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研究生:張智強
研究生(外文):Chih-Chiang Chang
論文名稱:施工階段斜張橋的索力與主梁內力分析
論文名稱(外文):The Analysis of Cable Forces and Deck Internal Forces of Cable-Stayed Bridge during Construction
指導教授:鄭金國
指導教授(外文):Kin-Kuo Jeng
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:136
中文關鍵詞:懸臂工法索力分析斜張橋
外文關鍵詞:Analysis of Cable ForceCable-Stayed BridgeCantilever Method
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斜張橋梁為一種力學行為十分複雜的高度靜不定橋梁結構,本文第一部分將對斜張橋主梁、主塔、斜拉索與支承之力學特性和設計型式作一系統性之介紹。


斜張橋不僅在全橋完工後的安全性、穩定性非常重要,在橋梁施工階段更必須考慮其工法的可行性。本文第二部分以台北某兩座斜張橋為案例,作施工階段時懸臂工法及懸臂遠端加就地支撐的索力及內力探討。本文使用橋梁專門分析軟體TANGO做施工階段的靜力分析,求斜張橋施工中各階段的斜拉索預拉力、垂直變位及主梁內力(彎矩、軸力、剪力),並進行應力檢核,以確認其滿足設計規範要求。
Cable-stayed bridges usually have more complicated and high-indeterminacy structural behaviors. The first part of this study is to introduce the characteristics of girder, pylon, cable and their related designs.
Though the safety and stability of the constructed cable-stayed-bridge is important, more consideration should even be given to its feasibility during construction. The second part of the research studies two bridges in Taipei and adjust the changing of cable forces and bending moments of deck during construction by using cantilever method and cantilever method with far end staging method. The static analysis software “TANGO” is used to analyze cable prestress, vertical displacement, bending moment, axial force, and shear force so that stress can be calibrated to ensure the design fit the requirement of specifications.
中文摘要 ----------------------------------------------------------I
英文摘要 ---------------------------------------------------------II
謝誌 ------------------------------------------------------------III
目錄 -------------------------------------------------------------IV
圖目錄 ---------------------------------------------------------VIII
表目錄 -----------------------------------------------------------XV

第一章 序論 -------------------------------------------------------1
1-1 前言 ----------------------------------------------------------1
1-2 研究動機與方法 ------------------------------------------------1
1-3 論文內容簡介 --------------------------------------------------2

第二章 斜張橋主梁概論 ---------------------------------------------3
2-1 斜張橋種類 ----------------------------------------------------3
2-2 斜張橋主梁 ----------------------------------------------------3
2-3 主梁力學特性 --------------------------------------------------3
2-3.1 軸向勁度 --------------------------------------------------3
2-3.2 撓曲勁度 --------------------------------------------------5
2-3.3 扭轉勁度 --------------------------------------------------7
2-4 主梁支承體系 --------------------------------------------------7
2-4.1 飄浮體系 --------------------------------------------------7
2-4.2 支承體系 --------------------------------------------------8

2-4.3 塔梁固接體系 ----------------------------------------------9
2-4.4 剛構體系 -------------------------------------------------10
2-5 主梁之材料 ---------------------------------------------------11
2-5.1 鋼構式主梁 -----------------------------------------------11
2-5.2 預力混凝土主梁 -------------------------------------------13
2-5.3 複合式主梁 -----------------------------------------------15

第三章 斜張橋主塔概論 --------------------------------------------18
3-1 斜張橋主塔 ---------------------------------------------------18
3-2 主塔型式 -----------------------------------------------------18
3-3 主塔力學特性 -------------------------------------------------22
3-3.1 軸向勁度 -------------------------------------------------22
3-3.2 撓曲勁度 -------------------------------------------------23

第四章 斜拉索系統 ------------------------------------------------25
4-1 斜拉索系統概述 -----------------------------------------------25
4-2 鋼腱種類 -----------------------------------------------------25
4-3 鋼腱力學特性 -------------------------------------------------27
4-3.1 動力特性 -------------------------------------------------27
4-3.2 彎曲特性 -------------------------------------------------28
4-4 索面系統 -----------------------------------------------------28
4-5 索面型式 -----------------------------------------------------29
4-6 錨碇 ---------------------------------------------------------31
4-6.1 錨碇構造 -------------------------------------------------31
4-6.2 主梁錨碇區構造 -------------------------------------------31

4-6.3 主塔錨碇區構造 -------------------------------------------33
4-7 斜拉索初始預拉力 ---------------------------------------------33

