斜拉橋孔跨布局、索塔拉索布置及結(jié)構(gòu)體系

1、斜拉橋孔跨布局、索塔拉索布置及結(jié)構(gòu)體系第一節(jié) 概述第二節(jié) 孔跨布局第三節(jié) 索塔布置第四節(jié) 拉索布置第五節(jié) 主要結(jié)構(gòu)體系第六節(jié) 斜拉橋構(gòu)造第一節(jié) 概述是指用錨在塔上的若干斜索吊住梁跨結(jié)構(gòu)的橋，也叫斜張橋。主要由主梁、索塔和斜拉索三大部分組成。索塔大都采用混凝土結(jié)構(gòu)，主梁一般采用混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，斜拉索則采用高強(qiáng)材料（高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線）z制成。斜拉橋荷載傳遞途徑：斜拉索的兩端分別錨固在主梁和斜塔上，將主梁的恒載和車輛荷載傳遞至索塔，再通過索塔傳至地基。力學(xué)特性：主梁在斜拉索的多點支承下，像多跨彈性支撐的連續(xù)梁一樣，使彎矩值得以大大地降低，這不但可以使主梁尺寸大大減小，而且由于

2、結(jié)構(gòu)自重顯著減輕，既節(jié)省了結(jié)構(gòu)材料，又能大幅度地增大橋梁的跨越能力。在主梁承受荷載之前需要對斜拉索進(jìn)行預(yù)張拉。斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，包含較多的設(shè)計變量，橋型方案和尋求合理設(shè)計較為困難?，F(xiàn)代斜拉橋的發(fā)展： 第一階段：稀索布置，主梁較高，主梁以受彎為主，拉索更換不方便； 第二階段：中密索布置，主梁較矮，主梁承受較大軸力和彎矩； 第三階段：密索布置，主梁更矮，并廣泛采用梁板式開口斷面。 稀索布置 密索布置第二節(jié) 孔跨布局一、雙塔三跨式主跨跨徑大，一般適用于跨越較大的河流。跨徑分割比：邊跨與主跨合理而均衡比為1：2：1主跨經(jīng)濟(jì)性跨徑：400m500m。超長斜拉橋1000m。邊主跨之比與斜拉橋的整體

3、剛度、端錨索的應(yīng)力變幅有著很大的關(guān)系。二、獨(dú)塔雙跨式主孔跨徑一般比雙塔三跨式跨徑小，適用于跨越中小河流和城市河道。邊主跨之比為（0.50.8），但大多數(shù)為0.66。邊跨大，考慮拉索應(yīng)力疲勞，中間設(shè)橋墩改善。三、三塔四跨式和多塔多跨式很少采用。因為中間塔沒有端錨索來有效限制它的變位。采用增加主梁剛度和索塔剛度增加了工程量。四、輔助墩和邊引跨邊引跨輔助墩活載作用時，往往邊跨梁段附近區(qū)域產(chǎn)生很大的正彎矩，并導(dǎo)致梁體轉(zhuǎn)動。解決這個問題，常用：邊引跨：形成負(fù)彎矩。輔助墩：減小拉索應(yīng)力變幅，緩和端支點負(fù)反力。第三節(jié) 索塔布置一、索塔的形式美學(xué)觀點適合拉索布置傳力簡單，恒載作用下，索塔盡可能處于軸心受壓狀態(tài)

4、。二、塔的高跨比索塔的高度決定著整個橋梁的剛度和經(jīng)濟(jì)性。索對梁的支承剛度主要取決于索力的豎向分力V 和拉索的線剛度EA/l。拉索錨點處荷載P作用下， 主梁下?lián)狭浚浩胀ㄋ鳎核吲c索長、傾角的關(guān)系 值最大，拉索的支承剛度最大， 為55最大；tan越小，塔的支承剛度越大。端錨索：塔高與索長、傾角的關(guān)系對于端錨索，當(dāng)中跨布載時，水平力F作用下，塔頂水平位移為：為35時，最小，端錨索提供的支承剛度最大拉索軸力N與傾角有關(guān)，經(jīng)推導(dǎo)， 取值45 。綜合考慮索和塔的共同影響，對于每座斜拉橋存在一個最佳高度H，使得索和塔對主梁的支承剛度達(dá)到最大。第四節(jié) 拉索布置1.索面位置單索面 拉索對抗扭不起作用，所以主梁應(yīng)

