斜拉桥 正装分析.docx
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斜拉桥正装分析
斜拉桥成桥阶段和正装分析
目录
概要1
桥梁基本数据2
荷载2
设定建模环境3
定义材料和截面特性值4
成桥阶段分析6
建立模型7
建立加劲梁模型8
建立主塔9
建立拉索11
建立主塔支座12
输入边界条件13
索初拉力计算14
定义荷载工况16
输入荷载17
运行结构分析22
建立荷载组合22
计算未知荷载系数23
查看成桥阶段分析结果27
查看变形形状27
正装施工阶段分析28
正装施工阶段分析32
正装施工阶段分析32
正装分析模型34
定义施工阶段36
定义结构组39
定义边界组46
定义荷载组51
定义施工阶段57
施工阶段分析控制数据62
运行结构分析63
查看施工阶段分析结果64
查看变形形状64
查看弯矩65
查看轴力66
查看计算未闭合配合力时使用的节点位移和内力值67
成桥阶段分析和正装分析结果比较68
斜拉桥成桥阶段与正装分析
概要
斜拉桥是塔,拉索和加劲梁三种基本结构组成的缆索承重结构体系,桥形美观,且根
据所选的索塔形式以及拉索的布置能够形成多种多样的结构形式,容易与周边环境融合,
是符合环境设计理念的桥梁形式之一.
为了决定安装拉索时的控制张拉力,首先要决定在成桥阶段恒载作用下的初始平衡状
态,然后再按施工顺序进行施工阶段分析.
一般进行斜拉桥分析时首先通过倒拆分析计算初张拉力,然后进行正装施工阶段分
析.在本例题将介绍建立斜拉桥模型的方法,计算拉索初拉力的方法,施工阶段分析方
法,采用未闭合配合力功能利用成桥阶段分析张力进行正装分析的方法.本例题中的桥梁
模型为三跨连续斜拉桥（如图1）,主跨110m,边跨跨经为40m.
图1.斜拉桥分析模型
斜拉桥成桥阶段与正装分析
桥梁基本数据
为了说明斜拉桥分析步骤,本例题采用了较简单的分析模型,可能与实际桥梁设计内
容有所差异.
本例题桥梁的基本数据如下.
桥梁形式三跨连续斜拉桥
桥梁跨经40.0m+110.0m+40.0m=190.0m
桥梁高度主塔下部:
20m,主塔上部:
40m
索
主塔
索
主塔
主梁
40m110m40m
主梁
图2.立面图
荷载
分类荷载类型荷载值
自重自重程序内部自动计算
索初拉力初拉力荷载
满足成桥阶段初始平衡状态的
索初拉力
挂
篮荷载节点荷载80tonf
支座强制位移强制位移10cm
使用MIDAS/Civil
软件内含的优化法则
计算出索初拉力.
斜拉桥成桥阶段与正装分析
设定建模环境
为了做斜拉桥成桥阶段分析首先打开新项目"cablestayed"为名保存文件,开始
建立模型.
单位体系设置为"m"和"tonf".该单位体系可以根据输入的数据类型随时随意更
换.
文件/新项目
文件/保存（cablestayed）
工具/单位体系
长度>m;力>tonf?
图3.设定建模环境及单位体系
斜拉桥成桥阶段与正装分析
定义材料和截面特性值
输入加劲梁,主塔下部,主塔上部,拉索的材料特性值.在材料和截面对话框中选
择材料表单点击"添加"按钮.
模型/材料和截面特性/材料
名称（加劲梁）
设计类型>用户定义
弹性模量（2.1e7）;泊松比（0.3）
容重（7.85）
?
定义多种材料时,
使用适用按钮会更方
便一些.
按上述方法参照表1输入主塔下部,主塔上部,拉索的材料特性值.
