斜塔斜拉桥开题报告.doc

毕业论文任务书题目斜塔斜拉桥的静力和动力分析学生姓名武晓龙学号20082596班级力0801-1专业工程力学承担指导任务单位工程力学系导师姓名房学谦导师职称副教授一、主要内容在熟练掌握弹性力学和结构应力有限元分析的前提下，进一步学习和掌握以下内容：(1) 了解实际工程中斜拉桥的结构、类型及其优点；(2) 学习在软件ANSYS中斜拉桥的建模方法；(3) 学习斜拉桥中静载荷和动载荷的施加方法；(4) 采用ANSYS分析和计算实际斜拉桥模型在不同荷载下的应力。二、基本要求(1) 按研究计划独立完成各项任务。通过查阅资料和ANSYS软件应用，扩大知识面，提高独立工作所需的自学能力、分析和解决问题的能力；(2) 熟悉相关的有限元理论和ANSYS结构分析软件的应用，具有较强的程序调试能力；(3) 熟悉斜拉桥的结构设计原理。三、主要技术指标(1)斜塔斜拉桥结构的构造设计；(2)对斜塔斜拉桥结构利用ansys进行分析；(3)对斜塔斜拉桥进行受力分析时需考虑自重(恒载)及外力施加荷载。.四、应收集的资料及参考文献(1) 钢结构 张家旭 北京：中国铁道出版社 2002(2) 边吉. 斜拉桥的历史发展. 西南公路, 1999(3) 叶先磊, 史亚杰. ANSYS工程分析软件应用实例M. 北京: 清华大学出版社, 2003(4) 袁海庆, 蒋沦如. 有限元理论及工程实践实用M. 武汉: 武汉工业大学出版社, 1996（5）斜拉桥 刘仕林等主编 北京：人民交通出版社 2002 五、进度计划第1周第3周：熟悉任务书、收集查阅文献、完成英文翻译；第4周第7周：熟悉斜拉桥架构中中各种载荷的施加方法，熟悉ANSYS软件的应用； 第8周第14周：采用ANSYS进行建模分析，并分析各因素的影响；第15周第16周：论文撰写，修改和答辩。教研室主任签字时间 年 月 日毕业论文开题报告题目斜塔斜拉桥的静力和动力分析学生姓名武晓龙学号20082596班级力0801-1专业工程力学一、研究背景和国内外研究现状20世纪50年代以来，由于科学技术的进步，工业水平的提高，社会生产力的高速发展，作为枢纽工程的桥梁建设的发展突飞猛进。在社会主义现代化建设的进程中，我国的桥梁建设事业也得到了长足的发展。1955年，德国工程师迪辛格尔主持设计了世界上第一座现代斜拉桥斯曹姆松特桥（瑞典）。历经半个世纪，斜拉桥技术获得了空前的发展，世界上建成主跨200米以上的斜拉桥有200座，其跨径大于400米的有40余座。随着桥梁建设理论、建筑材料和桥梁试验电算技术的发展，斜拉桥跨度不断地得到提高。斜拉桥的发展，大体经历了以下三个阶段。第一阶段特征是拉索为稀索体系，钢或混凝土梁以受弯为主；第二阶段特征是其特征是拉索逐步采用密索体系，并可以换索，钢或混凝土梁以受压为主，截面尺寸减小；第三阶段特征是拉索普遍采用密索体系，梁体轻型化。斜拉桥在300m600m跨径中有其得天独厚的优势，是长大桥方案中应用较为广泛的桥型。与悬索桥相比，其刚性、经济性和架设方面均较为优越，且无需大型地锚装置，有较好的抗风稳定性，抗震性能和抗扭能力较好。我国斜拉桥发展比国外起步较晚，但发展迅速。1975年，四川云阳建成第一座主跨76m的斜拉桥。至今我国已建成各种类型斜拉桥100多座，其中跨径大于200米的有50余座。其中江苏苏通大桥跨径为1088米，为世界上最大跨径的斜拉桥。另外，一些大跨度桥梁架设的工程实践，使我国长大斜拉桥的发展和技术开发日趋完善和成熟，并开始迈入世界领先行列。二、论文进行的主要工作和所采取的方法、手段熟悉斜拉桥所用钢结构的构造，对实际结构做出合理的简化，确定建立模型的各个尺寸，初步建立斜塔斜拉桥的模型；综合运用所积累的理论与实践知识，对该斜拉桥进行建模和有限元网格划分；根据工程实际情况，对斜拉桥进行模型分析；对计算结果进行理论分析，形成结论，提出解决工程实际问题的建议。整个分析过程采用有限元的分析方法，利用ANSYS进行建模、求解和分析。三、预期达到的结果了解斜拉桥的基本知识，熟悉桥规、钢结构规范；熟悉斜拉桥的构造，掌握计算机绘图软件AUTOCAD；采用ansys软件进行斜塔斜拉桥模型建立与静力动力施加荷载的计算；总结并得出结论，提出解决工程实际问题的建议。