第五章 斜張橋案例分析 --------------------------------------------37
5-1 前言 ---------------------------------------------------------37
5-2懸臂工法概述 -------------------------------------------------37
5-3 分析程式介紹 -------------------------------------------------38
5-3.1 TANGO索力調整之分析步驟 ----------------------------------39
5-3.2斜張橋梁與連續梁之比較 -----------------------------------41
5-4 類似台北地區單塔雙索面對稱斜張橋結構 -------------------------42
5-4.1斜張橋結構基本設計資料 -----------------------------------43
5-4.2結構分析模型模擬 -----------------------------------------44
5-4.3 初形分析 -------------------------------------------------47
5-4.4 初形分析結果 ---------------------------------------------48
5-4.5 初形分析結果討論 -----------------------------------------54
5-4.6 類似台北地區單塔雙索面對稱斜張橋結構施工階段分析 ---------58
5-4.7 懸臂工法施工階段分析 -------------------------------------58
5-4.8 懸臂工法施工階段分析結果討論 -----------------------------72
5-4.9 懸臂自由端採用就地支撐組裝主梁施工階段分析 ----------------76
5-4.10懸臂工法與懸臂自由端採用就地支撐組裝之分析結果比較 -------90
5-5 類似台北市某釣竿式斜張橋結構 ---------------------------------96
5-5.1斜張橋結構基本設計資料 -----------------------------------96
5-5.2 結構分析模型模擬 -----------------------------------------97
5-5.3 類似台北市某釣竿式斜張橋結構施工階段分析 ----------------101
5-5.4 分析結果討論 ---------------------------------------------110

第六章 結論與建議 -----------------------------------------------113
6-1 結論 --------------------------------------------------------113
6-2 建議 --------------------------------------------------------114

參考文獻 --------------------------------------------------------115

圖2-1 : 主梁自錨式力學特性 ---------------------------------------- 4
圖2-2 : 主梁地錨式力學特性 ---------------------------------------- 4
圖2-3 : 主梁半錨式力學特性 ---------------------------------------- 5
圖2-4 : 主梁水平橫向系統型式彎矩比較 ------------------------------ 6
圖2-5 : 箱梁及鈑梁扭轉勁度 ---------------------------------------- 7
圖2-6 : 飄浮體系示意圖 -------------------------------------------- 8
圖2-7 : 支承體系示意圖 -------------------------------------------- 9
圖2-8 : 塔梁固接體系示意圖 --------------------------------------- 10
圖2-9 : 剛構體系示意圖 ------------------------------------------- 10
圖2-10 : 分離式雙鈑梁(或雙箱梁)斷面示意圖 ------------------------ 11
圖2-11 : 箱梁斷面示意圖 ------------------------------------------ 12
圖2-12 : 開放式桁架斷面示意圖 ------------------------------------ 12
圖2-13 : 閉合式桁架斷面示意圖 -------------------------------------13
圖2-14 : 預力混凝土主梁橫斷面示意圖 ------------------------------ 15
圖2-15 : 中國大陸南浦大橋示意圖 ---------------------------------- 15
圖2-16 : 南浦大橋主梁橫斷面示意圖 -------------------------------- 16
圖2-17 : 高屏溪斜張橋示意圖 -------------------------------------- 16
圖2-18 : 高屏溪斜張橋主跨徑箱型鋼梁示意圖 ------------------------ 16
圖2-19 : 高屏溪斜張橋側跨徑PC箱型梁示意圖 ----------------------- 17
圖3-1 : 傾斜式主塔(西班牙Alamillo Bridge主塔) --------------------- 18
圖3-2 : 簡單雙柱式(德國Theodor Heuss Bridge) ----------------------- 19
圖3-3 : 門架式(台灣重陽大橋) -------------------------------------- 19