表1.材料特性值
号项目
弹性模量
（tonf/m
2
）
泊松比
容重
（tonf/m
3
）
1加劲梁2.1×10
7
0.37.85
2主塔下部2.5×10
6
0.172.5
3主塔上部2.1×10
7
0.37.85
4拉索1.57×10
7
0.37.85
图4.定义材料特性值
斜拉桥成桥阶段与正装分析
输入加劲梁,主塔下部,主塔上部,拉索的截面特性值.在材料和截面特性对话框的
截面表单点击"添加"按钮.
模型/材料和截面特性/截面
数值表单
截面号
（1）;名称（加劲梁）
截面形状>实腹长方形截面
截面特性值>面积（0.8）?
按上述方法参照表2输入加劲梁,主塔下部,主塔上部,拉索的截面特性值.
表2.截面特性值
号项目截面形状
面积
（m
2
）
Ixx
（m
4
）
Iyy
（m
4
）
Izz
（m
4
）
1加劲梁实腹长方形0.815.01.015.0
2主塔下部实腹长方形50.01000.0500.0500.0
3主塔上部实腹长方形0.35.05.05.0
4拉索实腹圆形0.0050.00.00.0
图5.定义截面特性值对话框
斜拉桥成桥阶段与正装分析
成桥阶段分析
建立成桥阶段模型后计算自重和二期荷载引起的索初拉力.然后利用拉索初拉力进行
成桥阶段初始平衡状态分析.
首先建立斜拉桥的成桥阶段二维模型,利用包含索力优化功能的未知荷载系数功能
计算拉索初拉力.
斜拉桥成桥阶段模型参见图6.
图6.斜拉桥成桥阶段模型
斜拉桥成桥阶段与正装分析
建立模型
首先建立成桥阶段分析模型,待成桥阶段分析结束后另存为其它名称做施工阶段分
析.
建立斜拉桥成桥阶段模型的详细步骤如下.
1.建立加劲梁模型
2.建立主塔模型
3.建立拉索模型
4.生成主塔上的支座
5.输入边界条件
6.拉索初拉力计算:
利用未知荷载系数功能
7.输入荷载工况以及荷载
8.运行结构分析
9.计算未知荷载系数
斜拉桥成桥阶段与正装分析
建立加劲梁模型
首先用建立节点功能建立节点后使用扩展单元功能生成9@10+2@5+9
@10m的梁单元模型.
正面,捕捉节点（开）,捕捉点栅格（开）
自动对齐（开）,节点号（开）
模型/节点/建立节点
坐标（-95,0,0）?
模型/单元/扩展单元
全选
扩展类型>节点线单元
单元属性>单元类型>梁单元
材料>1:
加劲梁;截面>1:
加劲梁
生成模式>复制和移动
复制和移动>任意间距;方向>x
间距>9@10,2@5,9@10?
图7.建立加劲梁单元
斜拉桥成桥阶段与正装分析
建立主塔
在主塔下部利用建立节点功能建立节点后,利用扩展功能建立10m+
5m的主塔下部梁单元.
模型/节点/建立节点
坐标（-55,0,-20）
复制>复制次数
（1）;距离（110,0,0）?
模型/单元/扩展单元
窗口选择（节点:
图8的①;节点22,23）
生成类型>节点线单元
单元属性>单元类型>梁单元
材料>2:
主塔下部;截面>2:
主塔下部
生成模式>复制和移动
复制和移动>任意间距;方向>z
间距>10,5?
选择节点22,23
①
图8.建立主塔下部
斜拉桥成桥阶段与正装分析
选择节点后利用扩展功能建立加劲梁上部梁单元（10m+5m+3@10m）.
模型/单元/扩展单元
窗口选择（节点:
图9的①;节点26,27）
扩展类型>节点线单元
单元属性>单元类型>梁单元
材料>3:
主塔上部;截面>3:
主塔上部
生成模式>复制和移动
复制和移动>任意间距;方向>z
间距>15,3@10?
①
选择节点26,27
①
图9.建立主塔上部
斜拉桥成桥阶段与正装分析
建立拉索
利用建立单元功能建立拉索单元.
