斜拉桥怎么建模？

2022/07/18

斜拉桥又称斜张桥，主要由索塔、主梁、斜拉索组成，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁，可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。
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斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。斜拉桥对设计和施工技术的要求非常严格，斜拉桥的结构分析与设计与其它桥梁形式有很大不同，设计人员需具有较深厚的理论基础和较丰富的设计经验。在斜拉桥设计中，不仅要对恒荷载和活荷载做静力分析，而且要做特征值分析、移动荷载分析、地震分析和风荷载分析。
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下面，我们一起来看下斜拉桥的具体原理及建模过程。

斜拉桥的原理
斜拉桥承受的主要荷载并非它上面的汽车或者火车，而是其自重，主要是主梁。以一个索塔为例，索塔的两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。假设索塔两侧只有两根斜拉索，左右对称各一条，这两根斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力，根据受力分析，左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力；同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力；由于这两个力是对称的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了，最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。
斜拉索数量再多，道理也是一样的。之所以要很多条，那是为了分散主梁给斜拉索的力而已。
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斜拉桥建模
斜拉桥结构在力学上属高次超静定结构，是所有桥型中受力最为复杂的一种结构。由于斜拉索索力的不同和施工方法的不同，其最终的成桥受力状态会出现明显不同。因此，在斜拉桥结构的受力分析中，首要任务即是确定合理的成桥状态，以使得成桥结构受力均匀，进而确定合理的施工状态。

1.整体建模
从下图可以看出，斜拉桥竖曲线对主梁的受力影响很大，因此，在斜拉桥的建模中必须根据竖曲线来建立主梁的计算轴线。
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2.结构体系
根据塔、梁、墩三者之间的关系，斜拉桥主要分为固结体系（塔梁墩三者完全固结）、半漂浮体系（主梁支承于墩顶横梁上的支座、塔墩固结）、漂浮体系（塔墩固结、主梁与塔墩在相接处没有任何联系）。显然，对于这三者不同体系，塔、梁、墩之间的连接关系须采用不同的方法来模拟。

3.辅助墩
斜拉桥一般以双塔三跨、单塔双跨的结构布置为主，为了提高主跨的刚度、减小活载作用的变形，边跨内可布置一个或多个辅助墩。但从受力上来说，辅助墩受力较为复杂，特别是在活载作用下，辅助墩可能会承受较大的竖向上拔力（设计中可通过压重的方式尽可能避免），但不能承担水平力，这样在结构设置上需要设置拉力支座。模拟时必须将辅助墩支座按照单向受压、或者单向受拉、或者有一个较小的受拉一间隙的支座来模拟。

4.主梁
斜拉桥的主梁结构主要是采用混凝土结构、钢结构或者钢混组合结构，在截面形式上又可分为闭口截面和开口截面。
在进行静力计算时，混凝土截面均可采用普通梁单元来进行模拟，结果足够精确；对于钢箱梁截面的空间效应，最好是采用带第7个畸变自由度的空间梁单元来进行分析。
在进行动力分析（抗风、抗震）时，主梁的模拟方法对结构动力特性的影响非常大。
主梁单元和节点的划分方式主要跟主梁的施工方法有关，在横梁相接处、典型截面位置、拉索锚固点、不同材料相接处、施工缝等这些位置都需要划分节点。

5.索塔
桥塔可采用混凝土结构、钢一混凝土组合结构或钢结构。对于混凝土索塔或者钢塔，在整体计算时可采用梁单元进行模拟，对于钢一混组合索塔，若在两个结点之间同时有两种材料，则可通过同时建立钢单元和混凝土单元来模拟。在索塔锚固区，单元长度拉索间距的1～3倍控制。
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6.拉索
拉索的模拟分为两类：对于近千米或者超千米的斜拉桥，长拉索具有明显的非线性效应，可采用索单元或者悬链线单元来模拟；对于中小跨径斜拉桥结构，其斜拉索的模拟可采用Ernst公式修正的等效桁架单元（只受拉），结果足够准确。

7.索梁锚固、索塔锚固
拉索在梁和塔上的锚固点一般不与主梁、索塔截面的中性轴位置相重合，之间都会有一段距离，此时需在拉索锚固点和主梁、索塔节点之间设置刚臂相连，以保证内力的传递符号真实状况。
但并不是所有的拉索锚固都需要设置刚臂，如长沙市的洪山桥属于无背索斜塔斜拉桥，它的拉索锚固在塔的中和轴上。

8.复杂受力区域
除了整体受力之外，在一些特殊区域，如索塔锚固区、索梁锚固区、主梁0号块、承台等受力集中的局部区域，需要采用实体单元模拟，以掌握复杂受力体内部的各种局部内力状况。

9.施工模拟
斜拉桥施工阶段分析的类型主要有两类。一是考虑时间依存性的累加模型，这属于小变形分析，适用于大部分中小跨径的斜拉桥。在施工阶段，拉索的应力水平较低，此时拉索弹性模量必须考虑它的垂度效应；当结构处在成桥状态时，斜拉索的应力水平较高，此时拉索弹性模量折减将很小。二是考虑非线性的累加模型，对于索单元按悬索单元进行大变形分析，适用于千米级的斜拉桥。
斜拉桥一般采用悬臂施工，包括悬臂拼装和悬臂浇筑法。挂篮与混凝土湿重作为施工荷载加在节点上，通过荷载的激活与钝化来模拟挂篮的前进。对于塔梁非固结的结构体系通过修改不同阶段的边界条件来模拟结构体系转换。

斜拉桥建模软件
斜拉桥建模需要使用三维桥梁建模软件OpenBridge Modeler。OpenBridge Modeler适用于大中小或复杂的桥梁建模，以及碰撞检测、动态视图、施工模拟等桥梁分析需求。下面，我们一起来看下OpenBridge Modeler的具体功能和介绍。

OpenBridge Modeler是Bentley公司针对桥梁模型创建而开发的一款参数化三维设计软件，具有强大的设计建模功能，可以利用强大的参数化截面图模板，自由创建复杂形状的模型。其丰富的常用结构化和非结构化组件库可以帮助用户简化日常的桥梁建模工作、实现逼真的可视化效果并提供费用估算明细。

软件详情：http://www.i3vsoft.com/Products/openbr.html

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