圖3-4 : 改良H型(日本櫃石島橋) ------------------------------------ 20
圖3-5 : A型橋塔示意圖 -------------------------------------------- 21
圖3-6 : 倒Y型橋塔(高屏溪斜張橋) ---------------------------------- 21
圖3-7 : 多柱式橋塔示意圖 ----------------------------------------- 22
圖3-8 : 橋梁順橋向撓曲比較示意圖 --------------------------------- 24
圖4-1 : 平行鋼棒鋼纜 --------------------------------------------- 26
圖4-2 : 平行(半平行)鋼線鋼纜 ------------------------------------- 26
圖4-3 : 平行(半平行)鋼絞索 --------------------------------------- 27
圖4-4 : 封閉式鋼纜 ----------------------------------------------- 27
圖4-5 : 斜拉索動力行為 ------------------------------------------- 28
圖4-6 : 單索面示意圖 --------------------------------------------- 29
圖4-7 : 雙索面示意圖 --------------------------------------------- 29
圖4-8 : 豎琴式索面 ----------------------------------------------- 30
圖4-9 : 輻射式索面 ----------------------------------------------- 30
圖4-10 : 扇狀式索面 ---------------------------------------------- 31
圖4-11 : 預力混凝土主梁錨碇區構造 -------------------------------- 32
圖4-12 : 鋼構主梁錨碇區構造 -------------------------------------- 32
圖4-13 : 主塔與斜拉索錨碇連接方式 -------------------------------- 33
圖4-14 : 零彎矩法示意圖 ------------------------------------------ 34
圖4-15 : 零位移法示意圖 ------------------------------------------ 35
圖4-16 : 高屏溪斜張橋斜拉索等效彈性模數圖 ------------------------ 36
圖5-1 : 懸臂工法施工流程圖 --------------------------------------- 38
圖5-2 : TANGO程式輸出結果正負符號 --------------------------------- 39
圖5-3 : 斜張橋模型示意圖 ----------------------------------------- 40
圖5-4 : 索力調整分析步驟 ----------------------------------------- 40

圖5-5 : 兩跨連續梁 ----------------------------------------------- 41
圖5-6 : 斜張橋與連續梁彎矩比較圖 --------------------------------- 42
圖5-7 : 類似台北地區單塔雙索面對稱斜張橋結構橋型配置圖------------ 43
圖5-8 : 主塔立面圖與鋼箱梁斷面圖 --------------------------------- 44
圖5-9 : 全橋幾何尺寸示意圖 --------------------------------------- 45
圖5-10 : 斜拉索編號及主梁主塔節點編號 ---------------------------- 45
圖5-11 : 初形分析流程圖 ------------------------------------------ 48
圖5-12.a : 索力未調整前主梁彎矩圖 -------------------------------- 49
圖5-12.b : 索力調整後主梁彎矩圖 ---------------------------------- 49
圖5-12.c : 索力調整前後主梁彎矩比較圖 ---------------------------- 49
圖5-13.a : 未調整索力前主梁垂直變位圖 ---------------------------- 50
圖5-13.b : 調整索力後主梁垂直變位圖 ------------------------------ 50
圖5-13.c : 調整索力前後主梁垂直變位比較圖 ------------------------ 50
圖5-14.a : 未調整索力前主梁剪力圖 -------------------------------- 51
圖5-14.b : 調整索力後主梁剪力圖 ---------------------------------- 51
圖5-15.a : 未調整索力前主梁軸力圖 -------------------------------- 52
圖5-15.b : 調整索力後主梁軸力圖 ---------------------------------- 52
圖5-15.c : 調整索力前後主梁軸力比較圖 ---------------------------- 52
圖5-16.a : 未調整索力前主塔軸力圖 -------------------------------- 53
圖5-16.b : 調整索力後主塔軸力圖 ---------------------------------- 53
圖5-16.c : 調整索力前後主塔軸力比較圖 ---------------------------- 53
圖5-17.a : 索力調整前後主梁彎矩圖 -------------------------------- 55
圖5-17.b : 索力調整前後主梁變位圖 -------------------------------- 55
圖5-17.c : 索力調整前後主梁軸力圖 -------------------------------- 56
圖5-18.a : 懸臂工法第一階段調整索力後主梁彎矩圖 -------------------60

