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斜拉桥◆斜拉桥发展概述◆斜拉桥的总体布置与构造◆斜拉桥结构分析基本理论◆斜拉桥发展概述二、历史◆斜拉桥的总体布置与构造●孔跨布置●结构体系●斜拉索●主梁●主塔●孔跨布置●结构体系●斜拉索●主梁●主塔3.顺桥向各种形式可与横桥向各种形式配合使用（顺桥向单柱型与横桥向各种塔型相配合）顺桥向、横桥向均采用单柱型的索塔（单索面斜拉桥）顺桥向单柱型而横桥向双柱型、门形、H形、梯形的索塔（双索面斜拉桥）顺桥向单柱型而横桥向采用A形、倒Y形和菱形的索塔（大跨径及特大跨径的斜拉桥）4.索塔按材料不同可分为：钢筋混凝土索塔钢索塔钢-混凝土混合索塔钢管混凝土索塔钢-混凝土混合索塔是指拉索锚固区采用钢锚箱、其他部位采用混凝土的索塔，一般用于较大跨径、索力很大的斜拉桥中，如苏通大桥，具有如下优点：1.减轻塔顶重力，使地震时塔柱中的轴力和弯矩减小；2.使塔柱顶部施工更加容易；3.钢锚箱在工厂预制，保证精度；4.简化斜拉索锚固，明确索塔受力；5.使检查养护更加方便；6.通过涂装可美化桥塔外观；7.斜拉索钢套管定位更容易，无需定位骨架。二、索塔高度及组成索塔高度一般应从桥面以上算起，不包括由于建筑造型或观光等需要的塔顶高度。索塔高度不仅与斜拉桥的主跨跨径有关，还与拉索的索面形式、拉索的索距和拉索的水平倾角有关。索塔的组成：主塔常由基础、承台、下塔柱、下横梁、中塔柱、上横梁、上塔柱拉索区锚固段及塔顶建筑等部分组成。索塔的截面尺寸：组成索塔的塔柱及横梁的截面形状和截面尺寸应根据结构强度、刚度、稳定性计算的要求，并结合拉索在索塔上的锚固构造要求和桥梁美学上的要求来确定。四、斜拉桥的支承斜拉桥的支承体系包括主梁的支承和索塔的支承。支承的不同布置对斜拉桥的结构受力性能影响很大，在全桥的总体布置及构造设计中应予以充分考虑。斜拉桥的支承除应满足正常使用阶段的各种受力情况外，还应考虑其在环境条件较差时保持良好的工作性能，并在正常运行条件下需易于更换拉索或支座。1.索塔的支承体系：塔墩固接，塔梁分离；塔梁固接，墩梁分离；塔墩铰接，梁墩分离；塔梁墩固接。2.主梁的支承体系：竖向支承；横向支承；顺桥向支承。南浦大桥杨浦大桥沈阳三好桥主桥为“钢拱塔斜拉桥”，这种组合结构体系的桥型目前在国际上尚属首例，通过吊索、主拱、主梁的空间几何构图使大桥的立体感更加突出，与周边环境互相辉映，收到良好的功能和景观效果。◆斜拉桥结构分析基本理论斜拉桥是高次超静定结构，其静力和动力结构行为和一般桥梁有所不同。斜拉桥的设计和其它梁式桥有所不同。对于梁式桥梁结构，如果结构尺寸、材料、二期恒载都确定以后，结构的恒载内力随之基本确定，无法进行较大的调整；而对于斜拉桥，首先是确定其合理的成桥状态，即合理的线形和内力状态，其中最主要的是斜拉索的初张力。理论和实践表明大跨度斜拉桥斜拉索的初张力占整个索力的80%以上。斜拉桥静力分析的基本过程大致可以分为以下三步：(1)确定成桥的理想状态，即确定成桥阶段的索力、主梁的内力、位移和桥塔的内力。(2)按照施工过程、方法和计算的需要划分施工阶段。(3)计算确定施工阶段的理想状态，经过多次反复才可以达到成桥阶段的理想状态。静力方面斜拉桥由于其高次超静定，其结构行为表现出较强的耦合性，尤其是扭转和横向弯曲振型经常强烈耦合在一起，因此，在动力分析时最好采用空间模型。一般的梁桥、拱桥和刚架桥设计时，首先是考虑对桥梁的恒载和使用荷载进行计算，其次是对桥梁的地震荷载和风荷载进行验算。但对于跨度较大的斜拉桥，环境荷载和使用荷载同样重要。在一些地震较频繁的国家和地区通常是在初步设计阶段就考虑地震荷载，尤其是纵向采用飘浮体系的斜拉桥，其塔底的纵向弯矩有时会控制设计。