斜拉橋主梁截面、斜鎖及索塔構(gòu)造特點(diǎn)

1、斜拉橋主梁截面、斜鎖及索塔構(gòu)造特點(diǎn)一、斜拉橋的特點(diǎn) 斜拉橋是由主梁、塔柱和斜拉索三部分組成的一種組合體系結(jié)構(gòu)。利用由塔柱伸出的斜拉索為鋼筋混凝土主梁的彈性支承，以代替中間支墩，借以降低主梁的截面彎矩，減輕自重，顯著得增大了跨越能力。同時(shí)，斜拉索拉力的水平分力對(duì)主梁起著軸向預(yù)應(yīng)力作用，可以增強(qiáng)主梁的抗裂性能，節(jié)減了主梁高強(qiáng)鋼材的用量。 從其力學(xué)特性分析，與傳統(tǒng)的梁式橋比較，斜拉橋除斜拉索的水平分力所產(chǎn)生的軸向力影響外，大體上具有彈性支承連續(xù)梁的性能；和懸索橋相比，作用在斜拉橋主梁上的荷載通常是由錨固點(diǎn)直接傳給斜拉索的；預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋更能充分發(fā)揮材料的性能；斜拉橋中，因斜拉索被張拉成直線形狀，

2、不發(fā)生大的位移，故斜拉橋整體剛度要比懸索橋大的多。 斜拉橋充分利用斜拉索的剛性，巧妙地將索與梁結(jié)合起來。因此，斜拉橋這一橋式屬于梁式橋與懸索橋之間的大跨度橋梁，它可有效的用于100600m之間的跨度。 根據(jù)以上特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋具有下列顯著的優(yōu)越性： 1跨越能力大； 2具有良好的結(jié)構(gòu)剛度和抗風(fēng)穩(wěn)定性； 3依靠斜拉索的應(yīng)力調(diào)整，能設(shè)計(jì)的很經(jīng)濟(jì)； 4結(jié)構(gòu)輕巧，適應(yīng)性強(qiáng)； 5利用斜拉索，發(fā)揮無支架施工的優(yōu)越性。二、斜拉橋的總體布置 （一）孔跨布置 1. 雙塔三跨式 這是一種最常見的斜拉橋孔跨布置方式。由于它的主跨跨徑較大，一般可適用于跨越較大的河流。如下圖所示。 主跨跨徑L2與邊跨跨徑L1之間

3、的比例關(guān)系根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料為： 鋼斜拉橋：L1(0.40-0.45)L2； 其他斜拉橋：L1(0.330.50)L2； 一般接近于L10.4L2 。 國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)資料顯示： 上海楊浦大橋(鋼)：L2602m，L1243m，L10.40L2； 武漢長(zhǎng)江二橋(混凝土)：L2400m，L1l80m，L10.45L2； 山東東營(yíng)黃河大橋(鋼)：L2288m，L11365m，L10.47L2； 廣西紅水河鐵路橋(混凝土)：L296m，L148m，L10.5L2。 解決較大應(yīng)力幅產(chǎn)生疲勞問題的辦法：使邊跨伸出一懸臂端(端支點(diǎn)內(nèi)移)，由此對(duì)端支點(diǎn)產(chǎn)生預(yù)壓，減小端支點(diǎn)上抬傾向，以減小端錨索的應(yīng)力幅。如下圖所示的武漢長(zhǎng)

4、江二橋就是這樣做的。 2. 獨(dú)塔雙跨式 這也是一種常見的斜拉橋孔跨布置方式，如下圖所示。由于它的主孔跨徑一般比雙塔三跨式的主孔跨徑小，適用于跨越中小河流和城市通道。 獨(dú)塔雙跨式斜拉橋的主跨跨徑L2與邊跨跨徑L1之間的比例關(guān)系一般為L(zhǎng)1（0.50.8）L2，但多數(shù)接近于L10.66L2 。 國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)為： 重慶石門橋(混凝土)：L2230m，L1200m，L10 .87L2； 廣東南海西樵橋(混凝土)：L2125m，L1110m，L10.88L2； 武漢漢水月湖橋(混凝土)：L2232m，L1138m，L10.59L2 ； 重慶石門嘉陵江橋 武漢漢水月湖橋 3. 三塔四跨式和多塔多跨式 斜拉橋