圖5-18.b : 懸臂工法第一階段調整索力後主梁垂直變位圖 ---------------60
圖5-18.c : 懸臂工法第一階段調整索力後主梁剪力圖 -------------------60
圖5-18.d : 懸臂工法第一階段調整索力後主梁軸力圖 -------------------61
圖5-18.e : 懸臂工法第一階段調整索力後主塔軸力圖 -------------------61
圖5-19.a : 懸臂工法第二階段調整索力後主梁彎矩圖 -------------------61
圖5-19.b : 懸臂工法第二階段調整索力後主梁垂直變位圖 ---------------62
圖5-19.c : 懸臂工法第二階段調整索力後主梁剪力圖 -------------------62
圖5-19.d : 懸臂工法第二階段調整索力後主梁軸力圖 -------------------62
圖5-19.e : 懸臂工法第二階段調整索力後主塔軸力圖 -------------------63
圖5-20.a : 懸臂工法第三階段調整索力後主梁彎矩圖 -------------------63
圖5-20.b : 懸臂工法第三階段調整索力後主梁垂直變位圖 ---------------63
圖5-20.c : 懸臂工法第三階段調整索力後主梁剪力圖 -------------------64
圖5-20.d : 懸臂工法第三階段調整索力後主梁軸力圖 -------------------64
圖5-20.e : 懸臂工法第三階段調整索力後主塔軸力圖 -------------------64
圖5-21.a : 懸臂工法第四階段調整索力後主梁彎矩圖 -------------------65
圖5-21.b : 懸臂工法第四階段調整索力後主梁垂直變位圖 ---------------65
圖5-21.c : 懸臂工法第四階段調整索力後主梁剪力圖 -------------------65
圖5-21.d : 懸臂工法第四階段調整索力後主梁軸力圖 -------------------66
圖5-21.e : 懸臂工法第四階段調整索力後主塔軸力圖 -------------------66
圖5-22.a : 懸臂工法第五階段調整索力後主梁彎矩圖 -------------------66
圖5-22.b : 懸臂工法第五階段調整索力後主梁垂直變位圖 ---------------67
圖5-22.c : 懸臂工法第五階段調整索力後主梁剪力圖 -------------------67
圖5-22.d : 懸臂工法第五階段調整索力後主梁軸力圖 -------------------67
圖5-22.e : 懸臂工法第五階段調整索力後主塔軸力圖 -------------------68
圖5-23.a : 懸臂工法各階段調整索力後主梁彎矩比較圖 -----------------68

圖5-23.b : 懸臂工法各階段調整索力後主梁垂直變位比較圖 -------------69
圖5-23.c : 懸臂工法各階段調整索力後主梁剪力比較圖 -----------------69
圖5-23.d : 懸臂工法各階段調整索力後主梁軸力比較圖 -----------------70
圖5-23.e : 懸臂工法各階段調整索力後主塔軸力比較圖 -----------------70
圖5-24.a : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第一階段調整索力後主梁彎矩圖--78
圖5-24.b : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第一階段調整索力後主梁垂直變位圖
----------------------------------------------------------78
圖5-24.c : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第一階段調整索力後主梁剪力圖--79
圖5-24.d : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第一階段調整索力後主梁軸力圖--79
圖5-24.e : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第一階段調整索力後主塔軸力圖--79
圖5-25.a : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第二階段調整索力後主梁彎矩圖--80
圖5-25.b : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第二階段調整索力後主梁垂直變位圖
----------------------------------------------------------80
圖5-25.c : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第二階段調整索力後主梁剪力圖--80
圖5-25.d : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第二階段調整索力後主梁軸力圖--81
圖5-25.e : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第二階段調整索力後主塔軸力圖--81
圖5-26.a : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第三階段調整索力後主梁彎矩圖--81
圖5-26.b : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第三階段調整索力後主梁垂直變位圖
----------------------------------------------------------82
圖5-26.c : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第三階段調整索力後主梁剪力圖--82
圖5-26.d : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第三階段調整索力後主梁軸力圖--82
圖5-26.e : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第三階段調整索力後主塔軸力圖--83
圖5-27.a : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第四階段調整索力後主梁彎矩圖—83
圖5-27.b : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第四階段調整索力後主梁垂直變位圖
----------------------------------------------------------83

圖5-27.c : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第四階段調整索力後主梁剪力圖--84
圖5-27.d : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第四階段調整索力後主梁軸力圖--84
圖5-27.e : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第四階段調整索力後主塔軸力圖--84
圖5-28.a : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第五階段調整索力後主梁彎矩圖--85
圖5-28.b : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第五階段調整索力後主梁垂直變位圖
---------------------------------------------------------85
圖5-28.c : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第五階段調整索力後主梁剪力圖--85
圖5-28.d : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第五階段調整索力後主梁軸力圖--86
圖5-28.e : 懸臂自由端採用就地支撐組裝第五階段調整索力後主塔軸力圖--86
圖5-29.a :懸臂自由端採用就地支撐組裝各階段調整索力後主梁彎矩比較圖-86
圖5-29.b懸臂自由端採用就地支撐組裝各階段調整索力後主梁垂直變位比較圖-----------------------------------------------------------87
圖5-29.c :懸臂自由端採用就地支撐組裝各階段調整索力後主梁剪力比較圖-87
圖5-29.d :懸臂自由端採用就地支撐組裝各階段調整索力後主梁軸力比較圖-88
圖5-29.e :懸臂自由端採用就地支撐組裝各階段調整索力後主塔軸力比較圖-88
圖5-30 : 第一階段施工示意圖 ---------------------------------------90
圖5-31 : 第二階段施工示意圖 ---------------------------------------91
圖5-32 : 第三階段施工示意圖 ---------------------------------------92
圖5-33 : 第四階段施工示意圖 ---------------------------------------93
圖5-34 : 第五階段施工示意圖 ---------------------------------------94
圖 5-35 : 立面圖 --------------------------------------------------96
圖 5-36 : 鋼箱梁斷面圖 --------------------------------------------96
圖5-37 : 斜拉索編號及主梁主塔節點編號 -----------------------------97
圖 5-38.a :第一階段調整索力後主梁彎矩圖 --------------------------102
圖5-38.b :第一階段調整索力後主梁垂直變位圖-----------------------103

