7_悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析
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2.初始平衡状态分析
3.为生成索塔水平杆件分割索塔构件
4.连接索塔和加劲梁
5.修改加劲梁位置
6.复制主缆、吊杆和索塔
7.生成索塔水平构件
8.刚性连接加劲梁和吊杆
9.输入边界条件
10.输入中间跨跨中支撑
11.输入质量数据 (加劲梁的回转质量)
12.输入特征值分析数据
13.输入静力荷载
设定建模环境
打开新项目( 新项目)，以‘Suspension.mcb’文件名保存( 保存)文件，指定单位体系。
悬索桥建模助手利用内含的悬索公式计算自动计算出悬索桥的几何形状和初拉力。如图10所示，用户只需输入索塔的坐标、垂度(B-C)、加劲梁的坡度、吊杆间距以及作用在吊杆上的结构自重，程序将自动计算出包含主索坐标在内的所有坐标。
主缆(1: 主缆); 吊杆(2: 吊杆)
加劲梁(3: 加劲梁); 索塔(4: 索塔)
截面 >
主缆(1:主缆); 吊杆(2: 吊杆)
加劲梁(3: 加劲梁); 索塔(4: 索塔)
选择主缆和吊杆单元类型 >只受拉单元(索单元)
加劲梁形状 > 左侧坡度(%)(2); 弧形坡度弦长(m)(400)
吊杆间距和荷载
文件/ 新项目
文件/ 保存(Suspension)
工具/单位体系
长度>m; 力>tonf
图3 设定单位体系
本例题将做三维空间分析，程序自动将自重转换为节点质量。
模型 /结构类型
结构类型 >3-D
将模型重量转换为质量 >转换方向 X, Y, Z
重力加速度(9.806)
图4 指定分析条件
定义构件材料
定义主缆(cable),吊杆(hanger),加劲梁(deck),索塔(tower)的材料。
模型/特性值/ 材料
名称 >主索
类型 >用户定义
弹性模量(2.0e+7)
比重(8.267)
图5 定义构件材料
参照表1按上述方法输入吊杆、加劲梁、索塔的材料。
表1 构件材料
项 目
主 缆
吊 杆
加劲梁
索 塔
类 型
用户定义
用户定义
用户定义
用户定义
弹性模量
2.0 x 107
1.4 x 107
2.1 x 107
图9 悬索桥二维基本形状
为了计算初拉力和成桥阶段基本形状，参照图10在悬索桥建模助手中输入基本数据。
模型 / 结构建模助手 /悬索桥建模助手
类型>对Байду номын сангаас桥梁
X(m) Z(m)
A(0)(20.48)
A1(3.6)(20.72)
B(128.6)(60.8)
C(328.6)(27)
索塔高度(60.8)
材料 >
在此
Wd(加劲梁单位长度重量) : 4.235 tonf/m (假设)
Wc(主缆单位长度重量) : 0.3454 tonf/m (假设)
Ld(吊杆纵向间距) : 12.5 m
Lc(吊杆间主索平均长度) : 12.8 m
忽略吊杆自重
如前所述，悬索桥的几何形状尤其是主缆的坐标不能由用户任意输入，而应该通过悬索平衡条件计算。
图1 分析模型
桥梁基本数据
如图1为桥长650m的它承重式悬索桥，详细的桥梁基本数据参见图2。
图2 纵向立面图
建立成桥阶段模型
建立结构模型
本例题中建立悬索桥模型的步骤是首先建立成桥阶段模型，然后做成桥阶段分析，最后使用其它名称做施工阶段分析。
建立悬索桥成桥阶段模型的详细步骤如下。
1. 定义材料以及截面特性值
索 塔
索塔水平构件
Area
0.5395
0.04178
0.00209
0.16906
0.1046
Ixx
0.4399
0
0
0.1540
0.1540
Iyy
0.1316
0
0
0.1450
0.1080
Izz
3.2667
0
0
0.1143
0.0913
图6 输入截面特性值(主缆)
参照图7和图8输入其它构件的截面特性值。
图7 输入截面特性值(吊杆、加劲梁)
图8 输入截面特性值(索塔、索塔水平构件)
初始平衡状态分析
悬索桥的成桥阶段在加劲梁自重作用下发生位移后，处于平衡状态。初始平衡状态下的主索坐标和张力不能由用户任意输入，需要通过力的平衡状态计算。
用户在悬索桥建模助手中只需输入悬索桥的垂度、吊杆间距等基本数据以及各吊杆上作用的荷载，程序将自动计算出初始平衡状态下主缆的坐标和主索、吊杆的初拉力。然后将计算出的主缆和吊杆的张力转换为几何钢度初始荷载，并用其自动构成几何刚度。