5、很少采用三塔四跨式或多塔多跨式，因?yàn)橹虚g塔頂沒有端錨索來有效地限制它的變位。因此，柔性結(jié)構(gòu)的斜拉橋或懸索橋采用多塔多跨式將使結(jié)構(gòu)柔性進(jìn)一步增大，隨之而來的是變形過大。 三塔四跨式（洞庭湖大橋） 在必須采用多塔多跨式斜拉橋時(shí)，可將中間做成剛性索塔，或用拉索對(duì)中間塔頂加勁，如香港汀九大橋。 三塔四跨式（香港汀九大橋） 多塔多跨式（Millau Viaduct） （二）斜索布置 1.索面布置 索面布置一般有3種類型，即單索面、豎向雙索面和斜向雙索面。 單索面 雙索面 斜向雙索面 單索面（錢江三橋） 從力學(xué)角度來看，采用單索面時(shí)，拉索對(duì)抗扭不起作用。因此，主梁應(yīng)采用抗扭剛度較大的截面。采用雙索面時(shí)，作

6、用于橋梁上的扭矩可由拉索的軸力來抵抗，主梁可采用較小抗扭剛度的截面。至于斜向雙索面，它對(duì)橋面梁體抵抗風(fēng)力扭振特別有利。 斜向雙索面（?？谑兰o(jì)大橋） 2.索面形狀 索面形狀主要有3種基本類型，即放射形、扇形和豎琴形。 放射形 豎琴形 扇形 PASCO-KENNEWICK（放射形） 豎琴形（西樵山橋） 扇形（海印橋） 根據(jù)力學(xué)觀點(diǎn)，以放射形較優(yōu)。原因是：(1)斜索與水平面的平均交角較大，斜索垂直分力對(duì)梁的支承效果較大，而對(duì)主梁產(chǎn)生的軸力較小；(2)因斜索的水平分力在塔頂基本平衡，塔的彎矩較小。但放射形的斜索集中匯交于塔頂，塔頂構(gòu)造細(xì)節(jié)較為復(fù)雜。反之，豎琴形由于所有斜索的傾角相同，錨固點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以單一

7、化，塔上錨固點(diǎn)的間距大，對(duì)索塔的受力有利。扇形布置則介于兩者之間，它的斜索垂直分力小于放射形但大于豎琴形，而水平分力大于放射形小于豎琴形。塔上錨固點(diǎn)的間距也同樣介于放射形和豎琴形之間。 3.索距的布置 索距的布置，可以分為“稀索”與“密索”?，F(xiàn)代斜拉橋則多為“密索” 密索優(yōu)點(diǎn)如下： (1)索距小，主梁彎矩??； (2)索力較小，錨因點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單； (3)錨固點(diǎn)附近應(yīng)力流變化小，補(bǔ)強(qiáng)范圍??； (4)便于伸臂架設(shè)； (5)易于換索。 稀索 密索（法國(guó)諾曼底大橋）（三）梁體布置 1.連續(xù)體系 在斜拉橋的全長(zhǎng)范圍內(nèi)，梁體布置成連續(xù)的形式，如圖：連續(xù)的梁體（湖北荊州長(zhǎng)江大橋） 在某些場(chǎng)合下，由于結(jié)構(gòu)受力的需

8、要，還可將梁體的連續(xù)延伸至斜拉橋以外部分，即斜拉橋的梁體還與其邊跨或主跨以外部分的引橋跨或其他跨的梁體相連。 梁體連續(xù)的延伸（日本 Ayunose Bridge） 斜拉與連續(xù)混合（招寶山橋） 2.非連續(xù)體系 一是在斜拉橋主跨中央部分插入一小跨簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。二是以“剪力鉸”代替簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，這種剪力鉸的功能是只傳軸力、剪力，不傳彎矩。 3. 主梁的跨高比 主梁的跨高比是指主跨L2與梁高H的比值。現(xiàn)代密索式斜拉橋主梁的跨高比一般在100150之間。至于鐵路、公鐵兩用斜拉橋。特別是主梁為鋼桁架梁的，其主梁的跨高比不足30，如下圖的蕪湖長(zhǎng)江大橋。（四）索塔布置 1.塔架的形式 單索面斜拉橋和雙索面斜拉橋索塔塔