圖5-38.c :第一階段調整索力後主梁剪力圖---------------------------103
圖5-38.d :第一階段調整索力後主梁軸力圖---------------------------103
圖5-38.e :第一階段調整索力後主塔軸力圖---------------------------104
圖5-39.a :第二階段調整索力後主梁彎矩圖---------------------------104
圖5-39.b :第二階段調整索力後主梁垂直變位圖-----------------------104
圖5-39.c :第二階段調整索力後主梁剪力圖--------------------------105
圖5-39.d :第二階段調整索力後主梁軸力圖---------------------------105
圖5-39.e :第二階段調整索力後主塔軸力圖---------------------------105
圖5-40.a :第三階段調整索力後主梁彎矩圖--------------------------106
圖5-40.b :第三階段調整索力後主梁垂直變位圖----------------------106
圖5-40.c :第三階段調整索力後主梁剪力圖--------------------------106
圖5-40.d :第三階段調整索力後主梁軸力圖--------------------------107
圖5-40.e :第三階段調整索力後主塔軸力圖--------------------------107
圖5-41.a :各階段調整索力後主梁彎矩比較圖-----------------------107
圖5-41.b :各階段調整索力後主梁垂直變位比較圖-------------------108
圖5-41.c :各階段調整索力後主梁剪力比較圖-----------------------108
圖5-41.d :各階段調整索力後主梁軸力比較圖-----------------------108
圖5-41.e :各階段調整索力後主塔軸力比較圖-----------------------109

表5-1 : 類似台北地區單塔雙索面對稱斜張橋結構斜拉索基本資料 --------46
表5-2 : 類似台北地區單塔雙索面對稱斜張橋結構主梁基本資料 ----------46
表5-3 : 類似台北地區單塔雙索面對稱斜張橋結構主塔基本資料 ----------47
表5-4 : 調整後索力比較 --------------------------------------------56
表5-5 : 索力調整前後內力、變位比較 --------------------------------57
表5-6 : 懸臂工法施工各階段索力值 ----------------------------------71
表5-7 : 懸臂工法施工索力調整後各階段內力值 ------------------------71
表5-8 : 懸臂自由端採用就地支撐組裝主梁時各階段索力值 --------------89
表5-9 : 懸臂自由端採用就地支撐組裝主梁時各階段內力值 --------------89
表5-10 : 懸臂工法及懸臂自由端採用就地支撐組裝第一階段索力值--------90
表5-11 : 懸臂工法及懸臂自由端採用就地支撐組裝第一階段內力值--------90
表5-12 : 懸臂工法及懸臂自由端採用就地支撐組裝第二階段索力值--------91
表5-13 : 懸臂工法及懸臂自由端採用就地支撐組裝第二階段內力值--------91
表5-14 : 懸臂工法及懸臂自由端採用就地支撐組裝第三階段索力值--------92
表5-15 : 懸臂工法及懸臂自由端採用就地支撐組裝第三階段內力值--------92
表5-16 : 懸臂工法及懸臂自由端採用就地支撐組裝第四階段索力值--------93
表5-17 : 懸臂工法及懸臂自由端採用就地支撐組裝第四階段內力值--------93
表5-18 : 懸臂工法及懸臂自由端採用就地支撐組裝第五階段索力值--------94
表5-19 : 懸臂工法及懸臂自由端採用就地支撐組裝第五階段內力值--------95
表5-20 : 類似台北市某釣竿式斜張橋結構斜拉索基本資料 ---------------98
表5-21 : 類似台北市某釣竿式斜張橋結構主梁基本資料 -----------------98
表5-22 : 類似台北市某釣竿式斜張橋結構主塔基本資料 -----------------99

表5-23 : 結構計算書全橋完工索力值 --------------------------------101
表5-24 : 類似台北市某釣竿式斜張橋結構懸臂工法施工各階段索力值 ----109
表5-25 : 懸臂工法施工索力調整後各階段內力值 ----------------------110
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RecentResearch, Developments and Pratice in Japan”, Journal of
Constructional Steel Research ,Vol.58 , pp.71-97(2002).
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