自锚式悬索桥的力学特性分析
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摘要
目前，自锚式悬索桥在国内的发展很快，但关于自锚式悬索桥力学特性研究方面的文章还不多。
本文根据锚式悬索桥的施工特点，将加劲梁简化为刚性支承连续梁，采用分段悬链线拟合主缆，根据节点力学平衡和变形相容条件，由单元节点力与索单元投影的函数关系式迭代解析方法计算成桥状态主缆的线形和主缆的无应力长度。
采用悬链线单元模拟主缆，考虑梁柱理论的平面梁单元模拟加劲梁、主塔和吊杆。基于成桥线形的分析成果，根据空缆时索夹间主缆的无应力长度应等于成桥时索夹间的无应力长度这一原则设置悬链线单元的参数。充分考虑鞍座顶推，主缆与鞍座的切点变化，临时支座退出工作等因素，根据实际的施工工序，用大变形非线性有限元方法进行施工前进分析。基于合理的施工过程分析模型，进一步讨论吊杆张拉次序优化和施工偏差调整。
根据挠度理论方法推导简化的自锚式悬索桥的挠曲微分方程，用“代换梁”法计算自锚式悬索桥在使用荷载下的内力与变形，并采用有限位移理论来进行静力分析，比较两种方法的计算成果，讨论挠度理论计算自锚式悬索桥的精度。
At present, self-anchored suspension bridge is developing quickly. However, there are not many papers that study the mechanical characteristics of self-anchored suspension bridge.
According to the construction characteristics of the self-anchored suspension bridge, use rigid support continuous girder modeling stiffening girder and catenary element simulating the main cable. Based on the force equilibrium at each node of the main cable and compatibility of deformation, the main cable shape and the unstressed length of main cable are calculated iteratively utilizing the function between the element projections and cable force components at the ends of the catenary element.
Stiffening girder, tower and suspenders are simulated with plane beam elements. Set the parameters of catenary element on the basis of analysis result of main cable shape and the principle that the unstressed length of main cable between suspenders is constant. Giving thoughtful consideration for sheave shoving, movement of tangent points between main cable and the sheaves and the action of temporary supports, non-linear finite element method for forward analysis of construction is presented according to the actual working procedure. Based on the proper analysis model, optimization of suspenders drawing and adjusting of construction divergency are discussed.
Simplified deflection differential equation of self-anchored suspension bridge is deduced through deflection theory. Substituent beam method and non-linear finite element method are utilized to calculate internal force and displacements of the self-anchored suspension bridge under live load, compare the result of the two methods and discuss tine precise of deflection theory.
本文根据锚式悬索桥的施工特点，将加劲梁简化为刚性支承连续梁，采用分段悬链线拟合主缆，根据节点力学平衡和变形相容条件，由单元节点力与索单元投影的函数关系式迭代解析方法计算成桥状态主缆的线形和主缆的无应力长度。
采用悬链线单元模拟主缆，考虑梁柱理论的平面梁单元模拟加劲梁、主塔和吊杆。基于成桥线形的分析成果，根据空缆时索夹间主缆的无应力长度应等于成桥时索夹间的无应力长度这一原则设置悬链线单元的参数。充分考虑鞍座顶推，主缆与鞍座的切点变化，临时支座退出工作等因素，根据实际的施工工序，用大变形非线性有限元方法进行施工前进分析。基于合理的施工过程分析模型，进一步讨论吊杆张拉次序优化和施工偏差调整。
根据挠度理论方法推导简化的自锚式悬索桥的挠曲微分方程，用“代换梁”法计算自锚式悬索桥在使用荷载下的内力与变形，并采用有限位移理论来进行静力分析，比较两种方法的计算成果，讨论挠度理论计算自锚式悬索桥的精度。
At present, self-anchored suspension bridge is developing quickly. However, there are not many papers that study the mechanical characteristics of self-anchored suspension bridge.
According to the construction characteristics of the self-anchored suspension bridge, use rigid support continuous girder modeling stiffening girder and catenary element simulating the main cable. Based on the force equilibrium at each node of the main cable and compatibility of deformation, the main cable shape and the unstressed length of main cable are calculated iteratively utilizing the function between the element projections and cable force components at the ends of the catenary element.
Stiffening girder, tower and suspenders are simulated with plane beam elements. Set the parameters of catenary element on the basis of analysis result of main cable shape and the principle that the unstressed length of main cable between suspenders is constant. Giving thoughtful consideration for sheave shoving, movement of tangent points between main cable and the sheaves and the action of temporary supports, non-linear finite element method for forward analysis of construction is presented according to the actual working procedure. Based on the proper analysis model, optimization of suspenders drawing and adjusting of construction divergency are discussed.