显示
单元>单元坐标轴（开）?
模型/单元/建立单元
单元类型>桁架单元
材料>4:
拉索;截面>4:
拉索;Beta角（0）
节点连接（34,1）
节点连接（34,3）
节点连接（34,7）
节点连接（34,9）
节点连接（35,13）
节点连接（35,15）
节点连接（35,19）
节点连接（35,21）?
图10.建立拉索
斜拉桥成桥阶段与正装分析
建立主塔支座
弹性连接单元是把
两个节点按用户所需
要的刚度连接而形成
的计算单元.弹性连
接单元由3个轴向刚度
值和3个旋转刚度组
成,6个自由度按弹性
连接单元的单元坐标
系输入.
使用弹性连接（ElasticLink）建立主塔上的支座.
支座的支承条件如下:
SDx:
500000tonf/m,SDy:
100000000tonf/m,SDz:
1000tonf/m
模型/边界条件/弹性连接
窗口缩放（图21的①）
选项>添加;连接类型>一般类型
SDx（tonf/m）（500000）;SDy（tonf/m）（100000000）;SDz（tonf/m）（1000）
剪
切型弹性支承位置（开）
到
端点I的距离比:
SDy
（1）;SDz
（1）
Beta角>（0）
2
点（26,5）
2点（27,17）?
弹性连接单元轴向
刚度输入单位长度所
施加的力,旋转刚度
输入单位转角所施加
的弯矩值.
输入剪切型弹性支
座在弹性连接单元的
位置.
窗口放大
①
调整弹性连接单元
的布置方向.
图11.建立主塔支座
斜拉桥成桥阶段与正装分析
输入边界条件
分析模型的边界条件如下.
主塔下端:
固定端（Dx,Dy,Dz,Rx,Ry,Rz）
桥台下端:
铰支座（Dy,Dz,Rx,Rz）
输入主塔和桥台处边界条件.
自动对齐
模型/边界条件/一般支承
窗口选择（节点:
图12的①;节点22,23）
边界组名称>默认值
选项>添加;支承类型>D-ALL,R-ALL?
窗口选择（节点:
图12的②;节点1,21）
边界组名称>默认值
选项>添加;支承类型>Dy,Dz,Rx,Rz?
②②
①①
图12.输入边界条件
斜拉桥成桥阶段与正装分析
索初拉力计算
为了改善斜拉桥成桥阶段的加劲梁,主塔,拉索,支座的受力状态,给拉索施加初拉
力荷载,使之与恒荷载平衡.
斜拉桥是多次超静定结构体系,所以计算拉索初拉力需要多次的反复计算.另外,对
于每跟拉索的张力并不是只有一个解,对同一个斜拉桥不同的设计者可能选择不同的拉索
初拉力.
MIDAS/Civil的未知荷载系数功能使用了索力优化法则,可以计算出特定约束条件
的最佳荷载系数,在计算斜拉桥拉索初拉力非常有效.
使用未知荷载系数功能计算斜拉桥拉索初拉力的计算步骤如表3.
步骤2.定义主梁恒荷载和拉索的单位荷载的荷载工况
步骤3.输入恒荷载和单位荷载
步骤4.建立恒荷载和单位荷载的荷载组合
步骤5.使用未知荷载系数功能计算未知荷载系数
步骤6.查看分析结果以及索初拉力
步骤1.建立斜拉桥模型
表3.拉索初拉力计算步骤流程图
斜拉桥成桥阶段与正装分析
初始平衡状态分析
为了使斜拉桥结构在恒载作用下拉索垂度,加劲梁的弯矩,拉索锚固点坐标,拉索张
力,主塔坐标达到设计期望值,通过初始平衡状态分析计算初始节点坐标,拉索变形前长
度,拉索初始张拉力.