指导教师签字时 间 年 月 日第1章 绪论1.1 研究的目的和意义斜拉桥又称斜张桥，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。其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。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。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。现在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。研究的主要目的是为了清楚斜拉桥在不能的荷载作用下的变形情况，了解受力环境和受力情况，并提出解决工程实际的建议，对即将来临的工作有积极的指导意义。1.2 国内外斜拉桥的发展历史和特点1.2.1 国内外斜拉桥的发展历史现代斜拉桥的发展,始于1950年以后。早在1784年德国木工吕斯彻(Loscher)就提出过同样的概念。吕斯彻的方案是一个由附属于木塔架的木拉条斜拉的术桥。1821年法国建筑师波耶特(Poyet)提出了使用钢拉杆从高塔上悬吊的方案。1840年英国人哈特利(Hatley)则提出使用平行排列的拉链2。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。斜拉桥是由许多直接连接到塔上的钢缆吊起桥面，斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱，材料有钢和混凝土的。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。第一座现代斜拉桥始建于1955年的瑞典，跨径为182m。目前世界上建成的最大跨径的斜拉桥为中华人民共和国的苏通大桥，主跨径为1088m,于2008年4月2日试通车。斜拉桥是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。斜拉桥是一种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。目前为止建成或正在施工的斜拉桥共有30余座，仅次于德国、日本，而居世界第三位。而大跨径混凝土斜拉桥的数量已居世界第一。50年代中期，瑞典建成第一座现代斜拉桥，40多年来，斜拉桥的发展，具有强劲势头。我国70年代中期开始修建混凝土斜拉桥，改革开放后，我国修建斜拉桥的势头一直呈上升趋势。我国一直以发展混凝土斜拉桥为主，近几年我国开始修建钢与混凝土的混合式斜拉桥，如汕头礐石大桥，主跨518m；武汉长江第三大桥，主跨618m。钢箱斜拉桥如南京长江第二大桥南汊桥，主跨628m；武汉军山长江大桥，主跨460m。前几年上海建成的南浦（主跨423m）和杨浦（主跨602m）大桥为钢与混凝土的结合梁斜拉桥。我国斜拉桥的主梁形式：混凝土以箱式、板式、边箱中板式；钢梁以正交异性极钢箱为主，也有边箱中板式。现在已建成的斜拉桥有独塔、双塔和三塔式。以钢筋混凝土塔为主。塔型有H形、倒Y形、A形、钻石形等。 斜拉索仍以传统的平行镀锌钢丝、冷铸锚头为主。钢绞线斜拉索目前在汕头石大桥采用。钢绞线用于斜拉索，无疑使施工操作简单化，但外包的工艺还有待研究。 斜拉桥的钢索一般采用自锚体系。近年来，开始出现自锚和部分地锚相结合的斜拉桥，如西班牙的鲁纳（Luna）桥，主桥440m；我国湖北郧县桥，主跨414m。地锚体系把悬索桥的地锚特点融于斜拉桥中，可以使斜拉桥的跨径布置更能结合地形条件，灵活多样，节省费用。 斜拉桥的施工方法：混凝土斜拉桥主要采用悬臂浇筑和预制拼装；钢箱和混合梁斜位桥的钢箱采用正交异性板，工厂焊接成段，现场吊装架设。钢箱与钢箱的连接，一是螺栓，二是全焊，三是栓焊结合。 一般说，斜拉桥跨径3001000m是合适的，在这一跨径范围，斜拉桥与悬索桥相比，斜拉桥有较明显优势。德国著名桥梁专家F.leonhardt认为，即使跨径1400m的斜拉桥也比同等跨径悬索桥的高强钢丝节省二分之一，其造价低30左右。 我国公路系统从80年中期开始设计、建造连续刚构桥，至今方兴未艾。