首页注释：本案例讲述索辅梁结构体系，单塔单索面斜拉桥的仿真模拟，来自于陕西省韩城市某实际工程。本案例旨在为提高学生仿真分析能力，仅为教学所用。本案例涉及到的知识点主要包括索辅梁结构体系，单塔单索面斜拉桥的基本概念，斜拉桥主塔、梁体内力及应力验算等。作者：闫磊，桥梁与隧道工程专业，工学博士（博士后在读），副教授，在数值模拟方法研究领域具有一定的造诣，主要从事大型复杂结构振动控制及结构检测、鉴定、加固设计等方面的研究工作，主持完成了40余座大中型桥梁结构的仿真分析，为大量工程结构的顺利施工提供了理论基础；工作单位：学院。
摘要：仿真技术可以为施工的顺利开展提供理论基础，如何使学生掌握计算机仿真技术在单塔单索面斜拉桥设计过程中的应用是本案例的主要目的。本案例以某单塔单索面斜拉桥为例，对仿真分析技术在单塔单索面斜拉桥设计中的应用进行了讲授，使学生深刻了解仿真分析方法的快速性、时效性及广泛性，组织学生进行其他类似案例的练习，进而掌握该方法，以期为学生今后撰写计算书方面提供思路。本案例的分析与讨论，可为仿真分析领域的教学设计提供有价值的思考路径与实施策略。
关键词：单塔单索面；斜拉桥；仿真分析
引言：本案例来自于陕西省韩城市澽水河南周大桥位于韩城市某实际工程。近年来数值模拟技术在土木工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径。将数值模拟技术应用于单塔单索面斜拉桥设计领域，可以使学生掌握工程软件在组合结构中的应用，对提升学生工程软件应用能力方面具有重要的指导意义。
背景介绍：
拟建韩城市澽水河南周大桥位于韩城市芝川镇南周村西侧附近，设计桥梁直跨澽水河，为连接澽水河两岸通行方便而建设，拟建桥梁里程中心桩号k0+087.0，设计桥长161.0m、桥面宽12.0m，上部结构采用2×77.0m钢箱梁（索辅梁体系独塔单索面斜拉桥、如意塔装饰），下部桥墩采用重力式墩、承台桩基础，两岸桥台及基础均采用柱式台、桩基础。
内容：
一、工程简介
(一)结构特点
桥梁设计采用索辅梁结构体系，单塔单索面斜拉桥，采用塔、墩、梁固结体系，主梁为钢箱梁，钢主塔，塔内局部灌注混凝土。桥梁跨径2×77.0m，主塔高度为34.35米。桥梁起点桩号为k0+006.500，终点桩号为k0+167.500，桥梁总长161.0米，桥宽为12.0米。
1.主梁
本桥上部采用两跨一联连续等高钢箱梁，单箱四室，跨径组合为2×77.0m，梁高2.0m，悬臂宽2.0m，悬臂端高0.3m，悬臂根部高度0.7m，钢箱梁标准段顶底板厚度20mm，在1号墩左右侧各15m范围内底板加厚至28mm，腹板厚度18mm，U肋纵向加劲肋厚度8mm，条形纵向加劲肋厚12mm，钢箱梁每隔2m设置一道横隔板，横隔板标准段厚12mm，支点处横隔板厚度28mm，箱梁顶部设置双向2%横坡。
2.主塔
主塔采用钢塔结构，塔身顺桥向为矩形等截面“如意”造型，横截面为等截面矩形，尺寸由塔底2.0（顺桥向）×3.5m（横桥向），塔高34.35m，主塔采用Q345D钢板，厂内分阶段加工、安装，塔身索区段及钢箱梁在桥墩左右各2.0m区段均灌注C50微膨胀混凝土；主塔与主梁、主墩固结体系，固结段通过预埋直径28mm的精轧螺纹钢连接。
3.斜拉索体系
本桥斜拉索体系设计采用OVM.GJ15-12整束挤压索，索端为叉耳锚固体系。
4.下部结构
桥墩：1号桥墩墩身尺寸为2.5×6.3米的矩形截面，四角做半径R=20cm倒角处理，墩身高度为8.0m；承台为7.5×7.5米矩形承台，承台厚度3米。桥墩基础采用摩擦桩基础，钻孔灌注桩，直径1.8米，桩间距为4.5米，布置形式为2×2共4根。桥墩、承台、桩基采用C30水下混凝土，桩长为48.0米。
桥台：0、2号桥台为钢筋砼柱式桥台，桥台背墙高在路线中心处为2.38m，背墙宽0.5m。桥台台帽厚为1.3米，桥台下设置2根直径为1.5米的桩基，桩间距为6.0米，桩长为30.0米。
二、设计依据
1.《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）
2.《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）
3.《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）
4.《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61-2005）
5.《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81－2006）
6.《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2006）
7.《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）
8.《公路工程抗震设计规范》（JTG B02-2013）
9.《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01--2008）