斜拉桥设计时,最重要的是如何使加劲梁和主塔的弯曲内力达到最小状态.通过初始
平衡状态分析可以使恒载作用下成桥阶段变形形状接近于设计期望状态时,内力也会达到
最小状态.对于斜拉桥分析,初始平衡状态分析非常重要,且初始平衡状态分析能够计算
出变形前拉索长度,追踪拉索张力,加劲梁和主塔的预拱度,加劲梁的弯矩图等设计参
数.
斜拉桥的特殊结构体系决定了主塔和加劲梁上将产生很大的轴力,这些轴力和拉索的
张力决定结构的变形形状.为了确定拉索的初始张力,顺桥向的变形和拉索的张力要反映
到结构分析计算中.但斜拉桥是多次超静定结构体系,计算拉索初拉力需要多次的反复计
算,所以计算出满足初始状态的施工控制张力不是简单的事情.另外,对于每跟拉索的张
力并不是只有一个解,对同一个斜拉桥不同的设计者可能计算出不同的拉索初拉力.
利用MIDAS/Civil的未知荷载系数功能计算拉索初拉力
给斜拉桥的拉索施加初拉力,使加劲梁产生的弯矩趋于最小,用这种方法来设计出更
大跨经桥梁.但是计算初始张力并不是简单的事情,过去设计人员一般都是采用经验值来
计算初拉力.
目前虽然计算斜拉桥拉索初拉力的方法很多,但是能够计算出满足设计条件的初拉力
非常困难.
利用MIDAS/Civil优化索力功能,可以计算出最小误差范围内的能够满足特定约束条
件的最佳荷载系数,利用这些荷载系数计算拉索初拉力.
优化索力时将位移,反力,内力的"0"值以及最大最小值作为控制条件,把拉索初
拉力作为变量来计算.
计算未知荷载系数适用于线性结构体系,为了计算出最佳的索力,必须要输入适当的
控制条件.
一般要满足如下控制条件:
①主塔不受或只受较小的弯矩作用;
②加劲梁的弯矩分布要均匀;
③最终索力不集中在几根拉索,而是适当分布在每根拉索上.
斜拉桥成桥阶段与正装分析
定义荷载工况
为了计算恒载引起的拉索初拉力,定义自重,二期荷载,拉索单位初拉力等荷载工
况.
本例题斜拉桥为主塔两侧各有4根拉索的对称结构,需要的未知荷载系数为四个,定
义四个荷载工况.
荷载/静力荷载工况
名称（自重）;类型>恒荷载
说
明（自重）?
名称（二期荷载）;类型>恒荷载
说明（二期荷载）?
名称（拉索1）;类型>用户定义的荷载
说明（拉索1-单位初拉力）?
….
名称（拉索4）;类型>用户自定义荷载
说明（拉索4-单位初拉力）?
名称（支座强制位移）;类型>用户自定义荷载
说
明（边跨支座强制位移）?
使用MCT命令窗口
输入荷载工况更方
便.
输入名称（拉索1）至名称（拉索4）的荷载工况.
图13.恒载和单位荷载的荷载工况
斜拉桥成桥阶段与正装分析
输入荷载
输入自重,加劲梁二期荷载,拉索单位荷载,支座强制位移荷载.
使用自重功能输入结构自重.二期荷载包括防撞墙,桥面铺装等荷载.
为了计算拉索初拉力输入拉索的单位荷载.
对齐
荷载/自重
荷载工况名称>自重
荷载组名称>默认值
自重系数>Z（-1）?
图14.输入自重
斜拉桥成桥阶段与正装分析
输入作用于加劲梁的二期荷载.
使用梁单元荷载功能输入防撞墙,桥面铺装荷载,荷载大小为?
3.0tonf/m.
荷载/梁单元荷载（单元）
窗口选择（节点:
图15的①;节点1～23）
荷载工况名称>二期荷载;选项>添加
荷载类型>均布荷载;方向>整体坐标系Z
投影>否
数值>相对值;x1（0）,x2
（1）,W（-3）?
①
二期荷载:
?