悬索桥在施工阶段具有很明显的非线性反应，但在给主缆以及吊杆施加了足够的张力的成桥阶段，其它荷载(车辆荷载、风荷载等)作用下的结构效应显示为线性。所以可以将初始平衡状态下的主缆和吊杆的张力转换为几何刚度，对于其它静力荷载可以做线性化的分析。将初始平衡状态下构件的内力转换为几何刚度后做线性化分析的方法称为线性化有限位移法。因为线性化有限位移法在成桥阶段分析中具有足够精确的解，所以在成桥阶段分析中采用线性化有限位移法。
为了确认施工时的安全性以及施工时临设的设计，需要对各施工阶段做施工阶段分析。 因为在各施工阶段结构的位移很大，所以要对各施工阶段使用大位移理论(几何非线性理论)建立针对变形后的平衡方程组。悬索桥的施工阶段分析是从成桥阶段采用逆施工顺序(或称倒退循环)进行的。
本例题桥梁为它承重式悬索桥，在本章节中将详细介绍成桥阶段和施工阶段的建模方法和确认结果方法。
左侧跨(10@12.5);(9@30.89)
中间跨(32@12.5);(31@30.89)
作用于吊杆的恒荷载
加劲梁: Wd/2 x Ld= 4.235/2 x 12.5 = 26.469 tonf
主 缆: Wcx Lc= 0.3454 x 12.8= 4.4421 tonf
合 计:30.89tonf
悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析
概 要
悬索桥是由主缆、索鞍、加劲梁、吊杆、塔墩、锚碇等主要构件组成的较柔性的结构形式，广泛应用于大跨度桥梁中。
悬索桥的结构分析主要分为成桥阶段分析和施工阶段分析两部分。
成桥阶段分析是指在所有工程竣工后，即在成桥状态下分析桥梁的静力和和动力反应。悬索桥在成桥状态下处于结构自重平衡状态，又称为悬索桥的初始平衡状态，计算初始平衡状态下主缆的坐标和张力称为初始平衡状态分析。成桥阶段分析包括初始平衡状态分析以及在其它外力作用下的结构效应分析。
2.1 x 107
比 重
8.267
7.85
7.85
7.85
定义截面特性值
参照图6和表2，按下列步骤输入截面特性值。
模型 / 特性值 / 截面
特性值表单
截面号( 1 ); 名称(主索)
尺寸 > D(0.23); 计算特性值 > Area( 0.04178 )
表2 材料以及截面特性值
项 目
加劲梁
主 索
吊 杆
3.为生成索塔水平杆件分割索塔构件
4.连接索塔和加劲梁
5.修改加劲梁位置
6.复制主缆、吊杆和索塔
7.生成索塔水平构件
8.刚性连接加劲梁和吊杆
9.输入边界条件
10.输入中间跨跨中支撑
11.输入质量数据 (加劲梁的回转质量)
12.输入特征值分析数据
13.输入静力荷载
设定建模环境
打开新项目( 新项目)，以‘Suspension.mcb’文件名保存( 保存)文件，指定单位体系。
悬索桥建模助手利用内含的悬索公式计算自动计算出悬索桥的几何形状和初拉力。如图10所示，用户只需输入索塔的坐标、垂度(B-C)、加劲梁的坡度、吊杆间距以及作用在吊杆上的结构自重，程序将自动计算出包含主索坐标在内的所有坐标。
主缆(1: 主缆); 吊杆(2: 吊杆)
加劲梁(3: 加劲梁); 索塔(4: 索塔)
截面 >
主缆(1:主缆); 吊杆(2: 吊杆)
加劲梁(3: 加劲梁); 索塔(4: 索塔)
选择主缆和吊杆单元类型 >只受拉单元(索单元)
加劲梁形状 > 左侧坡度(%)(2); 弧形坡度弦长(m)(400)
吊杆间距和荷载
文件/ 新项目
文件/ 保存(Suspension)
工具/单位体系
长度>m; 力>tonf
图3 设定单位体系
本例题将做三维空间分析，程序自动将自重转换为节点质量。
模型 /结构类型
结构类型 >3-D
将模型重量转换为质量 >转换方向 X, Y, Z
重力加速度(9.806)
图4 指定分析条件
定义构件材料
定义主缆(cable),吊杆(hanger),加劲梁(deck),索塔(tower)的材料。
模型/特性值/ 材料
名称 >主索
类型 >用户定义
弹性模量(2.0e+7)
比重(8.267)
图5 定义构件材料
参照表1按上述方法输入吊杆、加劲梁、索塔的材料。
表1 构件材料
项 目
主 缆
吊 杆
加劲梁
索 塔
类 型
用户定义
用户定义
用户定义
用户定义
弹性模量
2.0 x 107
1.4 x 107
2.1 x 107
图9 悬索桥二维基本形状
