节点力的平衡12101.32020xxHHTTtonf×−×=201208.6482(101.3)(4277.699101.3)8.175204277.69920xxHHTmT→=××+=××+=主塔旁边第二根吊杆上端节点的Z坐标为：123.0468.179114.867m−=以此类推，可以求出其它吊杆上端节点的Z坐标如下表。H1H220m20m101.3tonfTxRA20mH1号X(m)Z(m)(上端)Z(m)(下端)吊杆长度吊杆1240123.0511939.06583.98619吊杆2260114.87639.60575.271吊杆3280107.1744340.14567.02943吊杆430099.94648440.68259.26448吊杆532093.19215241.19651.99615吊杆634086.9114441.67345.23844吊杆736081.10434642.11438.99035吊杆838075.77087242.51933.25187吊杆940070.91101742.88828.02302吊杆1042066.52478143.22123.30378吊杆1144062.61216443.51819.09416吊杆1246059.17316643.77915.39417吊杆1348056.20778744.00412.20379吊杆1450053.71602744.1939.523027吊杆1552051.69788644.3467.351886吊杆1654050.15336444.4635.690364吊杆1756049.08246144.5444.538461吊杆1858048.42860544.5893.839605吊杆1959548.3544.63.75如上表所示，确定主缆的坐标以后吊杆与主缆相交节点的Z坐标与吊杆和加劲梁相交节点的Z坐标之差就是吊杆的长度。且如图11所示，主缆的长度（Li）也可通过其坐标来计算。图11.主缆长度计算吊杆间距Zi-Zi-1Li分类主缆长度(m)主缆自重(tonf)吊杆长度(m)吊杆自重(tonf)121.7899518.58246883.9861921.107509221.6063318.42588275.2710040.992584321.4316218.27688267.0294340.883904421.2660118.13565559.2644840.781509521.1097418.00238451.9961520.685663620.96317.87724645.238440.59655720.82617.76041438.9903460.514158820.6989417.65205333.2518720.438486920.5819917.55231928.0230170.3695341020.4753317.4613623.3037810.3073021120.3791217.37931419.0941640.2517911220.