10.《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）
11.《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30--2015）
12.《公路桥涵施工技术规范》（JTG T F50-2011）
13.《公路桥梁盆式支座》(JT/T391-2009)
14.《公路桥梁伸缩装置》（JT/T327-2004）
15.《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011）；
16.《公路斜拉桥设计细则》（JTG/T D65-01-2007）；
17.《公路桥涵抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004）；
18.《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
19.《结构用无缝钢管》（GB 8162-2008）；
20.《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》（GB 11345-89）；
21.《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）。
22.《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01-2006）
三、技术标准
1.荷载标准：
汽车荷载：公路-Ⅱ级；人群荷载：3.5kPa；
2.地震动峰值加速度：0.15g；抗震设防烈度7度；
3.桥梁设计基准期： 100年；
4.桥梁设计安全等级：一级；
5.桥面宽度：0.3米(护栏带)+3.75米(行车道) +0.2米(路缘石)+3.5米(索塔锚固区)+0.2米(路缘石) +3.75米(行车道)+0.3米(护栏带)=12米。
四、建筑材料
1.混凝土
主塔及墩、塔、梁固结段：C50微膨胀混凝土灌注；
桥台台帽、耳背墙、桥台防震挡块、挡土板、护栏底座、承台、桩基等：C30混凝土；
桥面铺装：8cm厚C50混凝土+5cm厚沥青混凝土；
沥青混凝土容重：23kN/m3
铺装混凝土容重：25kN /m3
钢筋混凝土容重：26kN /m3
2.普通钢筋
普通钢筋：采用HPB300级和HRB400级钢筋：HPB300钢筋，应符合《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》GB1499.1—2008的规定；HRB400钢筋应符合《GB1499.2—2007》的规定。
3.斜拉索用钢绞线
斜拉索均采用OVM.GJ15-12整束挤压成型钢绞线拉索及相应配套的锚具，钢绞线采用环氧涂层钢绞线，采用符合GB/T 5224-2003低松弛钢绞线的规定。
斜拉索用钢绞线采用环氧涂层钢绞线，其物理、及力学性能指标如下所列：
（1）强度级别： 1860MPa
（2）弹性模量E=（2.0±0.1）×105MPa
（3）松弛性能：≤2.5％
（4）伸长率：≥3.5％
锚具：锚具采用OVM配套设备。
HDPE护套：符合《钢绞线、钢丝束无粘结预应力筋》（JG3006-93）规定的要求。
配套产品包括锚具、钢束、预埋钢管、梳束器、体外束限位减震装置等。
4.钢材
主梁、塔身、叉耳及勒脚：Q345D钢材。
五、模型建立及计算结果
（一）模型建立
1.荷载及计算参数
（1）风荷载：桥位处百年一遇风速为26.8m/s。风荷载参与汽车荷载组合时，桥面高度处的风速Vz＝25.0m/s。
（2）二期铺装：8cm厚C50混凝土+5cm厚沥青混凝土等效线荷载按38.2kN/m。
（3）桥面栏杆：8 kN/m。
（4）基础变位：0号台最大沉降-1cm，2号台最大沉降-1cm。
（5）温度：整体升温30℃，降温取-25℃。
（6）拉索成桥索力：
图1斜拉索布置图
表1拉索成桥索力表
拉索编号
|
成桥索力（kN）
|
ZS1
|
600
|
YS1
|
600
|
ZS2
|
650
|
YS2
|
650
|
ZS3
|
700
|
YS3
|
700
|
ZS4
|
750
|
YS4
|
750
|
ZS5
|
800
|
YS5
|
800
|
ZS6
|
850
|
YS6
|
850
|
ZS7
|
900
|
YS7
|
900
|
ZS8
|
950
|
YS8
|
950
|
2.施工阶段划分
表2 施工阶段划分表
施工阶段编号
|
阶段描述
|
施工阶段1
|
下部墩台及基础施工。
|
施工阶段2
|
在桥位处搭设施工支架，完成上部钢主梁及桥塔施工，浇筑塔、梁结合处混凝土，实现墩、塔、梁固结体系。
|
施工阶段3
|
张拉斜拉索1，张拉力为600kN。
|
施工阶段4
|
张拉斜拉索2，张拉力为650kN。
|
施工阶段5
|
张拉斜拉索3，张拉力为700kN。
|
施工阶段6
|
张拉斜拉索4，张拉力为750kN。
|
施工阶段7
|
张拉斜拉索5，张拉力为800kN。
