斜拉桥拉索单元模型及其计算模拟施溪溪�李鸿晶(南京工业大学生命线工程研究所�南京�210009)摘�要�斜拉索的模拟有许多种方法,而应用最为普遍的则属等效弹性模量法,运用Ernst公式进行弹性模量的修正。然而,对于跨度日渐增大的斜拉桥的拉索,此方法是否还能保证其模拟的精确性还需要进一步的探讨。为此,讨论了斜拉索的非线性特征,建立斜拉索的状态方程,并介绍了几种常见的索模型及其特点,其中详细介绍了等效弹性模量法的原理。算例中运用Ernst公式对苏通大桥6根长短索进行修正,计算主梁竖向位移,并与悬链线模型算出的结果进行精度比较,分析得出等效弹性模量法的适用范围。关键词�索单元�等效弹性模量法�非线性分析CABLEMODELANDCOMPUTINGSIMULATIONOFCABLE-STAYEDBRIDGESShiXixi�LiHongjing(InstituteofLifelineEngineering,NanjingUniversityofTechnology�Nanjing�210009)ABSTRACT�Manymethodsareavailabletosimulatebracingcables,ofwhichtheequivalentelasticmodulusmethodisthemostcommonone.TheelasticmoduluscanalsobecorrectedbyErnstformula.Thenonlinearcharacteristicsofthebracingcablesarediscussedandthestateequationforthebracingcablesisalsoestablished.Severalcommoncablemodelsandtheirfeaturesarepresented,ofwhichtheprincipleoftheequivalentelasticmodulusmethodisdescribedindetail.TakingSuzhou-NantongBridgeforexample,whosesixlongandshortcablesarecorrectedbyErnstformula;thecalculatedverticaldisplacementofthemaingirderiscomparedwiththeresultbythecatenarymodel,andtheapplicablescopeoftheequivalentelasticmodulusmethodisalsogotbytheanalysis.KEYWORDS�cableelement��equivalentelasticmodulusmethod��nonlinearanalysis��斜拉桥体系是索结构成功应用的一个典型实例。在斜拉桥体系中,拉索为桥梁提供弹性支撑,使得桥梁可以实现比较大的跨径,跨度在200~600m范围内具有明显的优势。斜拉桥是一种自锚结构,它具有结构新颖、受力合理、能充分利用高强度钢材的优点,是大跨度桥梁最主要的桥型之一。我国的斜拉桥建设在世界上居于领先水平,目前已经建成的跨度排名前十位的斜拉桥中我国占有六座,苏通大桥建成后将成为世界上跨度最大的斜拉桥。在斜拉桥体系中,索的状态对整个结构体系的力学性能影响非常大。索结构为单向承拉构件,由于垂度的存在,呈现出很强的非线性性质。索模型及其分析方法、垂度效应影响、施工阶段索张拉力确定及调节、成桥状态索力优化等问题,都是斜拉桥分析中比较突出的问题。斜拉桥的分析在很大程度上依赖于对斜拉索的分析,因而建立合理的索模型及其计算模拟是斜拉桥分析中的关键步骤之一。本文对几种索单元模型进行了分析比较,以苏通大桥的斜拉索为例,研究了不同跨度下索内力的变化情况,目的是为斜拉桥的拉索分析提供参考。1�斜拉索状态方程的建立斜拉索分析的精确方法是将拉索自重看作沿索长均匀分布,以此作为基础建立索形方程。第一作者:施溪溪�女�1980年8月出生�硕士研究生收稿日期:2005-03-30如图1所示,设拉索在梁上的锚固点为A,在塔上的锚固点为B;拉索单位长度质量为w;以点A为原点,水平向右为x轴,竖直向上为y轴,建立直角坐标系;并设点B坐标为(a,h)。因为拉索是柔性的,故拉索在自重作用下各截面的弯矩为零。根据这一条件即可建立拉索索形方程。如图2所示,i为拉索中任一截面,取拉索Ai段为隔离体。隔离体在点A承受的水平力为H、竖直力为V,在点作用轴向拉力N,拉索上作用的分布荷载(即拉索自重)沿x轴的集度为gx。gx=��dsdx=��1+dydx2(1)53施溪溪,等:斜拉桥拉索单元模型及其计算模拟SteelConstruction�2005(5),Vol�20,No�81图1�拉索受力情况图2�拉索脱离体由脱离体的平衡条件有:H�y-V�x=Mx(2)式中,Mx为点A至弧上任一点i的分布荷载gx对i截面的力矩(以逆时针转动为正);x、y分别为点i的横、纵坐标。由式(2)可得:y=VHx+MxH(3)��式(3)对x两次求导后得:y�=gxH=�H1+dydx2(4)��式(4)即是在沿拉索均匀竖向分布荷载作用下的微分索形方程。将式(4)积分两次,并带入边界条件y|x=0,得到:y=2H�sh�2�x+...