将来跨径进一步增大，上部结构也不断轻型化，预应力类型也会简化，上部结构连续长度也将得到发展。斜拉桥的主梁采用怎样的变截面也将得到进一步的研究3。斜拉桥发展趋势：跨径会超过1000m；结构类型多样化、轻型化；加强斜拉索防腐保护的研究；注意索力调整、施工观测与控制及斜拉桥动力问题的研究。今后大跨度桥梁发展趋势是向更长、更大、更柔的方向发展，变截面应用将更加广泛。我国未来几年桥梁建设的发展目标是：(1) 科技水平进入国际先进行列。(2) 设计和营建能力达到国际先进水平。(3) 技术条件方面不断完善。(4) 进一步改善实验条件，强化数值模拟实验室，健康监测和振动控制实验室，桥梁模型结构实验室的建设。待添加的隐藏文字内容11.2.2 斜拉桥的特点斜拉桥的主要特点是利用桥塔引出的斜缆索作为梁垮的弹性中间支撑，借以降低梁垮的截面弯矩，减轻梁重，提高梁的跨越能力。当然，斜缆索对梁的这种弹性支撑作用，只有在斜缆索始终处于拉紧状态才能得到充分的发挥。因此必须在承受荷载前对斜拉索进行预拉。这样的预拉还可以减小斜缆索的应力变化幅度，提高拉索刚度，从而改善结构的受力状况，此外，斜缆索的水平分力对主梁的轴向预施压力可以增强主梁的抗裂性能，节约高强度钢材的用量。斜拉桥是一个有索、塔、梁丧钟基本结构组成的组合结构。钢缆，十字梁，主梁和钢缆塔是斜拉桥的主要结构组成部件4。在斜拉桥中。梁和塔是主要承重构件，借兰所组合成整体结构。根据梁的支撑方式，其中包括梁与塔或墩的联结方式，组成不同形式的母体结构，但都是借斜缆索将梁以弹性支撑的形式吊挂在塔上，这种中间弹性支撑（斜缆索）增强了梁的刚度，形成了多点弹性支撑的变截面连续梁、单悬臂梁、T型刚架及连续刚架。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，主要是我们脚下的主梁。现在我们就分析这个： 我们以一个索塔来分析。索塔两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。现在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。同时，斜拉桥还具有用拥有等效弹性模量5-6的等效直桁架元素进行模拟的钢缆垂效应等特点1.2.3 国内外知名斜拉桥示例：(1)苏通大桥71088m，中国，2008年 如图1-1所示苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州（常熟）市之间，是交通部规划的黑龙江嘉荫至福建南平国家重点干线公路跨越长江的重要通道，也是江苏省公路主骨架网“纵一”赣榆至吴江高速公路的重要组成部分，是我国建桥史上工程规模最大、综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程。建设苏通大桥对完善国家和江苏省干线公路网、促进区域均衡发展以及沿江整体开发，改善长江安全航运条件、缓解过江交通压力、保证航运安全等具有十分重要的意义。苏通大桥工程起于通启高速公路的小海互通立交，终于苏嘉杭高速公路董浜互通立交。路线全长32.4km，主要由北岸接线工程、跨江大桥工程和南岸接线工程三部分组成。图1-1 苏通大桥(2)香港昂船洲大桥81018m，中国香港，2009年2009年12月20日上午7时，世界上最长的斜拉桥之一的香港昂船洲大桥正式通车。如图1-2所示昂船洲大桥位于香港，是全球第二长的双塔斜拉桥。大桥主跨长1018m，连引道全长为1596m。是本港首座位处市区环境的长跨距吊桥，在香港岛和九龙半岛都可以望到这座雄伟的建设。大桥属于8号干线的一部份，跨越蓝巴勒海峡，将葵涌和青衣岛的8号和9号货柜码头连接起来。昂船洲大桥离海面高度73.5m，而桥塔高度则为290m，两者都比青马大桥为高。桥面为三线双程分隔快速公路。而昂船洲大桥于2003年1月开始动工兴建，耗资27.6亿港元。香港政府把修建世界最长斜拉桥的合同给了Media-Hitachi-Yokogawa-HsinChong合资公司，合同金额高达48亿港元（合6.16亿美元）。这座大桥名为“昂船洲大桥”，设计者是OveArup合伙事务所，主要跨度长1018m，超过了世界上最长的同类斜拉桥日本的多多罗大桥（890m），直到被苏通大桥超越。