5、采用抗扭剛度較大的截面。優(yōu)點：橋面視野開闊。雙索面 扭矩可用拉索的軸力來抵抗，主梁可用較小抗扭剛度的截面。斜向雙索面 對于橋面梁體抗風(fēng)力扭振特別有利。2.索面形狀輻射形 斜拉索沿主梁均勻分布，而集中于塔頂一點。 優(yōu)點：斜拉索與水平面交角大，故斜拉索的垂直分力對主梁的支承效果也大。 缺點：但塔頂錨固點構(gòu)造過于復(fù)雜。豎琴形 斜拉索成平行排列。 優(yōu)點：可簡化與塔的連接構(gòu)造，塔上錨固點分散，對索塔的受力有利。 缺點：傾角小，索的總拉力大時，鋼索用量多。 扇形 斜拉索不互相平行，兼有上述兩種布置方式的優(yōu)點。故廣泛采用。3.索距的布置早期為稀索：超靜定次數(shù)少現(xiàn)代斜拉橋多為密索：超靜定次數(shù)高，必須利用計算機(jī)

6、計算。 密索有如下優(yōu)點：（1）索距小，主梁彎矩?。唬?）索力較小，錨固構(gòu)造簡單；（3）錨固點附近應(yīng)力流變化小，補(bǔ)強(qiáng)范圍?。唬?）利于懸臂架設(shè)；（5) 易于換索第五節(jié) 主要結(jié)構(gòu)體系按索塔、梁、墩相互結(jié)合方式，可分為： 漂浮體系、半漂浮體系、塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系按主梁的連續(xù)方式，可分為： 連續(xù)體系和T構(gòu)體系按斜拉索的錨固方式，可分為： 自錨體系、部分地錨體系和地錨體系按塔的高度，可分為： 常規(guī)斜拉橋和矮塔部分斜拉橋一、漂浮體系漂浮體系結(jié)構(gòu)特點：塔墩固結(jié)，塔梁分離，主梁懸浮主梁除兩端有支承外，其余全部由拉索懸吊，屬于一種在縱向可稍作浮動的多跨彈性支承連續(xù)梁。塔柱和主梁之間設(shè)置側(cè)向限位支座。斜拉索不

7、能給梁提供有效的橫向支承，為了抵抗風(fēng)力引起的主梁橫向位移，故設(shè)之。該體系優(yōu)點：（1）全跨滿載時，塔柱處主梁無負(fù)彎矩峰值；（2）主梁可以隨塔柱的縮短而下降，所以溫度、收縮和徐變內(nèi)力均較小。（3）密索體系主梁各截面的變形和內(nèi)力變化較平緩，受力較均勻；（4）地震時允許全梁縱向擺蕩，成為長周期運(yùn)動，從而抗震消能，因此地震烈度較高地區(qū)可考慮選擇這類體系。該體系缺點：（1）當(dāng)采用懸臂施工時，塔柱處主梁需臨時固結(jié)。（2）斜拉索不能對梁提供有效的橫向支承，為抵抗由于風(fēng)力等所引起的橫向擺動，必須增加一定的橫向約束。二、半漂浮體系該體系塔墩固結(jié)、塔梁分離，主梁在塔墩上設(shè)置豎向支承，接近于在跨度內(nèi)具有彈性支承的三跨

