摘 要

斜拉桥是目前大跨度桥梁最流行的桥型之一，随着国家经济的发展和交通量的增长，斜拉桥的数量越来越多，其跨径记录也在不断地刷新。由于斜拉桥是内部高次超静定结构，其成桥内力具有不确定性，而成桥内力合理与否是评价斜拉桥设计优劣的重要标准之一。因此在斜拉桥设计过程中存在一个对斜拉桥进行索力优化，从而使大桥处于合理的成桥状态的问题，为此国内外学者探索出了多种优化斜拉桥索力的方法，但是各种方法都有其自身的局限性和不足，因此本文据此对几种方法进行探究。

本文以兰州西固黄河大桥为工程背景，运用两种方法对其进行索力优化，借此对比斜拉桥合理成桥状态的确定方法。论文首先介绍了斜拉桥非线性问题的分析理论和索力调整的方法。然后利用ANSYS APDL建立西固黄河大桥的三维有限元模型，分别利用影响矩阵法和最小弯曲能量法对西固黄河大桥进行成桥索力优化，其中影响矩阵法以两桥塔之间的主梁合理线形为目标函数，而最小弯曲能量法则以大桥的弯曲应变能为目标函数，二者分别确定了大桥的合理成桥状态。最后对两种方法得到的合理成桥状态下的大桥的合理索力、主梁线形和主塔弯矩进行了对比。通过对比发现索力对斜拉桥的受力影响很大，两种方法确定的成桥索力相差较大，结构线形和弯矩等也不同。

但是两种方法都有其局限性，对比发现结果也相差较大，因此对于类似西固黄河大桥这种双塔双索面结合梁斜拉桥，如果想要得到更加准确、合理的斜拉桥合理索力，本文建议采用两种方法结合分步调整的综合法进行确定。

关键词：斜拉桥；合理成桥状态；索力优化；ANSYS

Abstract

Cable-stayed bridge is one of the most popular long-span bridges, and with the development of the national economy and the growth of traffic volume, the number of cable-stayed bridge is increasing for this year, and its span records are constantly refreshed. Since the cable-stayed bridge is the internal high-statically indeterminate structure, internal force of the bridge under completion stage is diversity.However, the rationality of internal forces is of one of the most important criteria to evaluate the design scheme. Therefore, during the design process of cable-stayed bridge, there is a problem that how to adjust the cable force , so that the bridge is in a reasonable state.In order to solve this problem, researchers around the world have explored a variety of optimization methods of cable force .However, various methods have their own limitations and shortcomings, therefore this article try exploreing several methods about this problem.

Taking Xigu Yellow River Bridge of Lanzhou as engineering background, this article has used two methods to optimize its cable force, and then compared these methods of cable force adjustment. This paper introduces the nonlinear problem of cable-stayed bridge analysis theory and methods of cable force adjustment. Then build a three dimensional finite element model of the Xigu Yellow River Bridge by used the ANSYS APDL ,and adjust the cable force of this bridge through influence matrix method and minimum bending energy methods.The objective function of influence matrix method is the linear of beams reasonabl;however the objective function of the minimum bending energy method is the energy of this structure reached the minimum one.Both method can get the reasonable state of Xigu Yellow River Bridge. Finally, this paper compared the cable force,linear of the beam and the moment of main tower of this two mrthods. By comparing this two method, we can see cable force have an large impact on the cable-stayed bridge, and the cable force has a large difference between the two methods ,the geometry and bending moments are also different.

However, both methods have their limitations, the result are also quite different.So similar to Xigu Huanghe River Bridge that has double towers and cable planes also combined girder, if you want to get a more accurate and reasonable cable force of the cable-stayed bridge, we suggeste that you need combine this two methods for adjustment.

Keywords: Cable-stayed bridge; the reasonable state of finished construction; cable force optimization;ANSYS

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 斜拉桥的历史与发展 1

1.1.1 国外斜拉桥发展 1

1.1.2 国内斜拉桥发展 2

1.1.3 斜拉桥的发展展望 3

1.2 斜拉桥的总体布置与结构体系 3

1.3 斜拉桥的合理成桥状态 5

1.3.1 合理成桥状态的研究现状 5

1.3.2 本文主要研究内容 6

第2章 西固黄河大桥有限元模型的建立 7

2.1 工程背景 7

2.2 结合梁等效换算 8

2.3 斜拉索初始弹模换算 11

3.4 有限元模型的建立 13

2.5 模型分析检验 14

2.5.1 静力分析检验 14

2.5.2 动力分析检验 15

第3章 西固黄河大桥成桥索力优化 18

3.1 影响矩阵法 18

3.1.1 影响矩阵法在ANSYS中的实现 18

3.1.2 初始索力、初始线形求解 19

3.1.3 目标线形求解 23

3.1.4 影响矩阵的计算 26

3.1.5 终索力的确定 28

3.1.6 迭代计算 31

3.1.7 主塔弯矩调整 32

3.2 最小弯曲能量法 36

3.3 两种方法对比 40

3.3.1 成桥索力对比 40

3.3.2 主梁线形对比 41

3.3.3 主塔弯矩对比 42

第4章 结论与展望 44

4.1 结论 44

4.2 展望 44

参考文献 46

致 谢 47

第1章 绪论

1.1 斜拉桥的历史与发展

斜拉桥是由纵梁、桥塔以及斜拉索三种基本结构组成的组合结构受力体系。其中塔和梁主要是受压和受弯的压弯构件，而索则是受拉构件。现代斜拉桥在我国的历史并不算久，但是若追溯斜拉桥的起源，斜拉桥受力原理源于吊桥，在我国可以追溯到前，典型代表为具有军事防御作用的护城河吊桥。国外吊桥历史不如我国悠久，但是现代斜拉桥却是起源于国外，并且在近代得到迅速发展，桥型也得到丰富。

1.1.1 国外斜拉桥发展

年，德国人在建成一座运用木制杆件作为承重体系的吊桥，虽然跨径只有，但是该桥却意义深远，因为这是世界上第一座斜拉桥。年，德国桥梁专家教授设计出了世界上第一座具有现代意义的斜拉桥—德国的桥，其设计方案为跨径，但遗憾的是该桥一直到年才通车，没能成为历史上第一座建成的现代化斜拉桥。年德国建成了跨径为的桥，该桥是漂浮体系桥梁，桥塔为形，拉索形式是辐射式，该桥梁的成功为桥梁领域的抗震设计具有示范效应。

20世纪60年代初，随着电子计算机技术的发展，结构分析有了新的突破，借此设计师们可以较方便地分析高次超静定结构，因此斜拉桥的设计不仅仅局限于之前的希索体系，密索体系由此产生。年德国建成跨径的桥，为世界首创尝试采用密索体系并且获得成功的桥梁，这为密索体系的推广取到关键作用。