9、架的縱向布置形式如圖所示： 倒Y形（濟(jì)南黃河橋） 圖中的 (a)為單柱形，(b)為雙柱形，(c)為門形，(d)為H形，(f)為斜腿門式，(h)為A形，(i)為倒V形，(j)為倒Y形；(k)為寶石式 。 雙柱形及門形塔架的面內(nèi)剛度最小，適用于中小跨徑的斜拉橋。對(duì)較大跨徑的斜拉橋，從改善扭振的角度出發(fā)，一般傾向采用A形的或倒Y形的索塔。 H形（東營(yíng)黃河橋） 斜腿門式（天津永和橋） 倒Y形（楊浦大橋） 2. 塔的高跨比 塔的高跨比范圍如下圖所示。索塔的適宜高度H要由經(jīng)濟(jì)比較來決定。 H/l2=1/41/7 H/l2=1/2.71/4.7（五）斜拉橋的錨拉體系 一般來說，懸索橋的主纜多數(shù)是地錨體系；而

10、斜拉橋的斜索則相反，多數(shù)是自錨體系。 自錨體系斜拉橋的端錨索地錨式斜拉橋 地錨式斜拉橋 三、主梁截面 （一）鋼 梁1. 工字形鋼主梁 如下圖所示，一般采用兩根工字形鋼主梁的“雙主梁”布置。工字形鋼主梁（汀九大橋） 斜索下端一般直接錨固在鋼主梁上，其錨固細(xì)節(jié)如下圖所示。 汀九大橋的錨固 2. 鋼箱梁截面主梁 鋼箱梁截面，可以采用相當(dāng)于工字形雙主梁的布置方式，只是將工字形鋼梁換成鋼箱梁。在現(xiàn)代斜拉橋中，鋼主梁更多地采用整體構(gòu)造的流線型扁平鋼箱梁。南京長(zhǎng)江二橋鋼箱梁截面 南京長(zhǎng)江三橋鋼箱梁截面（鋼箱梁） 3. 鋼桁梁 斜拉橋采用鋼桁梁，主要是由于布置雙層橋面的需要。 在我國(guó)，有兩座著名的公鐵兩用鋼桁

11、梁斜拉橋，分別是蕪湖長(zhǎng)江大橋和武漢天興洲長(zhǎng)江大橋。 蕪湖長(zhǎng)江大橋 武漢天興洲長(zhǎng)江大橋 4. 單索面斜拉橋中的鋼梁截面 由于單索面斜拉橋的斜索對(duì)橋梁抗扭不起作用，因此一般都采用抗扭剛度較大的整體構(gòu)造的箱梁。湄南河橋單索面橋鋼梁截面單位（mm） （二）混凝土梁 1. 實(shí)體邊主梁和板式梁 實(shí)體邊主梁是混凝土斜拉橋中比較簡(jiǎn)單的一種截面形式。下圖所示為宜賓中壩金沙江大橋的主梁形式，采用雙主肋加小縱肋型式，與橫隔梁一起形成正交異型混凝土板，有效減小剪力滯效應(yīng)。 實(shí)體邊主梁和板式梁的截面形式，具有在結(jié)構(gòu)上有效和施工簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。 2. 箱形截面 混凝土斜拉橋主梁采用箱形截面，在現(xiàn)代斜拉橋中是經(jīng)常采用的截面形式

12、。這是因?yàn)樗目箯澓涂古偠却?，能適應(yīng)稀索、密索、單索面或雙索面等不同斜索布置；其組合截面，也可以方便地形成封閉式的單箱形式或分離式的雙箱形式，以適應(yīng)不同橋?qū)挼男枰?；截面的組合構(gòu)造，也可以部分預(yù)制、部分現(xiàn)場(chǎng)灌筑，為橋梁施工方案提供更多選擇單索面布置的箱形截面。 在雙索面混凝土斜拉橋中，箱形截面的主梁常以分離式的兩個(gè)箱體各自錨固于斜索，兩箱之間則以橫梁和橋面板連結(jié)。雙箱梁的典型截面為倒梯形，如下圖所示濟(jì)南黃河橋和武漢長(zhǎng)江二橋 ：瀘州泰安長(zhǎng)江大橋的單箱三室截面與分段現(xiàn)澆施工方案（單位 cm） 瀘州泰安長(zhǎng)江大橋主橋跨度208+270+35+30m，PC單箱三室箱梁，PC索塔，不對(duì)稱獨(dú)塔雙索面斜拉橋。

