摘 要

近些年来，大跨度桥梁建设数量逐渐增多，跨径不断增大，桥梁结构也更加轻盈。斜拉桥作为现代大跨桥梁的代表桥型之一，应用十分广泛。但是斜拉桥是高次超静定结构，其施工过程与成桥状态有很强的相关性，并且由于施工过程体系不断转化，其受力极其复杂，这必然导致施工过程内力与位移产生复杂的变化。

斜拉桥的成桥状态与施工过程密切相关，为了使成桥状态合理，就必须了解桥梁施工过程的力学状态，从而可以进行有效的施工控制，本文以江汉三桥为工程实例，利用大型通用有限元软件ANSYS建立全桥模型，通过生死单元的方法对其施工过程进行计算分析。

本文详细对全桥的建模过程进行了介绍，在建模时采用梁格法中的单主梁模型，对比较复杂的截面采用CAD绘图导入的方式，规则的截面则用ANSYS命令定义。在建模过程中还考虑了斜拉索的垂度效应等几何非线性，用等效弹性模量进行换算，斜拉索的初应力则考虑通过降温法赋予。

本文将施工过程划为29个阶段，并根据图纸总结了每个施工阶段的工作内容，选用生死单元法对主梁、桥塔以及斜拉索进行位移与内力分析，并绘出了主梁悬臂端最大位移、桥塔位移、塔底正应力、斜拉索最大索力以及主梁最大弯矩随施工过程的变化图，得出在对称施工阶段内力与位移均变化较小，而非对称施工阶段增长速率显著上升的结论，并且最大值发生在CS25阶段，所以该阶段需要进行重点控制。

最后根据以上的分析以及施工中的具体方法给出了一些施工建议。

关键词：大跨斜拉桥；施工过程；力学响应；几何非线性

Abstract

In recent years, the number of large-span bridge constructions has gradually increased, the spans have been increasing, and the bridge structure has become lighter. As one of the representative bridge types of modern long-span bridges, cable-stayed bridges are widely used. However, the cable-stayed bridge is a high-order statically indeterminate structure, and its construction process has a strong correlation with the state of the completed bridge, and due to the continuous transformation of the construction process system, its stress is extremely complex, which inevitably leads to complex internal forces and displacements change.

The state of the cable-stayed bridge is closely related to the construction process. In order to make the state of the bridge reasonable, it is necessary to understand the mechanical state of the bridge during the construction process, so that effective construction control can be carried out. The finite element software ANSYS establishes the full bridge model, and calculates and analyzes its construction process through the method of life and death unit.

This article introduces the modeling process of the full bridge in detail. In the modeling, the single main beam model in the beam grid method is used, and the more complicated section is imported by CAD drawing. The regular section is defined by the ANSYS command. In the modeling process, the geometric nonlinearity such as the sag effect of the stay cable is also considered, and the equivalent elastic modulus is used for conversion. The initial stress of the stay cable is considered to be given by the cooling method.

In this paper, the construction process is divided into 29 stages, and the work content of each construction stage is summarized according to the drawings. The life and death element method is used to analyze the displacement and internal force of the main beam, bridge tower and stay cable, and the main beam cantilever is drawn. The maximum displacement at the end, the displacement of the bridge tower, the normal stress at the bottom of the tower, the maximum cable force of the stay cable and the maximum bending moment of the main beam with the construction process show that the internal force and displacement change are small in the symmetric construction stage, and the growth rate of the stage has increased significantly in the asymmetric construction, and the maximum value occurs in the CS25 stage, so this stage needs to be focused on control.

Finally, according to the above analysis and specific methods in construction, some construction suggestions are given.

Keywords: long-span cable-stayed bridge; construction process; mechanical response; geometric nonlinearity

目 录

第1章绪论 1

1.1斜拉桥概述 1

1.2斜拉桥发展概况 1

1.3 桥梁概况 2

1.3.1 主桥结构概况 2

1.3.2主要材料 3

1.4 本文研究的主要内容 3

1.5本章小结 4

第2章斜拉桥施工阶段及分析理论 5

2.1斜拉桥的施工方法 5

2.2斜拉桥施工阶段受力特点 6

2.3桥梁施工控制分析方法 6

2.4.1有限元法 6

2.4.2解析法 8

2.5 本章小结 8

第3章 模型的建立 9

3.1ANSYS建立斜拉桥有限元模型的方法 9

3.1.1板壳单元法 9

3.1.2 梁格法 9

3.1.3 实体单元法 9

3.2江汉三桥模型的建立 10

3.2.1空间杆系模型的建立 10

3.2.2主梁模型 10

3.2.3 主塔、拉索以及桥墩模型 12

3.2.4 边界条件 15

3.3 本章小结 16

第4章江汉三桥施工阶段力学响应分析 17

4.1 概述 17

4.2 等效荷载施加 17

4.3 江汉三桥施工阶段的划分 18

4.4 生死单元功能 20

4.4.1 生死单元的概念 20

4.4.2 生死单元的工作原理 20

4.4.3 生死单元的使用 20

4.5 江汉三桥施工阶段的位移分析 20

4.5.1 主梁悬臂端位移计算分析 26

4.5.2 桥塔偏移计算分析 27

4.6 江汉三桥施工阶段内力分析 28

4.6.1 主梁最大弯矩计算分析 28

4.6.2 塔底正应力计算分析 30

4.6.3 斜拉索索力计算分析 31

4.7 施工过程的建议 32

4.8 本章小结 33

第5章结论与展望 34

5.1 结论 34

5.2 展望 34

参考文献 36

附录 37

致谢 46

第1章绪论

1.1斜拉桥概述

我国在经历改革开放之放后，经济获得了巨大的发展，同时也需要完善交通路网来促进经济发展。目前我国地势高低起伏，河流遍布，有着极深的河谷，也有跨度很大的河流，所以给桥梁的建设带来了很多的问题。斜拉桥由于其良好的跨越能力，无疑成为一种较优的选择。

 斜拉桥历史悠久，它起源于吊索桥。作为大跨度桥梁主要形式之一的斜拉桥，受力特点良好，所以比普通梁桥在跨越能力方面有更好表现。它由梁、斜拉索、桥塔三部分组成，斜拉索将主梁与桥塔连到一起，斜拉索承受拉力，桥塔支撑整个桥梁的结构，主要承受压力，主梁主要承受轴力和弯矩。

1.2斜拉桥发展概况

资料表明，斜拉桥最早起源于东南亚一带。在该地区气候非常适合植物生长，因此生长了很多藤竹，为斜拉桥的出现创造了条件，当地居民用藤竹为材料建造了许多最原始的斜拉桥。自1617年开始，欧洲地区也出现了斜拉桥，世界上第一座斜拉桥是在1784年由德国工程师C.J Loscher建造的木桥，跨径为32m，是世界上第一座斜拉桥。由于当时的理论研究还不够成熟、高强钢材还不能被大量冶炼制造、对斜拉桥的结构体系还缺乏深刻的认识等原因，陆续有建好的斜拉桥出现坍塌等事故，影响了其发展。研究斜拉桥的工程师开始将精力投入到研究悬索桥，斜拉桥发展停滞。

二战之后，桥梁重建规模浩大，电子计算机的问世和工业水平的飞速发展，给斜拉桥的发展带来了新的机遇。电子计算机可以快速计算高次超静定结构，而工业水平的发展使高强钢材大量用于桥梁建设成为可能。