3.0tonf/m
图15.输入作用于加劲梁的二期荷载
斜拉桥成桥阶段与正装分析
输入拉索单元的单位初拉力.以桥梁跨中为对称轴赋予两侧相同的索初拉力,且对称
拉索赋予相同的荷载工况.
荷载/预应力荷载/初拉力荷载
交叉线选择（单元:
图16的①;单元33,40）
荷载工况名称>拉索1;荷载组名称>默认值
选项>添加;初拉力
（1）?
…
荷载工况名称>拉索4;荷载组名称>默认值
选项>添加;初拉力
（1）?
①
交叉线选择
①
交叉线选择
图16.输入拉索的单位初拉力
拉索2至拉索4的单位初拉力荷载参照表4输入.此时也可用MCT命令窗口来输入.
表4.荷载工况和单元号
荷载工况单元号荷载工况单元号
拉索133,40拉索335,38
拉索234,39拉索436,37
斜拉桥成桥阶段与正装分析
确认已输入的拉索单位初拉力.
图17.已输入的拉索单位初拉力
斜拉桥成桥阶段与正装分析
利用支座强制位移功能输入边跨支座的支座强制位移荷载.
支座强制位移荷载如下:
竖向位移:
0.01m
'é?
g?
q给牦戡节
砑输犒酸睇桷耆〃
荷载/支座强制位移
窗口选择（节点:
图18的①;节点1,21）
荷载工况名称>支座强制位移;选项>添加
位移>Dz（0.01）?
①①
图18.支座沉降荷载
斜拉桥成桥阶段与正装分析
运行结构分析
运行结构自重,二期荷载,拉索单位初拉力,支座强制位移荷载的静力分析.
分析/运行分析?
建立荷载组合
利用拉索的初拉力荷载工况（4个）和自重,二期荷载,支座强制位移荷载工况,建立
荷载组合.
结果/荷载组合
荷载组合列表>名称>LCB1
荷载工况>自重（ST）;分项系数（1.0）
荷载工况>二期荷载（ST）;分项系数（1.0）
荷载工况>拉索1（ST）;分项系数（1.0）
荷载工况>拉索2（ST）;分项系数（1.0）
荷载工况>拉索3（ST）;分项系数（1.0）
荷载工况>拉索4（ST）;分项系数（1.0）
荷载工况>支座强制位移（ST）;分项系数（1.0）?
图19.建立荷载组合
斜拉桥成桥阶段与正装分析
计算未知荷载系数
利用未知荷载系数功能计算荷载组合LCB1作用下满足特定约束条件的未知荷载系
数.控制条件为约束主塔水平位移（Dx）和控制加劲梁弯矩（My）.
在未知荷载系数对话框输入荷载工况,约束条件,构成目标函数的方法等.
未知荷载系数功能的详细说明请参照用户手册第二册"Civil分析功能>利用优化设计方
法求解未知荷载"和在线帮助的"结果>未知荷载系数"部分的说明.
结果/未知荷载系数
未知荷载系数组>
项目名称（未知荷载系数）;荷载组合>LCB1
目标函数类型>平方;未知荷载系数符号>正负
荷载工况>拉索1（开）
荷载工况>拉索2（开）
荷载工况>拉索3（开）
荷载工况>拉索4（开）
图20.未知荷载系数详细对话框
斜拉桥成桥阶段与正装分析
在约束条件中输入主塔的水平方向位移约束条件和控制加劲梁弯矩的约束条件.
约束条件>
约束名称（节点34）
约束类型>位移
节点号（34）
位
移>Dx
约束条件>相等;
数值（0）?
约束条件>
约束名称（单元5）
约束类型>梁单元内力
单元号（5）
位
置>I-端
内力>My
约束条件>相等;
数值（-300）?
约束条件>
约束名称（单元6）
约束类型>梁单元内力
单元号（6）
位
置>J-端
内力>My
约束条件>相等;
数值（-200）?