为了计算初拉力和成桥阶段基本形状，参照图10在悬索桥建模助手中输入基本数据。
模型 / 结构建模助手 /悬索桥建模助手
类型>对Байду номын сангаас桥梁
X(m) Z(m)
A(0)(20.48)
A1(3.6)(20.72)
B(128.6)(60.8)
C(328.6)(27)
索塔高度(60.8)
材料 >
在此
Wd(加劲梁单位长度重量) : 4.235 tonf/m (假设)
Wc(主缆单位长度重量) : 0.3454 tonf/m (假设)
Ld(吊杆纵向间距) : 12.5 m
Lc(吊杆间主索平均长度) : 12.8 m
忽略吊杆自重
如前所述，悬索桥的几何形状尤其是主缆的坐标不能由用户任意输入，而应该通过悬索平衡条件计算。
图1 分析模型
桥梁基本数据
如图1为桥长650m的它承重式悬索桥，详细的桥梁基本数据参见图2。
图2 纵向立面图
建立成桥阶段模型
建立结构模型
本例题中建立悬索桥模型的步骤是首先建立成桥阶段模型，然后做成桥阶段分析，最后使用其它名称做施工阶段分析。
建立悬索桥成桥阶段模型的详细步骤如下。
1. 定义材料以及截面特性值
索 塔
索塔水平构件
Area
0.5395
0.04178
0.00209
0.16906
0.1046
Ixx
0.4399
0
0
0.1540
0.1540
Iyy
0.1316
0
0
0.1450
0.1080
Izz
3.2667
0
0
0.1143
0.0913
图6 输入截面特性值(主缆)
参照图7和图8输入其它构件的截面特性值。
图7 输入截面特性值(吊杆、加劲梁)
图8 输入截面特性值(索塔、索塔水平构件)
初始平衡状态分析
悬索桥的成桥阶段在加劲梁自重作用下发生位移后，处于平衡状态。初始平衡状态下的主索坐标和张力不能由用户任意输入，需要通过力的平衡状态计算。
用户在悬索桥建模助手中只需输入悬索桥的垂度、吊杆间距等基本数据以及各吊杆上作用的荷载，程序将自动计算出初始平衡状态下主缆的坐标和主索、吊杆的初拉力。然后将计算出的主缆和吊杆的张力转换为几何钢度初始荷载，并用其自动构成几何刚度。
悬索桥在施工阶段具有很明显的非线性反应，但在给主缆以及吊杆施加了足够的张力的成桥阶段，其它荷载(车辆荷载、风荷载等)作用下的结构效应显示为线性。所以可以将初始平衡状态下的主缆和吊杆的张力转换为几何刚度，对于其它静力荷载可以做线性化的分析。将初始平衡状态下构件的内力转换为几何刚度后做线性化分析的方法称为线性化有限位移法。因为线性化有限位移法在成桥阶段分析中具有足够精确的解，所以在成桥阶段分析中采用线性化有限位移法。
为了确认施工时的安全性以及施工时临设的设计，需要对各施工阶段做施工阶段分析。 因为在各施工阶段结构的位移很大，所以要对各施工阶段使用大位移理论(几何非线性理论)建立针对变形后的平衡方程组。悬索桥的施工阶段分析是从成桥阶段采用逆施工顺序(或称倒退循环)进行的。
本例题桥梁为它承重式悬索桥，在本章节中将详细介绍成桥阶段和施工阶段的建模方法和确认结果方法。
左侧跨(10@12.5);(9@30.89)
中间跨(32@12.5);(31@30.89)
作用于吊杆的恒荷载
加劲梁: Wd/2 x Ld= 4.235/2 x 12.5 = 26.469 tonf
主 缆: Wcx Lc= 0.3454 x 12.8= 4.4421 tonf
合 计:30.89tonf
悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析
概 要
悬索桥是由主缆、索鞍、加劲梁、吊杆、塔墩、锚碇等主要构件组成的较柔性的结构形式，广泛应用于大跨度桥梁中。
悬索桥的结构分析主要分为成桥阶段分析和施工阶段分析两部分。
成桥阶段分析是指在所有工程竣工后，即在成桥状态下分析桥梁的静力和和动力反应。悬索桥在成桥状态下处于结构自重平衡状态，又称为悬索桥的初始平衡状态，计算初始平衡状态下主缆的坐标和张力称为初始平衡状态分析。成桥阶段分析包括初始平衡状态分析以及在其它外力作用下的结构效应分析。
2.1 x 107
比 重
8.267
7.85
7.85
7.85
定义截面特性值
参照图6和表2，按下列步骤输入截面特性值。
模型 / 特性值 / 截面
特性值表单
截面号( 1 ); 名称(主索)
尺寸 > D(0.23); 计算特性值 > Area( 0.04178 )
表2 材料以及截面特性值
项 目
加劲梁
主 索
吊 杆