斜拉桥在设计方面的自由度很大，其荷载主要是依靠主梁、桥塔和斜拉索分担，合理地确定各构件分担的比例是十分重要的，直接关系到斜拉桥的经济性能。动力方面一、斜拉桥索力调整理论斜拉桥的主要优点在于恒载作用下斜拉索的索力是可以调整的。斜拉桥可以认为是大跨径的体外预应力结构。在力学性能方面，当在恒载作用时，斜拉索的作用并不仅仅是弹性支承，更重要的是它能通过千斤顶主动地施加平衡外荷载的初张力，正是因为斜拉索的索力是可以调整的，斜拉索才可以改变主梁的受力条件。活载作用下，斜拉索对主梁提供了弹性支承，使主梁相当于弹性支承的连续梁。由此可见，对于斜拉桥而言，斜拉索的初张力分析是非常重要的。张拉斜拉索时，实际上已经将该斜拉索脱离出来单独工作，因为斜拉索的张力和结构的其它部分无关，而只与千斤顶有关，因此在张拉斜拉索时，其初张力效应必须采用隔离体分析。而斜拉索对结构的影响可以采用一对反向的集中力作用在桥塔和主梁上。斜拉桥是高次柔性超静定结构，“牵一索而动全桥”，而且在施工过程中结构体系不断转换，如何确定在施工中斜拉索的初张力和体系完成以后的二次张拉索力，以达到设计的理想状态决非易事。斜拉桥的调索方法比较多，目前比较流行的主要有刚性支承连续梁法、零位移法、倒拆和正装法、无应力状态控制法、内力平衡法和影响矩阵法等。1.刚性支承连续梁法刚性支承连续梁法是指成桥状态下，斜拉桥主梁的弯曲内力和刚性支承连续梁的内力状态一致。因此，可以非常容易地根据连续梁的支承反力确定斜拉索的初张力。2.零位移法零位移法的出发点是通过索力调整，使成桥状态下主梁和斜拉索交点的位移为零。对于采用满堂支架一次落架的斜拉桥体系，其结果与刚性支承连续梁法的结果基本一致。应当指出的是，以上这两种方法用于确定主跨和边跨对称的单塔斜拉桥的索力是最为有效的，对于主跨和边跨几乎对称的三跨斜拉桥次之，对于主跨和边跨的不对称性较大的斜拉桥，几乎失去了作用。因为这两种方法必然导致比较大的塔根弯矩，失去了索力优化的意义。3.倒拆和正装法倒拆法是斜拉桥安装计算广泛采用的一种方法，通过倒拆、正装交替计算，确定各施工阶段的安装参数，使结构逐步达到预定的线形和内力状态。由于斜拉索的非线性和混凝土收缩徐变的影响，倒拆和正装计算中，两者不闭合，即按照倒拆的数据正装，结构偏离预定成桥状态的线形和内力状态。倒拆法与正装法闭合的关键是混凝土收缩和徐变的处理。混凝土的徐变与结构的形成过程有密切的关系，原则上倒拆法无法进行徐变计算。为了解决倒拆和正装计算徐变迭代问题，第一轮倒拆计算，不计混凝土的收缩和徐变，然后用上次倒拆的结果进行正装计算，逐阶段考虑混凝土收缩和徐变的影响，并将各施工阶段的收缩徐变值存盘，再次进行倒拆计算时，采用上一轮正装计算阶段的混凝土收缩和徐变值，如此反复，直到正装和倒拆的计算结果收敛到容许的精度。以全飘浮体系的斜拉桥为例，拆除过程一般由下列步骤组成：1．移去二期恒载。2．拆除中间合龙段。3.在桥塔和主梁交接处增加临时固结约束。4．拆除斜拉索、主梁单元。5．增加支架现浇梁段的临时支承。6．拆除斜拉索、梁单元到桥塔为止。4.无应力状态控制法无应力状态法分析的基本思路是：不计斜拉索的非线性和混凝土收缩徐变的影响，采用完全线性理论对斜拉桥解体，只要保证单元长度和曲率不变，则无论按照何种程序恢复还原后的结构内力和线形将与原结构一致。应用这一原理，建立斜拉桥施工阶段和成桥状态的联系。5.内力平衡法内力平衡法的基本原理是设计适当或合理的斜拉索初张力，以使结构各控制截面在恒载和活载共同作用下，上翼缘的最大应力和材料允许应力之比等于下冀缘的最大应力和材料容许应力之比。内力平衡法假设斜拉索的初张力为未知数，各截面特性以及初张力以外的恒载内力和活载内力为已知数。二、斜拉桥的平面分析斜拉桥在初步设计阶段一般都采用平面分析完成斜拉桥的索力调整和活载内力分析。首先根据施工方案划分结构的施工阶段，确定各施工阶段的单元总数目和施工荷载。