Simplified deflection differential equation of self-anchored suspension bridge is deduced through deflection theory. Substituent beam method and non-linear finite element method are utilized to calculate internal force and displacements of the self-anchored suspension bridge under live load, compare the result of the two methods and discuss tine precise of deflection theory.
引文
1．颜娟编译，自锚式悬索桥，国外桥梁，2002(1)。
2．楼庄鸿编译，自锚式悬索桥，中外公路，2002，22(3)。
3. John A. Ochsendorf, David P. Billington, Self-anchored suspension bridges, Journal of Bridge Engineering, 1999 (8).
4．严国敏，韩国的永宗悬索桥，国外公路，1998，18(6)。
5．甘科，李东平，孙剑飞，丽君桥主缆、吊杆安装施工技术，施工技术，2002(31)。
6．李映，常州广化桥设计，桥梁建设，2002(5)。
7．刘春城，张哲，石磊，自锚式悬索桥的纵向地震反应研究，武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2002，26(5)。
8. Bounopane, S., and Billington, Theory an history of suspension bridge design from 1823 to 1940, Journal of Structural Engineering, ASCE, 119(3).
9. C. H. Gronquist, Simplified theory of the self-anchored suspension bridge, American Society of Civil Engineers, Transactions, 1941.
10．铁道部大桥工程局桥梁科学研究所著，悬索桥，科学技术文献出版社，1996．10。
11．谢邦珠，连续加劲梁悬索桥挠度理论的一种实用计算方法，西南公路，1992(1)。
12. Ho-Kyung Kim, Myeong-Jae Lee, Sung-Pil Chang, Non-linear shape-finding analysis of a self-anchored suspension bridge, Engineering Structures, 2002 (24).
13．李小珍，强士中，悬索桥主缆空缆状态的线形分析，重庆交通学院学报，1999，18(3)。
14．潘永仁，杜国华，范立础，悬索桥恒载结构几何形状及内力的精细分析，中国公路学报，2000，13(4)。
15．沈锐利，悬索桥主缆系统设计及架设计算方法研究，1996，29(2)。
16．唐茂林，沈锐利，强士中，大跨度悬索桥丝股架设线形计算的精确方法，西南交通大学学报，2001，36(3)。
17．张新军，陈艾荣，王刚，江新元，悬索桥施工理想初态及成桥状态计算方法研究，上海铁道大学学报，1999，20(6)。
18．向中富，徐君兰，代正宏，悬索桥施工控制分析的恒定无应力索长迭代法，重庆交通学院学报，2000，19(3)。
19．潘永仁，范立础，大跨度悬索桥加劲梁架设过程的倒拆分析方法，同济大学学报，2001，29(5)。
20．林伶利，斜拉桥的几何非线性分析和索力优化控制，浙江大学硕士论文，1998．1。
21．李传习，夏桂云著，大跨度桥梁结构计算理论，人民交通出版社，2002．6。
22. Raid Karoumi, Some modeling aspects in the nonlinear finite element analysis of cable supported bridges, Computers and Structures, 1999 (71).
23．项海帆，姚玲森著，高等桥梁结构理论，人们交通出版社，2001．4。
24．范立础，杜国华，马建中，斜拉桥索力优化及非线形理想倒退分析，重庆交通学院学报，1992，11(1)。
25．郝超，裴珉山，强士中，大跨度斜拉桥拉索无应力长度的计算方法比较，重庆交通学院学报，2001，20(3)。
26．颜东煌，刘光栋，确定斜拉桥合理施工状态的正装迭代法，中国公路学报，1999，12(2)。
27．郭文复，肖汝城，大跨径悬索桥的施工控制，城市道路与防洪，1995(1)。
28．陈德伟，斜拉桥的非线性分析及工程控制，同济大学博士论文，1990．12。
29．肖汝城，项海帆，大跨径悬索桥结构分析理论及其专用程序系统的研究，中国公路学报，1998，11(4)。
30．黄平明，梅葵花，徐岳，大跨径悬索桥主缆系统施工控制计算，西安公路交通大学学报，2000，20(4)。
31．潘永仁，范立础，悬链线单元在悬索桥主缆下料长度计算中的应用，工程施工，1998(3)。
32．史建三，悬索桥大缆计算的索长分析法，桥梁建设，1993(4)。
33．王慧东，悬索桥施工控制分析与恒载初内力分析的解析迭代法，桥梁建设，1994(1)。
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