大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系及其優(yōu)化與創(chuàng)新PPT(107頁)

1、同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系大 跨 徑 橋 梁 結(jié) 構(gòu) 體 系及 其 優(yōu) 化 與 創(chuàng) 新肖 汝 誠 2011年05月31日于常州4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新5. 小 結(jié)1. 結(jié) 構(gòu) 體 系大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化與創(chuàng)新2. 大跨徑橋梁體系3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化1. 結(jié) 構(gòu) 體 系什么是結(jié)構(gòu)體系？海諾恩格爾“結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載的傳遞方式以及為保持結(jié)構(gòu)內(nèi)部平衡而形成的內(nèi)力狀態(tài)”國內(nèi)學(xué)者“結(jié)構(gòu)主要的受力系統(tǒng)”1. 結(jié) 構(gòu) 體 系結(jié)構(gòu)體系是結(jié)構(gòu)功能、外形及其受力形態(tài)的統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)受力形態(tài)結(jié)構(gòu)體系1. 結(jié) 構(gòu) 體 系結(jié)構(gòu)功能第一層次，結(jié)構(gòu)的使用功能。圍護(hù)結(jié)構(gòu)跨越結(jié)構(gòu)1. 結(jié) 構(gòu) 體 系第二層次，結(jié)構(gòu)

2、外形。結(jié)構(gòu)形式梁式體系拱式體系斜拉體系懸索體系組合體系1. 結(jié) 構(gòu) 體 系結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載的傳遞方式及其平衡時(shí)的內(nèi)力狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)核。結(jié)構(gòu)受力形態(tài)外界對結(jié)構(gòu)體系的約束主要受力構(gòu)件間的受力分配結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載的傳遞方式1. 結(jié) 構(gòu) 體 系結(jié)構(gòu)形式梁橋單跨多跨拱橋上乘式中乘式下乘式單承重面斜靠拱連拱斜拉橋獨(dú)塔斜拉橋雙塔斜拉橋多塔斜拉橋獨(dú)柱斜拉橋雙柱斜拉橋三柱斜拉橋懸索橋獨(dú)塔懸索橋雙塔懸索橋多塔懸索橋獨(dú)柱懸索橋雙柱懸索橋三柱懸索橋組合體系梁拱組合斜拉-懸索協(xié)作體系1. 結(jié) 構(gòu) 體 系梁橋外部約束簡支梁連續(xù)梁固端梁內(nèi)部連接連續(xù)梁T形剛構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)受力分配等截面梁變截面梁結(jié)構(gòu)受力形態(tài)1. 結(jié) 構(gòu) 體 系結(jié)構(gòu)

3、受力形態(tài)拱橋外部約束無鉸拱兩鉸拱無推力拱內(nèi)部連接拱梁固結(jié)拱梁鉸接拱梁自由受力分配剛拱柔梁剛梁柔拱剛拱剛梁1. 結(jié) 構(gòu) 體 系結(jié)構(gòu)受力形態(tài)斜拉橋外部約束自錨式地錨式部分地錨內(nèi)部連接全飄浮半飄浮塔梁墩固結(jié)塔梁固結(jié)塔墩鉸接受力分配普通斜拉橋矮塔斜拉橋1. 結(jié) 構(gòu) 體 系結(jié)構(gòu)受力形態(tài)懸索橋外部約束自錨式地錨式內(nèi)部連接雙跨簡支雙跨連續(xù)三跨簡支三跨連續(xù)受力分配剛塔柔塔第一層次第二層次第三層次橋梁梁式橋三跨連續(xù)梁多跨連續(xù)梁外部約束：簡支梁，連續(xù)梁，固端梁；內(nèi)部連接：連續(xù)梁，T形剛構(gòu)，連續(xù)剛構(gòu)剛度分配：等截面梁，變截面梁；拱式橋上承式中承式下承式單承重面斜靠拱連拱外部約束：無鉸拱，兩鉸拱，無推力拱 內(nèi)部連接：

4、雙鉸拱，三鉸拱；拱梁固結(jié)，拱梁鉸接，拱梁自由；剛度分配：剛拱柔梁，剛梁柔拱，剛拱剛梁；等截面拱，變截面拱斜拉橋獨(dú)塔斜拉橋雙塔斜拉橋多塔斜拉橋獨(dú)柱斜拉橋雙柱斜拉橋三柱斜拉橋外部約束：自錨斜拉橋，地錨斜拉橋，部分地錨斜拉橋內(nèi)部連接：全飄浮體系，半飄浮（支承）體系，塔梁墩固結(jié)體系，塔梁固結(jié)、塔墩鉸接體系剛度分配：普通斜拉橋，矮塔斜拉橋懸索橋單塔懸索橋雙塔懸索橋多塔懸索橋獨(dú)柱懸索橋雙柱懸索橋三柱懸索橋外部約束：自錨懸索橋，地錨懸索橋內(nèi)部連接：雙跨簡支懸索橋，雙跨連續(xù)懸索橋，三跨簡支懸索橋，三跨連續(xù)懸索橋剛度分配：剛塔懸索橋，柔塔懸索橋組合體系連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合斜拉懸吊協(xié)作體系房屋橋梁結(jié)構(gòu)體系的分類 適用