|
施工阶段8
|
张拉斜拉索6，张拉力为850kN。
|
施工阶段9
|
张拉斜拉索7，张拉力为900kN。
|
施工阶段10
|
张拉斜拉索8（LS8），张拉力为950kN。
|
施工阶段11
|
施工桥面护栏及桥面铺装。
|
施工阶段12
|
拆除施工支架。
|
3.全桥结构模型建立
采用有限元计算程序Midas/Civil 2012建立全桥结构模型，共划分为105个节点，104个单元，全桥结构模型离散图如图2所示：
图2全桥结构模型离散图
4.荷载组合：
荷载组合工况依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4.1.6条及4.1.7执行，如表3所示：
表3荷载组合工况表
工况编号
|
组合形式
|
CS1：基本组合（升温）
|
1.2×（自重+二期+护栏）+1.2×拉索力+1.4×移动荷载+1.05×整体升温+1.0×不均匀沉降+0.75风载
|
CS2：基本组合（降温）
|
1.2×（自重+二期+护栏）+1.2×拉索力+1.4×移动荷载+1.05×整体降温+1.0×不均匀沉降+0.75风载
|
CS3：短期效应组合（升温）
|
1.0×（自重+二期+护栏）+1.0×拉索力+0.67×移动荷载+0.7×整体升温+1.0×不均匀沉降
|
CS4：短期效应组合（降温）
|
1.0×（自重+二期+护栏）+1.0×拉索力+0.67×移动荷载+0.7×整体降温+1.0×不均匀沉降
|
CS5：长期效应组合（升温）
|
1.0×（自重+二期+护栏）+1.0×拉索力+0.38×移动荷载+0.4×整体升温+1.0×不均匀沉降
|
CS6：长期效应组合（降温）
|
1.0×（自重+二期+护栏）+1.0×拉索力+0.38×移动荷载+0.4×整体降温+1.0×不均匀沉降
|
（二）计算结果
1.CS1基本组合（升温）工况：
图3 基本组合（升温）工况下钢箱梁弯曲应力图（单位：MPa）
图4基本组合（升温）工况下钢箱梁剪切应力图（单位：MPa）
图5基本组合（升温）工况下钢箱梁轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，基本组合（升温）工况下钢箱梁最大弯曲应力为144.2MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为29.3 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为13.3 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
则基本组合（升温）工况下钢箱梁强度满足规范要求。
图6基本组合（升温）工况下主塔弯曲应力图（单位：MPa）
图7基本组合（升温）工况下主塔剪切应力图（单位：MPa）
图8基本组合（升温）工况下主塔轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，基本组合（升温）工况下主塔最大弯曲应力3.35MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为0.18 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为1.13 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
则基本组合（升温）工况下主塔强度满足规范要求。
基本组合（升温）工况下拉索应力如表4所示，由于本桥结构为索辅梁结构体系，根据《公路斜拉桥设计细则》（JTG-T D65-01-2007）第4.3.3条，斜拉索按体外索设计，容许应力按
Mpa。
表4基本组合（升温）工况下拉索应力表
拉索编号
|
拉索应力（MPa）
|
容许应力（MPa）
|
是否满足
|
ZS1
|
763.90
|
1116
|
是
|
YS1
|
759.00
|
1116
|
是
|
ZS2
|
828.00
|
1116
|
是
|
YS2
|
818.50
|
1116
|
是
|
ZS3
|
866.50
|
1116
|
是
|
YS3
|
851.30
|
1116
|
是
|
ZS4
|
888.50
|
1116
|
是
|
YS4
|
864.60
|
1116
|
是
|
ZS5
|
888.70
|
1116
|
是
|
YS5
|
865.40
|
1116
|
是
|
ZS6
|
881.20
|
1116
|
是
|
YS6
|
853.50
|
1116
|
是
|
ZS7
|
864.50
|
1116
|
是
|
YS7
|
834.00
|
1116
|
是
|
ZS8
|
848.10
|
1116
|
是
|
YS8
|
817.20
|
1116
|
是
|
ZS9
|
763.90
|
1116
|
是
|
YS9
|
759.00
|
1116
|
是
|
2.CS2基本组合（降温）工况：
图9基本组合（降温）工况下钢箱梁弯曲应力图（单位：MPa）