8、連續(xù)梁。 特點：（1）這種體系的主梁內(nèi)力在塔墩支點處產(chǎn)生急劇變化，出現(xiàn)了負(fù)彎矩尖峰，通常須加強(qiáng)支承區(qū)段的主梁截面。（2）支承體系的主梁一般均設(shè)置活動支座，在橫橋方向亦須在橋臺和塔墩處設(shè)置側(cè)向水平約束。三、塔梁固結(jié)體系塔梁固結(jié)并支承在墩上，斜拉索為彈性支承，相當(dāng)于梁頂面用斜索加強(qiáng)的一根連續(xù)梁，主梁的內(nèi)力與撓曲直接與主梁和索塔的彎曲剛度有關(guān)。支座布置：只在一個塔柱處設(shè)置固定支座，其余皆為縱向可以活動支座。特點：優(yōu)點：減小了塔墩彎矩和主梁中央段的軸向拉力。缺點（1）中孔滿載時，主梁在墩頂處轉(zhuǎn)角位移導(dǎo)致塔柱傾斜，顯著增大主梁跨中撓度和邊跨負(fù)彎矩； （2）上部結(jié)構(gòu)重力和活載反力都需由支座傳給橋墩，這就需

9、要設(shè)置很大噸位的支座。在大跨徑斜拉橋中，這種結(jié)構(gòu)體系可能要設(shè)置上萬噸級的支座，支座的設(shè)計制造及日后的養(yǎng)護(hù)，更換均較困難。四、剛構(gòu)體系梁、塔、墩互為固結(jié)，形成跨度內(nèi)具有多點彈性支承的剛構(gòu)。 特點：優(yōu)點：（1）既免除了大型支座又能滿足懸臂施工的穩(wěn)定要求；（2）結(jié)構(gòu)的整體剛度比較好；主梁撓度小。缺點: (1)剛度的增大是由梁、塔、墩固結(jié)處能抵抗很大的負(fù)彎矩?fù)Q取來的，因此這種體系的固結(jié)處附近區(qū)段內(nèi)主梁的截面必須加大。 (2）為消除溫度應(yīng)力，需要墩身具有一定柔性，故常用于高墩。五、T構(gòu)體系T構(gòu)體系與剛構(gòu)體系的區(qū)別是主梁跨中區(qū)域無軸拉力。具體方法：在中跨中央部分插入一小跨懸掛結(jié)構(gòu)（活動支座，卸力）。以剪力

10、鉸代替懸掛結(jié)構(gòu)。六、部分地錨體系主跨很大，邊跨很小時采用。七、矮塔部分斜拉橋體系塔高降低能提高塔身剛度，但拉索的水平傾角也將減小，故矮塔部分斜拉橋拉索不能提供足夠的支承剛度，要求主梁的剛度較大。受力性能介于梁式橋和斜拉橋之間。特點：（1）塔較矮；（2）梁的無索區(qū)較長，沒有端錨索；（3）邊主跨之比較大；（4）梁高較大；（5）受力以梁為主，索為輔；（6）活載作用下斜拉索的應(yīng)力變幅較小。第六節(jié) 斜拉橋構(gòu)造主梁構(gòu)造 主梁的主要作用：（1）將作用分散傳給拉索。（2）主梁承受的力主要是拉索的水平分力所形成的軸壓力。（3)抵抗橫向風(fēng)載和地震荷載，并把這些力傳給下部結(jié)構(gòu)。主梁設(shè)計時的控制因素：（1）拉索間距較

11、大時，采用彎矩控制設(shè)計；（2）單索面斜拉橋，采用扭轉(zhuǎn)控制設(shè)計；（3）雙索面密索體系，主要考慮軸壓力和整個橋的縱向彎曲。主梁設(shè)計時，需考慮一定的安全儲備。按截面形式：1.實體梁式和板式主梁 適用于雙索面斜拉橋，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，空氣動力性能合理。2.箱形截面 抗彎和抗扭剛度大，能適應(yīng)稀索、密索、單索面或雙索面等不同斜索布置。具體見表4-2-1主梁的主要組合方式（材料決定）：（1）預(yù)應(yīng)力混凝土梁，稱混凝土斜拉橋（2）鋼-混凝土組合梁，稱組合梁斜拉橋 (3) 鋼主梁，稱鋼斜拉橋（4）主跨為鋼主梁或鋼-混凝土組合梁，邊跨為混凝土梁，稱為混合式斜拉橋。各種材料主梁的經(jīng)濟(jì)跨徑：研究認(rèn)為： 跨徑200 4