13、單箱三室流線形梁段，梁寬29.5m，梁高3m。頂板厚4020cm，底板厚7025cm，腹板厚5025cm，斜腹板厚23cm，斜拉索外側(cè)設(shè)寬度2.4m的人行道懸臂。梁頂設(shè)2%雙向橋面橫坡。主梁截面寬高比B/h=9.833:1，高跨比h/L=1/90，跨寬比L/B=9.153:1。 黑龍江省綏芬河市新華街立交橋的主橋?yàn)?00m+100m雙孔獨(dú)塔單索面斜拉橋，跨越綏芬河鐵路站場(chǎng)。主梁橫斷面為全預(yù)應(yīng)力混凝土單箱三室。梁底平齊，梁高由外至內(nèi)1.8m1.92m。梁頂寬23.5m，底寬11.5m，兩側(cè)懸臂各長(zhǎng)3.0m,外腹板傾斜。 混凝土單箱三室（綏芬河市新華街立交橋的主橋 單位：m） （三）結(jié)合梁 結(jié)合梁

14、斜拉橋是指鋼主梁的上翼緣與設(shè)置其上的混凝土橋面板之間用剪力鍵結(jié)合共同受力的梁體結(jié)構(gòu)。結(jié)合梁一般只適用于雙索面斜拉橋。結(jié)合梁斜拉橋在80年代后才得到發(fā)展。其代表作首推加拿大的安那西斯(Annacis)橋其結(jié)合梁主梁截面如圖所示。 （四）混合梁 混合梁斜拉橋是指其主跨為鋼梁而邊跨為混凝土梁的斜拉橋。鋼梁與混凝土梁的連接點(diǎn)一般設(shè)在索塔附近，可以在邊跨側(cè)，也可以在主跨側(cè)。斜拉橋邊跨采用混凝土梁的構(gòu)思，是取其梁的自重大，有利于邊跨發(fā)揮其錨固跨的作用。 混凝土梁與鋼梁的連接點(diǎn)選擇在索塔附近，原因是該處梁的彎矩最小，梁的軸力為最大。對(duì)混凝土梁與鋼梁連接的細(xì)節(jié)構(gòu)造而言，傳遞軸力的構(gòu)造要比傳遞彎矩的構(gòu)造容易處理

15、得多。 1994年底法國(guó)建成的諾曼底大橋是混合梁斜拉橋，主孔跨度為856m。 諾曼底大橋主梁截面（單位 m） 諾曼底大橋主梁截面 （五）斜拉橋三種主梁截面形式的比較 斜拉橋的三種主梁截面，即鋼梁、混凝土梁和結(jié)合梁，其各自的特點(diǎn)可以通過下表來說明。表中混凝土斜拉橋與鋼斜拉橋、結(jié)合梁斜拉橋的比較(表中的A、B、C、D表示優(yōu)劣等級(jí))。 項(xiàng)目鋼斜拉橋結(jié)合梁斜拉橋混凝土斜拉橋性能要求預(yù)制拼裝就地澆注恒 載ABCC減輕橋梁自重質(zhì) 量CBAA空氣動(dòng)力質(zhì)量材料阻尼CBAA改善空氣動(dòng)力徐變ABCD尺寸線形的穩(wěn)定性收縮ABCD尺寸線形的穩(wěn)定性耐久性CBAA最佳耐久性改造的難易ABCC易于改造施工的難易BACD易于