图10基本组合（降温）工况下钢箱梁剪切应力图（单位：MPa）
图11基本组合（降温）工况下钢箱梁轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，基本组合（降温）工况下钢箱梁最大弯曲应力为143.8MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为29.2 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为13.4 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
则基本组合（降温）工况下钢箱梁强度满足规范要求。
图12基本组合（降温）工况下主塔弯曲应力图（单位：MPa）
图13基本组合（降温）工况下主塔剪切应力图（单位：MPa）
图14基本组合（降温）工况下主塔轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，基本组合（降温）工况下主塔最大弯曲应力3.36MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为0.18 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为2.49 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
则基本组合（降温）工况下主塔强度满足规范要求。
基本组合（降温）工况下拉索应力如表5所示，由于本桥结构为索辅梁结构体系，根据《公路斜拉桥设计细则》（JTG-T D65-01-2007）第4.3.3条，斜拉索按体外索设计，容许应力按
Mpa。
表5基本组合（降温）工况下拉索应力表
拉索编号
|
拉索应力（MPa）
|
容许应力（MPa）
|
是否满足
|
ZS1
|
768.40
|
1116
|
是
|
YS1
|
763.70
|
1116
|
是
|
ZS2
|
831.40
|
1116
|
是
|
YS2
|
822.10
|
1116
|
是
|
ZS3
|
869.40
|
1116
|
是
|
YS3
|
854.40
|
1116
|
是
|
ZS4
|
891.10
|
1116
|
是
|
YS4
|
867.30
|
1116
|
是
|
ZS5
|
891.20
|
1116
|
是
|
YS5
|
867.90
|
1116
|
是
|
ZS6
|
883.70
|
1116
|
是
|
YS6
|
855.90
|
1116
|
是
|
ZS7
|
867.20
|
1116
|
是
|
YS7
|
836.30
|
1116
|
是
|
ZS8
|
851.00
|
1116
|
是
|
YS8
|
819.40
|
1116
|
是
|
ZS9
|
768.40
|
1116
|
是
|
YS9
|
763.70
|
1116
|
是
|
3.CS3短期效应组合（升温）工况：
图15短期效应组合（升温）工况下钢箱梁弯曲应力图（单位：MPa）
图16短期效应组合（升温）工况下钢箱梁剪切应力图（单位：MPa）
图17短期效应组合（升温）工况下钢箱梁轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，短期效应组合（升温）钢箱梁最大弯曲应力为104.67MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为21.22 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为10.68 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
则短期效应组合（升温）工况下钢箱梁强度满足规范要求。
图18短期效应组合（升温）工况下主塔弯曲应力图（单位：MPa）
图19短期效应组合（升温）工况下主塔剪切应力图（单位：MPa）
图20短期效应组合（升温）工况下主塔轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，短期效应组合（升温）工况下主塔最大弯曲应力1.97MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为0.14 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为2.03 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
则短期效应组合（升温）工况下主塔强度满足规范要求。
图21移动荷载作用时钢箱梁竖向挠度图（单位：mm）
由上图可知，短期效应组合（升温）工况下，移动荷载作用时钢箱梁竖向挠度最大值
，钢箱梁刚度满足规范要求。