12、00m ,采用混凝土主梁； 400 600m ，采用鋼-混凝土組合梁； 大于600m， 采用鋼主梁。 400、600m臨界區(qū)域，綜合考慮，做經(jīng)濟(jì)比較。主跨和邊跨主梁的設(shè)計理念區(qū)別：主跨必須有良好的動力特性，自重較輕；邊跨應(yīng)具有克服上提力的功能：自重、剛度或設(shè)輔助墩解決。二、索塔索塔的組成：混凝土索塔的構(gòu)造中小跨度中等跨度多邊形截面索塔比矩形截面的對抗風(fēng)有利。各種空心截面包括H形截面，一般均在每一層拉索錨頭處增設(shè)水平隔板。有利于將索力傳遞到塔柱全截面上；在施工階段和養(yǎng)護(hù)時可作為工作平臺。三、拉索拉索構(gòu)造分為整體安裝的拉索和分散安裝的拉索。 整體安裝：平行鋼絲索配冷鑄錨。 分散安裝：平行鋼絞線索配

13、夾片錨。1.平行鋼絲索配冷鑄錨。冷鑄錨拉索的構(gòu)造采用鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度不低于1600MPa，常采用5或 7鍍鋅鋼絲制造。由于是在常溫下澆鑄填料，故稱為“冷鑄錨”冷鑄錨的錨固力由錨筒的圓錐體和筒內(nèi)填料的橫向擠壓力承受，正常情況下墩頭不受力，作為安全儲備。由于其要求整體制作、整體運(yùn)輸和整體安裝，使它的使用受到限制。2.平行鋼絞線配夾片錨。平行鋼絲索中的鋼絲換成等截面的鋼絞線即成為平行鋼絞線索；鋼索線在索中平行排列，故稱為平行鋼絞線索。采用夾片錨的原因：現(xiàn)場施工中難以將15mm的鋼鉸線鐓頭和保證其質(zhì)量。鋼絞線的逐根張拉中，須使最終斜索中的各根鋼絞線拉力相等。此張拉工藝稱為“等值張拉法”。拉索的

14、錨固1.斜拉索與混凝土梁的錨固頂板錨固塊 以箱梁頂板為基礎(chǔ)，向上、下兩個方向延伸加厚而成。 拉索水平力傳至梁截面，垂直分力由加勁斜桿平衡。適用范圍：箱內(nèi)具有加勁斜桿的單索面斜拉橋。箱內(nèi)錨固塊 錨固塊位于頂板之下和兩個腹板之間，并與它們固結(jié)在一起。垂直分力通過錨固塊左右的腹板傳遞。適用范圍：兩個分離式單箱梁的雙索面斜拉橋和帶有中間箱室的單索面斜拉橋。斜隔板錨固 錨頭設(shè)在梁底外面，也可埋入斜隔板預(yù)留的凹槽內(nèi)。 垂直分力由斜隔板兩側(cè)的腹板以剪力方式傳遞。適用范圍：兩個分離式單箱梁的雙索面斜拉橋和帶有中間箱室的單索面斜拉橋。梁底兩側(cè)設(shè)錨固塊粱兩側(cè)設(shè)錨固塊錨塊設(shè)在梁底適用于雙主梁或 板式截面斜拉橋 設(shè)在