图1-2香港昂船洲大桥(3)多多罗大桥9890m，日本，1999年 如图1-3所示多多罗大桥是位于日本濑户内海的斜拉桥，连接广岛县的生口岛及爱媛县的大三岛之间。大桥于1999年竣工，同年5月1日启用，最高桥塔224m钢塔，主跨长890m，是当时世界上最长的斜拉桥，连引道全长为1480m，四线行车，并设行人及自行车专用通道，属于日本国道317号的一部分。其世界最长斜拉桥和最高桥塔的纪录被2008年建成通车的中国苏通长江公路大桥（苏通大桥）打破，苏通大桥跨径1088m，混凝土桥塔高300.4m。 图1-3多多罗大桥1.2.4 斜拉桥的施工特点一座斜拉桥的建造成功，要求设计和施工工程师密切合作， 共同把设计意图和要求变为现实。为方便施工，设计工程师应乐于修改自己的设计。为使设计图变为实际的结构物，施工工程师应能正确理解设计意图，并尽可能完全按照设计的要求，采用科学的方法进行施工，确保工程高质量。斜拉桥的施工方法是变化的 多种多样的。不同的施工方法会使同一结构的斜拉桥的内力分布不同，应根据具体情况和条件认真研究比选，正确地决定。斜拉桥是一种高次超静定桥跨结构，对荷载与变形的变化很敏感。斜拉桥的加劲主梁不仅承受粱内预应力筋张拉后产生的内施预应力，而且承受由高强度钢缆索拉力的水平分力形成的外施预应力。斜拉桥的施工过程是一个结构体系多次转换，结构内力反复叠加、多次重分布的过程。斜拉桥建造的基本特点是：结构的制造、安装方法、进度、质量、施工荷载及环境的变化都会影响结构的内力和变形。因此必须正确地选择施工方案、方法、进行精确的施工计算，合理安排施工进度。按照设计的要求精确测量和精心施工，在施工全过程中认真控制结构的内力和变形状态，强化施工质量管理，认真搞好质量监督和检查，严格控制施工误差等，使斜拉桥在竣工时的内力和变形尽可能地符合设计的要求，是斜拉桥建造成功的关键。若对此认识不足，要求不严，措施不力，则斜拉桥预应力钢筋混凝土主梁的破坏很可能发生在施工期问，而不在运营阶段10。1.3 研究方法1.3.1 研究采用的基本方法斜塔斜拉桥在国内斜拉桥中十分常见，而且桥梁工程的主要研究方法是应用有限单元法。有限元法是将连续体离散化的一种近似方法，其理论基础是变分原理，连续体部分与分片插值，即首先找到欲求解的数学物理问题用变分表示，写出其总能量表达式，然后将问题的定能区域划分成有限个三角形或四边形的集合，在每个单元体上选择有限个结点，并在每个结点上选定有限个待求的广义结点位移，然后选定结点广义位移为参数，近似地插值求出整个单元上的连续位移，进而将插值位移代入能量表达式，运用变分原理得到以广义结点位移为未知量的离散化有限元方程，求解有限元方程，得到每个结点上的广义结点位移，再在每个单元上使用结点广义位移插值求得各种欲求物理量，例如位移、应变、应力等11-12。对于大跨斜拉桥而言，除了需要较准确地了解其静力特性外，还要进一步弄清其动力特性。而对斜拉桥进行动力特性分析，首先需要建立斜拉桥的动力特性有限元分析模型。在斜拉桥的动力特性有限元分析模型中影响分析精度的主要因素包括结构刚度、质量和边界条件三个方面，因此对它们的模拟应尽量和实际结构相符13。1.3.2 有限元软件ANSYS工程应用ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于土木工程、交通、水利、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、国防工业、电子、造船、生物医学、地矿和日用家电等一般工业及科学研究14-15。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口通过键盘输入。命令一经执行，该命令就会在.LOG文件中列出，打开输出窗口可以看到.LOG文件的内容。如果软件运行过程中出现问题，查看.LOG文件中的命令流及其错误提示，将有助于快速发现问题的根源。.LOG 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，由ANSYS自动读入并执行，这是ANSYS软件的第三种命令输入方式。