短期效应组合（升温）工况下拉索应力如表6所示，由于本桥结构为索辅梁结构体系，根据《公路斜拉桥设计细则》（JTG-T D65-01-2007）第4.3.3条，斜拉索按体外索设计，容许应力按
Mpa。
表6短期效应组合（升温）工况下拉索应力表
拉索编号
|
拉索应力（MPa）
|
容许应力（MPa）
|
是否满足
|
ZS1
|
602.80
|
1116
|
是
|
YS1
|
599.00
|
1116
|
是
|
ZS2
|
653.20
|
1116
|
是
|
YS2
|
645.80
|
1116
|
是
|
ZS3
|
685.30
|
1116
|
是
|
YS3
|
673.30
|
1116
|
是
|
ZS4
|
705.80
|
1116
|
是
|
YS4
|
686.70
|
1116
|
是
|
ZS5
|
710.30
|
1116
|
是
|
YS5
|
691.20
|
1116
|
是
|
ZS6
|
709.40
|
1116
|
是
|
YS6
|
686.60
|
1116
|
是
|
ZS7
|
702.00
|
1116
|
是
|
YS7
|
676.50
|
1116
|
是
|
ZS8
|
693.10
|
1116
|
是
|
YS8
|
666.80
|
1116
|
是
|
ZS9
|
602.80
|
1116
|
是
|
YS9
|
599.00
|
1116
|
是
|
4.CS4短期效应组合（降温）工况：
图22短期效应组合（降温）工况下钢箱梁弯曲应力图（单位：MPa）
图23短期效应组合（降温）工况下钢箱梁剪切应力图（单位：MPa）
图24短期效应组合（降温）工况下钢箱梁轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，短期效应组合（降温）钢箱梁最大弯曲应力为104.39MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为21.18 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为10.71 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
则短期效应组合（降温）工况下钢箱梁强度满足规范要求。
图25短期效应组合（降温）工况下主塔弯曲应力图（单位：MPa）
图26短期效应组合（降温）工况下主塔剪切应力图（单位：MPa）
图27短期效应组合（降温）工况下主塔轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，短期效应组合（降温）工况下主塔最大弯曲应力1.98MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为0.14 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为2.03 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
短期效应组合（降温）工况下拉索应力如表7所示，由于本桥结构为索辅梁结构体系，根据《公路斜拉桥设计细则》（JTG-T D65-01-2007）第4.3.3条，斜拉索按体外索设计，容许应力按
Mpa。
表7短期效应组合（降温）工况下拉索应力表
拉索编号
|
拉索应力（MPa）
|
容许应力（MPa）
|
是否满足
|
ZS1
|
605.80
|
1116
|
是
|
YS1
|
602.20
|
1116
|
是
|
ZS2
|
655.50
|
1116
|
是
|
YS2
|
648.20
|
1116
|
是
|
ZS3
|
687.20
|
1116
|
是
|
YS3
|
675.30
|
1116
|
是
|
ZS4
|
707.50
|
1116
|
是
|
YS4
|
688.50
|
1116
|
是
|
ZS5
|
711.90
|
1116
|
是
|
YS5
|
692.90
|
1116
|
是
|
ZS6
|
711.10
|
1116
|
是
|
YS6
|
688.20
|
1116
|
是
|
ZS7
|
703.80
|
1116
|
是
|
YS7
|
678.10
|
1116
|
是
|
ZS8
|
695.00
|
1116
|
是
|
YS8
|
668.20
|
1116
|
是
|
ZS9
|
605.80
|
1116
|
是
|
YS9
|
602.20
|
1116
|
是
|
5.CS5长期效应组合（升温）工况：
图28长期效应组合（升温）工况下钢箱梁弯曲应力图（单位：MPa）
图29长期效应组合（升温）工况下钢箱梁剪切应力图（单位：MPa）
图30长期效应组合（升温）工况下钢箱梁轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，长期效应组合（升温）钢箱梁最大弯曲应力为95.51MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为19.35 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为10.42 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