斜拉桥都是分阶段施工的，斜拉索也是分批张拉的。大跨度斜拉桥有许多施工阶段，而且每个施工阶段的单元数目不同，结构体系在不断转化。三、斜拉桥的空间分析大跨度斜拉桥一般设计为斜索面，而且斜拉索在主梁上的锚固点一般也不会通过主梁的扭转形心，当考虑斜拉桥同时受到多个方向的荷载时，需要对斜拉桥进行空间结构分析。使用有限元法对斜拉桥进行空间分析时，需要对结构进行空间静力离散。主梁通常被简化为“鱼刺梁”模型，斜拉索被简化为空间杆单元，桥塔通常被简化为空间梁单元。每根斜拉索采用一个杆单元模拟，主梁和桥塔采用梁单元，在斜拉索和主梁之间使用主从节点，斜拉桥空间离散的杆、梁单元模型如图所示。1.静力分析2.空间稳定性分析大跨度斜拉桥的主梁和桥塔都是压弯构件，尤其是桥塔附近的主梁轴力很大，因此，斜拉桥在施工和成桥阶段的稳定性分析显得特别重要。求解结构弹性稳定性问题的任务是求结构在给定荷载作用下的一种临界状态，确定临界荷载和相应的屈曲形态。对于较简单的结构可以用结构力学或弹性力学的方法求解；对于复杂结构(形状不规则，边界条件复杂，荷载作用多样化等)，用解析方法很难得出其临界荷载，这时用有限元法往往可以得到较好的结果。四、斜拉桥的非线性分析理论斜拉桥是柔性高次超静定结构，具有强烈的几何非线性行为。主要表现为：1．斜拉索自重作用下垂度引起的几何非线性效应。2．桥塔和主梁的轴向力与弯矩相互影响效应(常称为梁柱效应)。3．结构大位移效应。五、斜拉桥的动力分析斜拉桥的动力特性分析是研究斜拉桥动力行为的基础，其自振特性决定其动力反应的特性，分析斜拉桥自振特性意义重大。由于空间斜拉索的存在，斜拉桥的侧向弯曲和扭转强烈的耦合在一起，其结果是几乎不存在单纯的扭转振型，而只有侧向弯曲为主兼有扭转的振型，或者以扭转为主兼有侧向弯曲的振型，因此对斜拉桥的动力分析必须采用三维空间模型。斜拉桥由于其大跨度和结构的柔性，在动力方面有不同于一般工程结构的特殊性，长期的研究和工程实践总结出斜拉桥的动力特性有以下特点：1．飘浮体系的斜拉桥是一种长周期结构，大于一般结构的周期。2．斜拉桥具有密布的频谱。3．斜拉桥的大尺度导致其地震响应不同于一般结构。4．斜拉桥的自振特性表现出明显的三维性和相互耦合的特点。5．斜拉桥的基础一般比较软弱，斜拉桥大多数都是自锚式结构。斜拉桥动力特性的特点斜拉桥的地震反应分析地震荷载作用下，斜拉桥的分析方法大致可以分为反应谱和动力时程分析两大类。反应谱法比较简单、明了，比较适合工程师使用，但是反应谱分析法是利用建立在线弹性分析的基础上的振型叠加法，很难考虑结构的多点激励、非线性响应、桩土耦合效应等比较复杂的问题。大多数国家的中小桥梁的设计采用反应谱法，但是对重要、复杂的大跨度桥梁都建议最好采用时程分析的方法。用时程分析法分析斜拉桥比较精确、细致，可以考虑多点激励、非线性的影响以及桩土耦合效应等比较复杂的问题，多年以来都是大跨度桥梁进行抗震分析的最重要的手段。六、斜拉桥的局部分析斜拉桥比较容易出问题的局部位置比较多，例如桥塔和斜拉索的锚固区域，斜拉索和主梁的锚固区域，桥塔的隅节点，塔梁固结的区域，混凝土主梁和钢箱梁结合的区域等。分析局部应力时一般采用子结构法，采用该方法可以较好地得到复杂结构某些位置处的应力，这种方法的思路是：1．首先用比较粗糙的网格分析整个结构，不考虑感兴趣的区域。2．分析整个模型得到感兴趣区域周围的反力。3．将感兴趣的区域隔离出来，将周围的反力作为荷载施加在对应的位置处。4．分析取出的子结构，并对结果进行评价。也可以采用边界单元模拟子结构的边界条件。采用子结构法分析局部应力时，最关键的是确定子结构的尺寸和边界条件。确定子结构的尺寸时首先可以利用圣文南原理确定一个大致的区域，然后可以通过试算确定区域的尺寸。具体步骤是先变化子结构的尺寸，看其应力的变化程度，直到应力分布比较均匀为止。