15、風(fēng)嘴實體之下或邊腹板之下。 適用于雙索面斜拉橋。2.拉索在索塔上的錨固（1）在實體塔上交錯錨固 在塔柱中埋置鋼管，再將斜拉索穿入和用錨頭錨固在鋼管上端的錨墊板上。（2）在空心塔上作非交錯錨固 構(gòu)造與實體塔錨固相同，但需在箱形橋塔的壁內(nèi)配置環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋，以抵抗拉索在箱壁內(nèi)產(chǎn)生的拉力（3）采用鋼錨固梁錨固將鋼錨固梁擱置在混凝土塔柱內(nèi)側(cè)的牛腿上，斜索通過埋設(shè)在塔壁中的鋼管錨固在鋼錨固梁兩端的錨塊上。塔兩側(cè)相等塔兩側(cè)不相等（4）利用鋼錨箱錨固整個鋼錨箱是由各層的鋼錨箱進(jìn)行上下焊接而成，然后將錨箱用焊釘使之與混凝土塔身連結(jié)，用環(huán)形預(yù)應(yīng)力筋將錨箱夾在混凝土的塔柱內(nèi)，以增加對拉索水平荷載的抵抗力。拉索的應(yīng)力

16、拉索的應(yīng)力控制需要考慮三個因素：有效彈性模量、破斷強(qiáng)度和疲勞。斜索的應(yīng)力過低，則斜索的垂度大，索的有效模量就小，這是斜拉索必須采用高強(qiáng)度鋼材的直接原因。所以控制拉索的最小應(yīng)力十分必要。當(dāng)拉索的荷載超過破斷荷載的50%時，鋼的非彈性應(yīng)變將快速增加，所以對于一般的荷載組合，其最大值只能到它破斷強(qiáng)度的40%?？蛊趩栴}：拉索在規(guī)定的應(yīng)力變幅下，承受200萬次荷載循環(huán)后的強(qiáng)度不小于原來強(qiáng)度的95%。拉索的減振1.氣動控制法將拉索的光滑表面做成帶有螺旋凸紋、條形凸紋、V形凹紋或圓形凸點的非光滑表面。優(yōu)點：提高拉索表面的粗糙度，使氣流經(jīng)過拉索時在表面邊界層形成湍流，從而避免渦激共振的產(chǎn)生；拉索表面的凹凸紋

17、能阻礙下雨時拉索上、下緣迎風(fēng)面雨水線的形成，從而防止雨振的產(chǎn)生。缺點：對塔、梁在外界激勵下導(dǎo)致索兩端的支座激振沒有減振作用；會增大拉索對風(fēng)的阻力。 2.阻尼減振法通過安裝阻尼裝置，提高拉索的阻尼比從而抑制拉索的振動。根據(jù)與拉索的關(guān)系，可分為內(nèi)置式和外置式。內(nèi)置式外置式3.改變拉索動力特性法 采用聯(lián)結(jié)器（索夾）或輔助索將若干根索相互聯(lián)結(jié)起來，輔助索可以采用直徑比主要索小得多的索。 作用機(jī)理： 通過聯(lián)結(jié)，將長索轉(zhuǎn)換成為相對較短的短索，使拉索的振動基頻提高，從而抑制索的振動。 作用：對防止低頻振動十分有效，同時降低了雨振和單根索振動發(fā)生的幾率。 局限性：對以高階形式出現(xiàn)的渦激振動抑制不明顯； 輔助索

18、易疲勞斷裂。斜拉橋雛形（續(xù)）新加坡Cavenaph橋，1867年橋例：香港昂船洲大橋設(shè)計（1018m，48億）江蘇南通“萬里長江第一橋”蘇通大橋江蘇省南通市擬建世界上跨徑最大的斜拉橋位于南通農(nóng)場至蘇州(常熟)徐六涇之間，西距南京約280公里，東距長江入?？诩s100公里。大橋全長7 600m，其中雙塔斜拉橋主跨1 088m，通航凈高62m，按6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，橋面設(shè)計車速100公里/小時，引橋120公里/小時，南北接線全長約32.2公里總投資在60億元左右，今年年底開工建設(shè)，約5年時間建成懸臂施工圖片轉(zhuǎn)體施工圖片寧波招寶山大橋預(yù)應(yīng)力混凝土雙索面獨(dú)塔斜拉橋，74.7+258+185(102+83)+49.5m，4.6億1995年開工，98年9月24日懸臂施工到23塊時，梁體（16？底板）突然斷裂，