则长期效应组合（升温）工况下钢箱梁强度满足规范要求。
图31长期效应组合（升温）工况下主塔弯曲应力图（单位：MPa）
图32长期效应组合（升温）工况下主塔剪切应力图（单位：MPa）
图33长期效应组合（升温）工况下主塔轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，长期效应组合（升温）工况下主塔最大弯曲应力1.94MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为0.13 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为2.00 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
长期效应组合（升温）工况下拉索应力如表8所示，由于本桥结构为索辅梁结构体系，根据《公路斜拉桥设计细则》（JTG-T D65-01-2007）第4.3.3条，斜拉索按体外索设计，容许应力按
Mpa。
表8长期效应组合（升温）工况下拉索应力表
拉索编号
|
拉索应力（MPa）
|
容许应力（MPa）
|
是否满足
|
ZS1
|
583.30
|
1116
|
是
|
YS1
|
579.80
|
1116
|
是
|
ZS2
|
631.90
|
1116
|
是
|
YS2
|
624.80
|
1116
|
是
|
ZS3
|
663.80
|
1116
|
是
|
YS3
|
652.20
|
1116
|
是
|
ZS4
|
685.50
|
1116
|
是
|
YS4
|
666.80
|
1116
|
是
|
ZS5
|
692.40
|
1116
|
是
|
YS5
|
673.50
|
1116
|
是
|
ZS6
|
694.60
|
1116
|
是
|
YS6
|
671.90
|
1116
|
是
|
ZS7
|
690.90
|
1116
|
是
|
YS7
|
665.40
|
1116
|
是
|
ZS8
|
684.80
|
1116
|
是
|
YS8
|
658.00
|
1116
|
是
|
ZS9
|
583.30
|
1116
|
是
|
YS9
|
579.80
|
1116
|
是
|
6.CS6长期效应组合（降温）工况：
图34长期效应组合（降温）工况下钢箱梁弯曲应力图（单位：MPa）
图35长期效应组合（降温）工况下钢箱梁剪切应力图（单位：MPa）
图36长期效应组合（降温）工况下钢箱梁轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，长期效应组合（降温）钢箱梁最大弯曲应力为95.35MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为19.33 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为10.44 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
则长期效应组合（降温）工况下钢箱梁强度满足规范要求。
图37长期效应组合（降温）工况下主塔弯曲应力图（单位：MPa）
图38长期效应组合（降温）工况下主塔剪切应力图（单位：MPa）
图39长期效应组合（降温）工况下主塔轴向应力图（单位：MPa）
由上图可知，长期效应组合（降温）工况下主塔最大弯曲应力1.94MPa，小于Q345D钢材的弯曲应力设计值270MPa；最大剪切应力为0.13 MPa，小于Q345D钢材的剪切应力设计值155MPa；最大轴向应力为2.00 MPa，小于Q345D钢材的轴向应力设计值270MPa；
长期效应组合（降温）工况下拉索应力如表9所示，由于本桥结构为索辅梁结构体系，根据《公路斜拉桥设计细则》（JTG-T D65-01-2007）第4.3.3条，斜拉索按体外索设计，容许应力按
Mpa。
表9长期效应组合（降温）工况下拉索应力表
拉索编号
|
拉索应力（MPa）
|
容许应力（MPa）
|
是否满足
|
ZS1
|
585.10
|
1116
|
是
|
YS1
|
581.60
|
1116
|
是
|
ZS2
|
633.20
|
1116
|
是
|
YS2
|
626.10
|
1116
|
是
|
ZS3
|
664.90
|
1116
|
是
|
YS3
|
653.30
|
1116
|
是
|
ZS4
|
686.50
|
1116
|
是
|
YS4
|
667.90
|
1116
|
是
|
ZS5
|
693.30
|
1116
|
是
|
YS5
|
674.40
|
1116
|
是
|
ZS6
|
695.60
|
1116
|
是
|