16、施工路面造價(jià)BAAA降低路面的造價(jià)斜索的連結(jié)CBAA連結(jié)的難易斜索疲勞CBAA降低活載恒載比值基本造價(jià)CABB與跨度及地區(qū)有關(guān)四、斜 索（一）斜索的構(gòu)造 在近代大跨度斜拉橋中，斜索的構(gòu)造基本上分為整體安裝的斜索和分散安裝的斜索兩大類。前者的代表為平行鋼絲索和冷鑄錨，后者的代表為平行鋼絞線索和夾片錨。 1. 平行鋼絲索和冷鑄錨 平行鋼絲索的截面組成和冷鑄錨如圖所示： 平行綱絲索和冷鑄錨的斜索，整體在工廠制造。平行鋼絲索由5mm或7mm高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲(抗拉強(qiáng)度b1600MPa左右)組成，一般排列成六角形。 平行鋼絲索和冷鑄錨，以其性能可靠(承載能力、疲勞強(qiáng)度和防腐措施)從70年代在歐洲和日本始用起

17、至今已被廣泛使用。 由于運(yùn)輸需求，鋼索必須盤繞在圓筒上，為避免索的鋼絲產(chǎn)生過高的彎曲應(yīng)力和外包PE套被撕裂，一般規(guī)定圓筒直徑不小于索徑的20-25倍。 2. 平行鋼絞線索和夾片錨 平行鋼絞線索截面組成和夾片錨如圖所示。將平行綱絲索中的鋼絲換成等截面的鋼絞線即成為平行綱絞線索。 平行鋼絞線索和夾片錨 對(duì)平行鋼絞線索和夾片錨體系，需要注意的問題是： (1)夾片錨的疲勞強(qiáng)度； (2)夾片和錨孔之間的圓錐度配合要精確，否則咬合力將集中在夾片小端形成“切口效應(yīng)”，成為疲勞破壞之源； (3)對(duì)夾片應(yīng)設(shè)置防松脫裝置，否則在較小索力(小于0.25 )下受振動(dòng)荷載時(shí)，夾片可因咬合力不足而松脫導(dǎo)致事故； (4)鋼

18、絞線進(jìn)入錨管內(nèi)有兩處轉(zhuǎn)折，一在鋼絞線散開的約束圈處；二在鋼絞線進(jìn)入錨孔處。在第二個(gè)轉(zhuǎn)折處，亦為拉索的錨固點(diǎn)，存在著固端撓矩。由于軸向索應(yīng)力和撓曲應(yīng)力的疊加，該處產(chǎn)生最大的應(yīng)力幅。為分散應(yīng)力幅，需在錨管內(nèi)加設(shè)一“支承圈”。（二）斜索的錨固 1.斜索在主梁上的錨固 斜索在主梁上的錨固，可以分為“吊拉”和“承托”兩種形式。在工字形主梁上，大都采用“吊拉”型式，如下圖所示： 在混凝土主梁上，都采用“承托”型式，如下圖所示：斜索在混凝土主梁上的錨固 2. 斜索在索塔上的錨固 (1)斜索在實(shí)體塔柱上的交錯(cuò)錨固，如圖所示： (2)斜索在空心塔柱上的非交錯(cuò)錨固，如下圖所示：空心塔柱非交錯(cuò)錨固（蘭州小西湖橋）

19、(3)采用鋼錨固梁錨固，如圖所示蘇通大橋的鋼錨箱結(jié)構(gòu)圖：（三）斜索防腐 斜索防腐是斜拉橋設(shè)計(jì)的重要課題。 在現(xiàn)代斜拉橋所廣泛采用的兩種斜索平行鋼絲索和冷鑄錨、平行鋼絞線索和夾片錨中，斜索防腐的典型措施是這樣的： 平行鋼絲索和冷鑄錨鍍鋅鋼絲為擠高密度PE套所防護(hù)，裸索埋于冷鑄錨的環(huán)氧樹脂混合料中。鋼絲受到鍍鋅層和高性能PE套的保護(hù)。 平行鋼絞線索和夾片錨 鍍鋅鋼絞線涂以油(或蠟)層后，用雙層PE套防護(hù)并將整索平行鋼絞線索和夾片錨 鍍鋅鋼絞線涂以油(或蠟)層后，用雙層PE套防護(hù)并將整索。 彎于PE套內(nèi)，套內(nèi)灌以水泥砂漿或其他有機(jī)防腐劑，裸索埋于鋼套的防腐油脂中。鋼絞線受到鍍鋅層、油層、PE層和PE套管的4層保護(hù)。 環(huán)氧全涂裝無粘結(jié)