摘 要

城市的发展带动着交通的发展，交通的发展使得桥梁结构物的需求加大。对于城市桥梁，结构安全可靠是必须的，对结构景观的要求也是不容忽视。因此异形塔斜拉桥这种结构新颖的桥梁结构物被许多城市建设者所青睐。

本文主要以异形拱塔斜拉桥东关大桥为工程背景，借助有限元分析软件MIDAS/CIVIL建立该桥全桥的结构模型，并对其静、动力特性进行分析。在静、动力分析之前，确定斜拉桥成桥状态就显得十分必要，在文章第四章中介绍了该桥成桥状态初始索力求解的方法和过程，同时介绍了MIDAS在索力优化模块的操作并对该桥进行了初始索力优化，得到一组合理的成桥索力。结合相应的斜拉桥建模理论，建立了静力分析模型和空间动力分析模型，分析该桥在运营阶段的静力和动力特性，为类似桥梁结构受力优化提供理论依据。

研究结果表明该类异形塔桥梁在静力荷载工况作用下主梁和主塔变总体形和受力都在合理范围内，但是边、中主塔与桥墩连接部位的应力情况复杂，需要单独进行疲劳性能研究。其动力特性表明，该桥结构刚度较大，需要保证桥梁主要构件的承载能力要求。通过本文的计算研究分析，对该类异形塔斜拉桥的受力性能有进一步认识和了解，同时掌握了利用大型有限元软件对斜拉桥的模拟方法。

关键词：异形塔；斜拉桥；受力特性；合理成桥状态；初索力

Abstract

The development of the city drives the development of traffic，Similarly，with the development of traffic, the demand for bridge structures is increasing. For the city bridge, the structure must be safe and reliable, and the requirements of the structural landscape can not be ignored. As a result, special-shaped tower cable-stayed bridge is a new bridge structure which is favored by many City builders.

This paper mainly focuses on the engineering background of the Dongguan Bridge, a special-shaped arch tower cable-stayed bridge. The structural model of full bridge is established by finite element analysis software MIDAS / CIVIL, which is used to analyze the static and dynamic characteristics of the bridge. Before the static and dynamic analysis, it is necessary to determine the state of the bridge. The method and process of the bridge for the initial cable force introduced in the fourth chapter, MIDAS also introduced in the optimization module of cable force operation and optimized the initial cable force of the bridge, get a set of reasonable cable force. Combined cable-stayed bridge with corresponding modeling theory, establish the analysis model of the static analysis model and dynamic analysis, static and dynamic characteristics of the bridge in the operation stage, for the similar bridge structure and provide a theoretical basis for optimization by force.

The results show that the overall shape and force of the main beam and the main tower are within a reasonable range under the static load condition. But the stress in the joint between the tower and the pier is complex, so it is necessary to study the fatigue performance separately. Its dynamic characteristics indicate that the rigidity of the bridge structure is large, so it is necessary to ensure the load carrying capacity of the main components of the bridge. Through the calculation, research and analysis of this kind of cable-stayed bridge with special-shaped columns, the mechanical performance of the cable-stayed bridge is further understood and understood. At the same time, the simulation method of the cable-stayed bridge using large finite element software is mastered.

Key Words: Special-shaped tower; Cable-stayed Bridge; Force characteristic; Reasonable finished state of bridge; Initial cable force

目录

摘 要 3

Abstract 4

第一章 绪论 1

1.1 斜拉桥发展概况 1

1.2 异形塔斜拉桥概况 2

1.2.1 异形塔斜拉桥的特点 2

1.2.2 异形塔斜拉桥发展概况 3

1.2.3 异形塔的研究现状 6

1.3 本文研究内容 7

第二章 斜拉桥结构分析理论及工程背景 8

2.1 斜拉桥结构分析理论 8

2.1.1 斜拉桥结构分类 8

2.1.2 斜拉桥静力分析概述 8

2.1.3 斜拉桥动力分析概述 8

2.1.4 斜拉桥稳定性分析概述 9

2.2 东关大桥工程背景 10

第三章 斜拉桥空间有限单元模型模拟 12

3.1 东关大桥有限单元建模 12

3.1.1 异形拱塔模拟 12

3.1.2 钢主箱梁模拟 13

3.1.3 斜拉索模拟 15

3.1.4 下部结构模拟 15

3.1.5 边界条件模拟 16

3.2 本章小结 17

第四章 异形塔斜拉桥静力计算分析 18

4.1 异形塔斜拉桥合理成桥状态的确定 18

4.1.1 异形塔斜拉桥合理成桥状态的目标 18

4.1.2 确定合理成桥状态的方法 18

4.1.3 东关大桥成桥状态索力计算 19

4.2 异形塔斜拉桥成桥运营状态静力分析 24

4.2.1 成桥运营阶段荷载工况 24

4.2.2 活载作用计算分析 26

4.2.3 荷载组合作用计算分析 35

4.3 本章小结 43

第五章 异形塔斜拉桥动力特性计算分析 44

5.1 斜拉桥自振频率的计算 44

5.1.1 桥梁自振频率计算理论概述 44

5.1.2 自振特性结果分析 45

5.2 本章小结 51

第六章 结论与展望 52

6.1 结论 52

6.2 展望 52

参考文献 54

绪论

随着国家经济的高速发展，人们对完善的交通路网工程的需求越来越明显。桥梁工程因其具有显著的跨越障碍的能力，在交通运输线路中的发挥着越来越重要的作用[^[1]]。杰出的桥梁作品，不仅限于连接交通的作用，更可以作为一个地区的标志和象征，融入了整个地区的文化内涵。在桥梁工程中，斜拉桥以一种独特的桥形存在着，并且在近代取得了长足的发展[^[2]]。

斜拉桥发展概况

斜拉桥又名斜张桥，是通过斜拉索将主梁多点吊起并锚于索塔的一种桥梁形式^[1^]。该类桥的主要组成部分分为承受轴压的索塔、承受拉力的拉索和承受弯压的主梁。与连续梁桥相类比，可以将斜拉桥看成是具有体外预应力的连续梁桥，桥塔可以类似于是改变预应力方向的转向装置。同样，还可以把斜拉桥看成是具有多点弹性支撑的连续梁桥^[2^]。正因为其特殊的构造，斜拉桥的跨越能力远大于一般的连续梁桥，使得斜拉桥在20世纪后期得到蓬勃的发展。

虽然现代斜拉桥的发展历史很短，但是斜拉桥构思却历史悠久。可以看做斜拉桥雏形的竹制斜拉桥在早期的东南亚许多国家都有考证^[1^]。而在我国，追溯最早的斜拉桥可以是用于城墙上的吊桥。在公元1617年的欧洲，意大利人Faustus Verantius设计了一座用铁链吊拉的桥；到了1784年，德国工程师Locher设计了一座长32m的木质材料斜拉桥[^[3]]，这座桥拉开了真正意义斜拉桥的序幕。