YS6
|
672.80
|
1116
|
是
|
ZS7
|
692.00
|
1116
|
是
|
YS7
|
666.30
|
1116
|
是
|
ZS8
|
685.90
|
1116
|
是
|
YS8
|
658.80
|
1116
|
是
|
ZS9
|
585.10
|
1116
|
是
|
YS9
|
581.60
|
1116
|
是
|
六、结论
经计算各工况下的结果均满足现行规范要求。
单塔单索面斜拉桥仿真分析案例教学指导手册
教学目的与用途：
1.本案例适用于全日制土木水利工程类硕士专业结构工程方向研究生的方向选修课程《工程软件及应用》。在工程软件课程中，进行单塔单索面斜拉桥设计方案编写，仿真分析是其中必不可少的环节之一。
2.通过此教学案例，使研究生仿真分析软件Midas应用于单塔单索面斜拉桥仿真分析过程中，使学生进一步了解工程软件在斜拉桥设计领域中的应用。
3.通过案例讲解使学生对单塔单索面斜拉桥设计分析方法等有深入地了解，进而掌握工程软件在该领域的应用，为学生今后进行科学研究及从事工程建造提供理论支撑和实践经验。
教学内容：
1.涉及知识点
（1）斜拉桥结构体系的确定；
（2）结构计算模型的简化；
（3）单元的建立；
（4）荷载的施加；
（5）计算结果的提取；
2.理论依据及分析思路
（1）理论依据
斜拉桥的设计主要涉及桥塔、主梁及斜拉索等，因此必须对各部分进行验算，用以指导设计图纸的绘制及后续的施工过程。主要涉及到的相关内容有：
①设计文件；
②相关设计规范；
（2）分析思路
本案例特点明显，主要体现在：本仿真计算是斜拉桥设计过程中必备的基本知识，要求我们从结构力学基本原理出发，结合有限元分析，开展仿真分析。本案例结合自身特点，按照基本组合、短期效应及长期效应等流程来进行分析与讲解的。
启发思考题：
1.如何进行斜拉桥桩基础的仿真计算，请同学们思考。
2.如何进行斜拉桥耳板的计算，请同学们思考。
建议课堂计划：
时间安排：根据教学需要，整个案例课的课堂时间控制在6学时，以便比较充分地了解案例所涉及的知识点，以下是根据课程时间进度安排的课堂学习计划。
课前计划：发放案例材料，提出课后思考题，请学生在课前完成阅读和初步思考。
课中计划：课堂前言，明确该案例主题（20分钟）；案例讲述，案例总体介绍，引导学生分析和认真学习该案例的理论知识点，并提出思考题（120分钟）；分组讨论（20分钟）；小组发言（20分钟一个小组，4组）；案例总结：包括案例中的关键知识点，以及如何运用理论知识去分析和解决实际问题（30分钟）。
课后计划：通过案例分析和总结，使学生掌握施工监控相关知识，然后布置相关作业，以论文或者报告形式写出案例分析，并对难点和易错点可以进一步研究。
参考文献：
1.葛俊颖. 桥梁工程软件midas Civil使用指南[M]. 2013.
2.钟宏林. MIDAS CIVIL桥梁工程实例精解(土木工程软件应用系列)(附光盘)[M]. 2014.
3.蒋玉川.MIDAS在结构计算中的应用[M].2012.
4.孙训方, 方孝淑, 关来泰. 材料力学[M],（第6版）,（上册）[M]. 2019.
5.龙驭球, 包世华合. 结构力学.上册[M]. 1979.
6.范立础. 桥梁工程（上、下）册，北京：人民交通出版社，1993.
7.范立础. 桥梁工程（上、下）册，北京：人民交通出版社，1993.
8.《公路桥涵设计通用规范》JTG D60－2015；
9.《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG D65-06-2015)；
10.《公路工程技术标准》JTG B01-2014；
11.《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015；
12.《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64-2015；
13.《公路钢-混组合桥梁设计与施工规范》JTG D64-01--2015；
14.《公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范》JTG D62-2004；
15.《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）；
16.《公路工程抗震设计规范》（JTJ B02-2013）；
17.《公路桥梁抗震设计细则》JTG/T B02-01-2008；
18.《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011。
19.苗家武. 超大跨度斜拉桥设计理论研究[D]. 同济大学, 2006.
20.戴利民, 石志源. 独塔协作体系斜拉桥设计参数分析[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2000, 20(1):34-38.
21.张敬天. 单塔单索面混凝土斜拉桥施工控制研究[D]. 西南交通大学, 2010.