这种命令方式在进行某些重复性较高的工作时，能有效地提高工作速度。结构分析的定义：结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广义的概念，它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如车身骨架；海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身等；同时还包括机械零部件，如活塞，传动轴等等。     在ANSYS产品家族中有七种结构分析的类型。结构分析中计算得出的基本未知量(节点自由度)是位移，其他的一些未知量，如应变，应力以及反力都可通过节点位移导出。     静力分析-用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性，应力刚化，大变形，大应变，超弹性，接触面和蠕变。      模态分析-用于计算结构的固有频率和模态。     谐波分析-用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。     瞬态动力分析-用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。     谱分析-是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD输入(随机振动)引起的应力和应变。     曲屈分析-用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。ANSYS可进行线性(特征值)和非线性曲屈分析。     显式动力分析-ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。     此外，前面提到的七种分析类型还有断裂力学、复合材料、疲劳分析等特殊的分析应用。1.3.3 本文主要研究内容本文对双斜塔斜拉桥应用ANAYS软件计算分析目的是，直观地显示了主桥在各种载荷组合下的应力曲线。了解实际工程中斜塔斜拉桥的类型、分类及其应用，使结构受力更加合理，为设计和施工提供建议。本课题主要开展以下研究内容：(1)选用合理的有限元单元类型结构各部分建立实体模型，以用于有限元软件ANSYS对结构进行受力和变形分析。本文采用命令流建模，结点分网。有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征，即分析必须针对一个物理原型准确的数学模型。广义上讲，模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及其他用来表现这个物理系统的特征16。在ANSYS术语中,模型生成一般狭义地指用节点和单元表示的空间体域及与实际系统连接的生成过程。命令流是ANSYS高级应用的基础，它是一系列逐行解释性的编程语言的集合，可以直接复制到ANSYS命令窗口运行。它可用任何ASCII文件的编辑软件生成，如Windows平台的记事本、写字板等。命令流与GUI(图形界面)操作一样，能够完成ANSYS所有的分析过程17。(2)斜塔斜拉桥的设计与载荷类型紧密相关。在构建模型完成之后，需要对斜拉桥模型分别进行静力和动力模型分析，施加荷载，以充分的了解研究桥梁的受力特性。本文将一个连续介质体的问题近似地离散为由适当选取的有限个单元、有限个结点连接起来的集合体加以分析，用主梁的一些重要截面的弯矩作为控制条件，首先简化工程问题，抽象模型，确定定解数据，然后根据待分析问题的数学力学模型和有限元软件的功能，输入待分析问题的定解数据，并进行有限元剖分，形成分析问题的有限元模型；使用选定的有限元软件进行分析。主要包括单元分析，约束处理，求解，计算结果的后处理。由于桥梁知识比较匮乏和时间的的原因，在对斜拉桥设计中没有能够全面考虑影响挠度和应力应变的各种因素。比如混凝土收缩、徐变特性对桥梁优化的影响。同时，也没有对钢缆构件进行有区别的预张拉。另外，由于在结构分析时没有考虑纵横向合力和梁的扭转，以及计算中采用等效刚度带来的误差，所以计算结果虽满足工程要求，但计算的精度有待于进一步提高。