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1、大跨度公鐵兩用斜拉橋非線性靜動力特性分析1緒論1.1斜拉橋的歷史與發(fā)展現(xiàn)代斜拉橋是由斜拉索、加勁梁和索塔構成的組合體系結構，是一種以加勁梁受壓或受彎，支承體系以斜拉索受拉、索塔受壓為主的橋梁。斜拉橋具有造型美觀、跨越能力強、跨徑布置靈活和施工干擾少等特點，并具有良好的力學性能及經濟指標，使其成為現(xiàn)代橋梁工程中發(fā)展最快、最具競爭力的橋型之一[1][2]。斜拉橋最早的維形出現(xiàn)在東南亞地區(qū)。這里河網(wǎng)密布、藤竹遍生，當?shù)厝司偷厝〔?，利用藤條和竹竿修建了原始的斜拉橋：老捉的原始藤橋和印度尼西亞爪哇的竹索橋。歐洲最
2、早見于記載的斜拉橋是1617年由意大利威尼斯工程Verantius建造的一座有幾根斜拉鐵鏈的橋，它是一種用斜拉鐵鏈支承木制橋面的橋梁體系。世界上第一座真正意義上的斜拉橋是于1784年在德國費里堡建成的一座跨徑為32m的木橋，該橋采用木拉桿作為橋梁的支撐體系。這個時期的斜拉橋多釆用木料、鐵鏈等作為斜拉索。這些材料強度低，且不能拉緊而處于松弛狀態(tài)。只有在橋面發(fā)生較大變形時，斜拉索才能承受預期的拉力，這為斜拉橋的破壞埋下了隱患，1818年英國T的人行斜拉橋在風振作用下，由于節(jié)點處的鏈桿折斷而發(fā)生了坊塌。同期，
3、1825年德國Saale河橋在一次火炬游行過程中發(fā)生倒塌，造成多人喪生。該橋釆用木質橋面，用鍛鐵拉桿作為支撐。這兩座斜拉橋的倒塌對斜拉橋的發(fā)展產生了巨大影響。法國著名的數(shù)學家、工程師Navier通過分析計算得出：現(xiàn)有材料和技術滿足不了斜拉橋的力學性能的要求。在美學觀念上，Navier也推崇懸索橋體系。這些觀點對當時工程師的影響很大，直到現(xiàn)代斜拉橋的誕生的一百多年中，斜拉橋的發(fā)展十分緩慢。..1.2大跨度公鐵兩用斜拉橋的發(fā)展鐵路斜拉橋的發(fā)展較公路斜拉橋要慢一些。隨著鐵路現(xiàn)代化的建設，尤其是高速鐵路的快速發(fā)
4、展，跨越大江大河的線路工程不斷增加，采用大跨度橋梁的工程逐漸增多。相對懸索橋，斜拉橋具有結構剛度大、抗風性能好、造價相對較低的優(yōu)點，是大跨度鐵路橋梁的主要推薦方案。對于鐵路工程來說，鐵路活載較大，對于行車安全性和平穩(wěn)性有更高的要求，因此鐵路斜拉橋要有較高的整體結構剛度[7?9]。斜拉橋的結構體系布置和斜拉索、主梁、橋塔三者的剛度都會對結構的整體剛度產生影響。其中結構體系布置是首要的，其次才是索梁塔。在索梁塔三者之中，提高斜拉索的剛度對于提高結構整體剛度更加直接有效在工程實踐中，斜拉索剛度的提高主要是通過
5、在斜拉索中施加足夠的初拉力來實現(xiàn)的。己建成的大跨度的鐵路斜拉橋有很大部分都是公鐵兩用斜拉橋，主要是當需要同時滿足鐵路和公路線路跨越障礙時，釆用公鐵合建的方案更加經濟。目前世界上己經建成或在建的公鐵（軌）兩用斜拉橋見表1-1。.2斜拉橋靜動力特性分析理論2.1斜拉橋分析理論早期對斜拉橋進行靜力分析通常采用彈性理論和燒度理論，這是兩種經典的平面分析理論。彈性理論的基本假設：假定物體是均勾、連續(xù)、各向同性的理想彈性體；而且假設物體的位移和形變很小，即小變形假設。彈性理論將結構視為線彈性結構進行計算，疊加原理及
6、影響線加載均適用，但沒有考慮恒載對結構豎向剛度的貢獻，也考慮結構的變形對內力的影響，計算所得的彎矩和剪力值偏高，因此計算結果偏安全但不經濟。對于小跨徑橋梁而言，由于其結構剛度相對較大，變形比較小，一般能夠滿足小變形的假定，用經典的彈性分析理論對結構進行分析時，分析結果己經有較高的精確。但對于大跨度斜拉橋，彈性理論己不適用，分析結果與實際的偏差較大。與彈性理論相比，燒度理論是更為精確的理論，它考慮了結構變形后的構形。因此用燒度理論設計出的橋梁，結構外形更加纖細，也更經濟。相對彈性理論，燒度理論取得了很大的
7、進步，但是由于結構力學理論和計算方法的局限性，撓度理論仍然只是一種近似的計算理論。目前結構分析最有效的方法是有限元法。在斜拉橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)的分析計算中，一般釆用結構有限元法，將斜拉橋簡化成空間桿系結構進行計算分析，如圖2-1所示：2.2結構分析中的有限元法方法有限元的理論基礎是變分原理和加權余量法，其基本的求解思想是把計算域劃分為組有限個且按一定方式相互聯(lián)結在一起的元素，即單元的組合體。在每個單元里，選擇一些合適的節(jié)點作為求解方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表
8、達式，借助變分原理活加權余量法，將微分方程離散求解。板單元由同一平面上的3到4個節(jié)點構成，在工程中可以利用它來解決平面張拉，平面壓縮，平面剪切及平板沿厚度方向的彎曲、剪切等結構問題。有限元軟件所采用的板單元，根據(jù)平面外剛度不同可以把單元劃分為薄板單元和厚板單元兩種。其中，根據(jù)KirchhoffPlateTheory開發(fā)了薄板單元，根據(jù)Mindlin-ReissnerPlateTheory開發(fā)了厚板單元。薄板單?；蚝癜鍐呜６伎紤]了板單元的局部
