斜拉桥计算分析要点-桥梁工程概论

计算机技术的进步对斜拉桥的发展起到了重要的促进作用。由于斜拉桥（特别是密索斜拉桥）为高次超静定结构，无论是方案比较，还是技术设计，其结构计算都需要采用有限元法并借助于电子计算机程序来进行。现对斜拉桥的计算图式、非线性分析、恒载内力计算等问题简要论述如下。

斜拉桥是一个空间结构，其受力分析相当复杂，通常在计算中需要根据斜拉桥的结构特性来简化计算图式。例如，在竖向荷载作用下，可以将双索面斜拉桥简化为两片平面结构，而将荷载在两片平面结构间分配。这种做法略去了活载偏心作用下结构的扭转效应，而用横向分布系数来粗略计入空间影响。另外，由于拉索的恒载索力足以抵消活载作用下对索产生的压力，拉索始终处于张紧状态，因此，即使对于柔性索，计算中仍将可其作为受拉杆单元对待；对于主梁和索塔，则作为梁单元处理。尽管目前已有商用软件可对斜拉桥结构进行精细的空间分析，但一些采用有限元法编制的实用电算程序中，仍将斜拉桥作为平面杆系结构来处理。

无论计算图式是否简化，在对斜拉桥进行结构分析时，应注意到这是一个非线性结构体系。结构非线性主要表现在：梁部刚度较小，变形较大，在竖向荷载和拉索水平分力（轴向压力）共同作用下会产生梁柱效应；索塔及主梁中有弯矩与轴向压力的相互影响，考虑非线性影响时弯矩有增大趋势；拉索自重垂度引起的索力与变形之间的非线性变化影响等。对常规跨度的斜拉桥，前两种非线性影响并不十分重要，甚至可略去不计，但拉索的非线性影响是必须考虑的。由于拉索存在一定的重力垂度，故其弹性模量也存在一定的下降或损失。在大跨度斜拉桥中，为考虑拉索的非线性影响，一般采用下面的Ernst公式来计算有效（或修正）弹性模量：

式中　Ee——Ernst修正的有效（或修正）弹性模量（kPa）；

E0——不考虑拉索垂度影响的弹性模量，也就是拉索钢材的E值（kPa）；

γ——拉索的单位体积重量（kN/m3）；

σ0——拉索的初应力（kPa）；

l——拉索的水平投影长度（m）。

与梁桥一样，斜拉桥的结构内力分析分为恒载内力计算和活载内力计算两部分。但与梁桥相比，斜拉桥的恒载内力计算更为复杂。一方面，斜拉桥的施工往往不是一次完成的，而是随着施工的进展，体系逐渐变化，最终形成整个结构。因此，恒载内力计算应按施工程序分阶段进行（这往往需要采用桥梁专用结构分析程序），并将各阶段的内力和变形逐次累加，以得到最终的恒载内力和变形。另一方面，由于拉索的拉力大小直接影响结构的内力，且拉力可在一定范围内调整，因此有条件使结构（尤其是主梁）的恒载内力得到更合理的分布，从而优化设计，取得更好的经济效益，这就是斜拉桥的内力调整。在图8.59所示的两跨斜拉桥简图中，图（a）为无拉索的结构图式及相应的主梁恒载弯矩图，图（b）为张拉一对拉索时在梁内引起的弯矩，图（c）则为两种弯矩图叠加后的总弯矩图。若总弯矩图不尽合理，就可调整索力大小，重新分析。在多跨多拉索的情况下，分析就不这么简单了。原则上，成桥后的主梁及索塔的恒载弯矩和变形应尽可能分布均匀合理。(www.xing528.com)

图8.59　连续梁法示意

此外，恒载计算中还要考虑混凝土主梁的收缩、徐变、预加力等的影响。

拉索初始张拉力（指挂索施工时张拉的索力）的确定是恒载内力计算中的关键性问题。它与施工方法有关（视恒载加载情况，初始张拉力可一次或几次张拉到位），且往往要通过反复试算才可得到较理想的数值。目前，通常采用计算机程序来（正向或反向）模拟施工全过程，从中确定与较合理的主梁（也包括索塔）内力及挠度值对应的初始张拉力。一种简单的方法称为连续梁法。该法视各拉索锚固点为主梁的刚性（或弹性）支承，计算恒载作用下各支承的反力，以其在拉索方向的分力作为初始张拉力。

初始张拉力不仅能改善主梁的设计弯矩，还能改善索塔的设计弯矩。图8.60为通过调整拉索初始张拉力来改善主梁与索塔设计弯矩的一个实例。图中（A）为全部恒载D（为结构自重D1和桥面铺装D2之和）作用时的弯矩分布图；（B）为拉索初始张拉力PS所产生的弯矩，它与（A）所产生者基本反向；（C）为D1与PS产生的弯矩之和；（D）为D 与PS产生的弯矩之和；（E）为D＋L（车辆活载，包括冲击力）＋PS所产生的弯矩分布包络图，即设计弯矩。

图8.60　拉索初始张拉力对结构内力的改善

按平面分析斜拉桥时，其活载内力计算仍是先求出内力及挠度影响线，然后进行影响线加载，并以计入横向分布系数的办法来考虑空间影响。横向分布系数的计算，可根据结构构造的特点采用合适的方法。

对公路斜拉桥，由于活载内力占总内力的比重较小，而活载作用时拉索已有相当大的拉力，因此计算活载内力时可不考虑斜索的非线性影响；对混凝土斜拉桥，活载对徐变的影响也可不予考虑。因此，活载内力计算可按一般线性结构的分析方法计算。

对大跨度斜拉桥，还需考虑风和地震荷载对结构的影响，参见第九章。