约束条件>
约束名称（单元8）
约束类型>梁单元内力
单元号（8）
位
置>J-端
内力>My
约束条件>相等;
数值（-400）?
本例题将主塔水平
位移和主梁弯矩作为
约束条件.因分析模
型是对称结构所以只
定义1/2模型.
斜拉桥成桥阶段与正装分析
可以使用MCT命令
窗口方便地输入计算
未知荷载系数的约束
条件.使用方法参照
〉斜拉桥成桥阶段分析
例题《〃
图21.约束条件对话框
在未知荷载系数结果对话框中查看约束条件和相应的未知荷载系数.关于未知荷载系数
计算的详细说明参见用
户手册第二册"Civil分
析功能>利用优化设计
方法求解未知荷载"章
节.
未知荷载系数组>
图22为使用未知荷载系数功能计算的未知荷载系数结果.
②①
未知荷载系数
（拉索初拉力）
点击生成荷载组合
可自动生成未知荷载
系数的荷载组合.
点击生成Excel文
件按钮,导出Excel文
件格式计算结果.
图22.未知荷载系数分析结果
斜拉桥成桥阶段与正装分析
利用生成荷载组合（图22的①）,自动生成使用未知荷载系数的荷载组合,查看新的荷载
组合的分析结果是否满足约束条件.
图23.自动使用未知荷载系数的LCB2荷载组合
结果/荷载组合
在图22中计算得出的拉索1（ST）至拉索4（ST）的未知荷载系数在荷载组合对话框里的荷
载工况系数中自动被输入.
图24.使用未知荷载系数自动生成的荷载组合
斜拉桥成桥阶段与正装分析
查看成桥阶段分析结果
查看变形形状
查看拉索初拉力,结构自重以及二期荷载,支座强制位移荷载下成桥阶段变形形状.
结果/位移/位移形状
荷载工况/荷载组合>CB:
LCB2
位移>DXYZ
显示类型>变形前（开）;图例（开）
变形>变形图的比例（0.5）?
窗口缩放
可以调整变形显示
比例系数.
图25.查看变形形状
斜拉桥成桥阶段与正装分析
正装施工阶段分析
一般通过斜拉桥的成桥阶段分析计算结构的截面和拉索的截面以及初拉力.
斜拉桥的设计除了成桥阶段的分析,而且还需要施工阶段的分析.根据施工方案的不
同,斜拉桥的结构体系会发生很大的变化,且施工中的结构体系有可能比成桥阶段更不稳
定,所以应对各施工阶段进行准确的分析.按施工顺序做的施工阶段分析称为正装施工阶
段分析（ForwardAnalysis）.通过正装施工阶段分析验算施工中产生的应力,检查施工顺
序,可施工性等,找出最佳的施工方法.
斜拉桥正装施工阶段分析较困难的部分是如何计算出拉索的施工控制张力.
MIDAS/Civil可以利用未闭合配合力（LackofFitForce）功能,准确计算出拉索初拉
力（参见技术资料）.
为了进行施工阶段的分析,应将加劲梁,拉索,拉索锚固点,边界条件,荷载条件等
变化过程定义为施工阶段.
图26斜拉桥的施工顺序
斜拉桥成桥阶段与正装分析
（1）拉索未闭合配合力的计算
首先,在安装拉索的前一阶段,求出拉索两端节点的位移.
利用拉索两端的位移,求拉索变形前长度（L）与变形后长度（L'）之差.根据差值
求出相应的拉索附加初拉力（ΔT）.把求出的附加初拉力（ΔT）和初始平衡状态分析时计算
得出的初拉力（T）叠加作为施工阶段的控制张力进行施工阶段的正装分析.
L'
L
（ui,vi）
（uj,vj）
L'-LL=VbUbCosSinθθ=?
+
EA
?
T=?
L
L
fiT=T+T?
图27未闭合配合力计算-拉索
斜拉桥成桥阶段与正装分析
（2）合拢段未闭合配合力的计算
三跨连续斜拉桥的中间合拢段合
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