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斜拉橋怎么建模？

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斜拉橋怎么建模？

2022/07/18

斜拉橋又稱斜張橋，主要由索塔、主梁、斜拉索組成，是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結構體系。其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續梁，可使梁體內彎矩減小，降低建筑高度，減輕了結構重量，節省了材料。
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斜拉橋作為一種拉索體系，比梁式橋的跨越能力更大，是大跨度橋梁的最主要橋型。斜拉橋對設計和施工技術的要求非常嚴格，斜拉橋的結構分析與設計與其它橋梁形式有很大不同，設計人員需具有較深厚的理論基礎和較豐富的設計經驗。在斜拉橋設計中，不僅要對恒荷載和活荷載做靜力分析，而且要做特征值分析、移動荷載分析、地震分析和風荷載分析。
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下面，我們一起來看下斜拉橋的具體原理及建模過程。

斜拉橋的原理
斜拉橋承受的主要荷載并非它上面的汽車或者火車，而是其自重，主要是主梁。以一個索塔為例，索塔的兩側是對稱的斜拉索，通過斜拉索將索塔主梁連接在一起。假設索塔兩側只有兩根斜拉索，左右對稱各一條，這兩根斜拉索受到主梁的重力作用，對索塔產生兩個對稱的沿著斜拉索方向的拉力，根據受力分析，左邊的力可以分解為水平向向左的一個力和豎直向下的一個力；同樣的右邊的力可以分解為水平向右的一個力和豎直向下的一個力；由于這兩個力是對稱的，所以水平向左和水平向右的兩個力互相抵消了，最終主梁的重力成為對索塔的豎直向下的兩個力，這樣，力又傳給索塔下面的橋墩了。
斜拉索數量再多，道理也是一樣的。之所以要很多條，那是為了分散主梁給斜拉索的力而已。
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斜拉橋建模
斜拉橋結構在力學上屬高次超靜定結構，是所有橋型中受力最為復雜的一種結構。由于斜拉索索力的不同和施工方法的不同，其最終的成橋受力狀態會出現明顯不同。因此，在斜拉橋結構的受力分析中，首要任務即是確定合理的成橋狀態，以使得成橋結構受力均勻，進而確定合理的施工狀態。

1.整體建模
從下圖可以看出，斜拉橋豎曲線對主梁的受力影響很大，因此，在斜拉橋的建模中必須根據豎曲線來建立主梁的計算軸線。
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2.結構體系
根據塔、梁、墩三者之間的關系，斜拉橋主要分為固結體系（塔梁墩三者完全固結）、半漂浮體系（主梁支承于墩頂橫梁上的支座、塔墩固結）、漂浮體系（塔墩固結、主梁與塔墩在相接處沒有任何聯系）。顯然，對于這三者不同體系，塔、梁、墩之間的連接關系須采用不同的方法來模擬。

3.輔助墩
斜拉橋一般以雙塔三跨、單塔雙跨的結構布置為主，為了提高主跨的剛度、減小活載作用的變形，邊跨內可布置一個或多個輔助墩。但從受力上來說，輔助墩受力較為復雜，特別是在活載作用下，輔助墩可能會承受較大的豎向上拔力（設計中可通過壓重的方式盡可能避免），但不能承擔水平力，這樣在結構設置上需要設置拉力支座。模擬時必須將輔助墩支座按照單向受壓、或者單向受拉、或者有一個較小的受拉一間隙的支座來模擬。

4.主梁
斜拉橋的主梁結構主要是采用混凝土結構、鋼結構或者鋼混組合結構，在截面形式上又可分為閉口截面和開口截面。
在進行靜力計算時，混凝土截面均可采用普通梁單元來進行模擬，結果足夠精確；對于鋼箱梁截面的空間效應，最好是采用帶第7個畸變自由度的空間梁單元來進行分析。
在進行動力分析（抗風、抗震）時，主梁的模擬方法對結構動力特性的影響非常大。
主梁單元和節點的劃分方式主要跟主梁的施工方法有關，在橫梁相接處、典型截面位置、拉索錨固點、不同材料相接處、施工縫等這些位置都需要劃分節點。

5.索塔
橋塔可采用混凝土結構、鋼一混凝土組合結構或鋼結構。對于混凝土索塔或者鋼塔，在整體計算時可采用梁單元進行模擬，對于鋼一混組合索塔，若在兩個結點之間同時有兩種材料，則可通過同時建立鋼單元和混凝土單元來模擬。在索塔錨固區，單元長度拉索間距的1～3倍控制。
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6.拉索
拉索的模擬分為兩類：對于近千米或者超千米的斜拉橋，長拉索具有明顯的非線性效應，可采用索單元或者懸鏈線單元來模擬；對于中小跨徑斜拉橋結構，其斜拉索的模擬可采用Ernst公式修正的等效桁架單元（只受拉），結果足夠準確。

7.索梁錨固、索塔錨固
拉索在梁和塔上的錨固點一般不與主梁、索塔截面的中性軸位置相重合，之間都會有一段距離，此時需在拉索錨固點和主梁、索塔節點之間設置剛臂相連，以保證內力的傳遞符號真實狀況。
但并不是所有的拉索錨固都需要設置剛臂，如長沙市的洪山橋屬于無背索斜塔斜拉橋，它的拉索錨固在塔的中和軸上。

8.復雜受力區域
除了整體受力之外，在一些特殊區域，如索塔錨固區、索梁錨固區、主梁0號塊、承臺等受力集中的局部區域，需要采用實體單元模擬，以掌握復雜受力體內部的各種局部內力狀況。

9.施工模擬
斜拉橋施工階段分析的類型主要有兩類。一是考慮時間依存性的累加模型，這屬于小變形分析，適用于大部分中小跨徑的斜拉橋。在施工階段，拉索的應力水平較低，此時拉索彈性模量必須考慮它的垂度效應；當結構處在成橋狀態時，斜拉索的應力水平較高，此時拉索彈性模量折減將很小。二是考慮非線性的累加模型，對于索單元按懸索單元進行大變形分析，適用于千米級的斜拉橋。
斜拉橋一般采用懸臂施工，包括懸臂拼裝和懸臂澆筑法。掛籃與混凝土濕重作為施工荷載加在節點上，通過荷載的激活與鈍化來模擬掛籃的前進。對于塔梁非固結的結構體系通過修改不同階段的邊界條件來模擬結構體系轉換。

斜拉橋建模軟件
斜拉橋建模需要使用三維橋梁建模軟件OpenBridge Modeler。OpenBridge Modeler適用于大中小或復雜的橋梁建模，以及碰撞檢測、動態視圖、施工模擬等橋梁分析需求。下面，我們一起來看下OpenBridge Modeler的具體功能和介紹。

OpenBridge Modeler是Bentley公司針對橋梁模型創建而開發的一款參數化三維設計軟件，具有強大的設計建模功能，可以利用強大的參數化截面圖模板，自由創建復雜形狀的模型。其豐富的常用結構化和非結構化組件庫可以幫助用戶簡化日常的橋梁建模工作、實現逼真的可視化效果并提供費用估算明細。

軟件詳情：http://www.gongniudianqi.com/Products/openbr.html

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