5、于大跨度的體系？ 2. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系拱 橋斜拉橋懸索橋梁 橋組合體系2. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系考察標(biāo)準(zhǔn)主要受力構(gòu)件的受力特性結(jié)構(gòu)的傳力路徑結(jié)構(gòu)體系的剛度2. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系梁橋受力特點(diǎn)豎向荷載作用下無水平反力同跨經(jīng)下，梁橋內(nèi)彎矩最大需用抗彎、抗拉能力強(qiáng)的材料建造傳力路徑最遠(yuǎn)是否適合大跨徑2. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系拱橋受力特點(diǎn) 承重結(jié)構(gòu)是拱圈或拱肋，豎向荷載作用下，橋墩和橋臺承受水平推力。 拱主要承受壓力，可充分發(fā)揮抗拉性能差而抗壓性能好的圬工材料的作用。 水平力產(chǎn)生的彎矩，基本抵消了在拱內(nèi)由荷載引起的彎矩。是否適合大跨徑是否適合超大跨徑 故，不能用超高強(qiáng)材料做為主拱。2. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)

6、體系斜拉橋受力特點(diǎn)由塔柱、主梁和斜拉索三部分組成；斜索對主梁提供多點(diǎn)彈性支承。主要受力構(gòu)件以受拉（拉索）、受壓（梁，橋塔）為主，可充分發(fā)揮材料作用。 塔柱、拉索和主梁構(gòu)成了穩(wěn)定的三角形，形成斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度。是否適合大跨徑是否適合超大跨徑2. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系懸索橋受力特點(diǎn) 主纜作為主要承重結(jié)構(gòu)豎向荷載作用下，通過吊桿傳遞橋面荷載。主要受力構(gòu)件以受拉為主，可充分發(fā)揮其材料作用。 懸索橋?qū)偃嵝越Y(jié)構(gòu)，外載作用下力與變形之間呈非線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)豎向剛度主要由重力提供。是否適合大跨徑是否適合超大跨徑2. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系組合體系受力特點(diǎn)（以斜拉懸索協(xié)作體系為例） 綜合兩種體系受力特點(diǎn)。對兩種體系取長

7、補(bǔ)短，提高懸索橋剛度，降低斜拉橋主梁壓力。是否適合大跨徑可在不同部分采用不同材料，能充分發(fā)揮材料作用。是否適合超大跨徑2. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系拱式體系斜拉體系懸索體系由此我們知道：組合體系大跨徑體系應(yīng)該受力途徑短，主要受力構(gòu)件以拉壓為主。超大跨徑體系3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化 什 么 是 優(yōu) 化 體系優(yōu)化的特點(diǎn) 如何進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化什么是優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(1)使對象的某個目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的過程。橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化 通過改變參量使設(shè)計(jì)對象的某項(xiàng)目標(biāo)變得最為合理的過程。3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(1)純理論優(yōu)化設(shè)立目標(biāo)函數(shù)（單個的）滿足約束條件求解目標(biāo)函數(shù)極值

8、U為目標(biāo)函數(shù)，x為設(shè)計(jì)變量，gi(x)、i(x)為約束條件。根據(jù)約束條件的存在與否，優(yōu)化理論分為有約束優(yōu)化和無約束優(yōu)化。3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(1)優(yōu)化方法純理論優(yōu)化參數(shù)調(diào)整優(yōu)化法數(shù)學(xué)規(guī)劃法最優(yōu)準(zhǔn)則法仿生學(xué)參數(shù)敏感性分析結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)件參數(shù)3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(2)體系優(yōu)化的特點(diǎn)和純理論優(yōu)化有很大區(qū)別，首先選擇什么樣的體系？拱橋、斜拉橋、懸索橋布置什么形式的約束，如何選擇截面形式和大??？如何選擇橋梁的施工方案？都是體系優(yōu)化要解決的問題3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(2)橋梁設(shè)計(jì)階段概念設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì) 關(guān)注體系的形式和總體力學(xué)性能。 關(guān)注體系的參數(shù)特性和對體系力學(xué)性能的影響

9、。 關(guān)注細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全。 關(guān)注施工方法、施工步驟，工期等。體系優(yōu)化的特點(diǎn)（a）優(yōu)劣評價(jià)3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(2)體系受力性能造價(jià)構(gòu)造優(yōu)化 總體力學(xué)性能，動力性能，整體穩(wěn)定性 主要是結(jié)構(gòu)的材料用量和施工費(fèi)用。 對局部構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到局部受力或其它性能合理化。體系優(yōu)化的特點(diǎn)（b）3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)如何優(yōu)化選定體系,確定優(yōu)化目標(biāo)選擇優(yōu)化方法優(yōu)化過程處理優(yōu)化結(jié)果確定分空布跨體系優(yōu)化流程3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系河勢航運(yùn)橋梁方案橋軸線選擇主跨跨徑分孔布局概念生成概念選擇概念設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)流程圖選擇滿足橋梁功能、結(jié)構(gòu)、施工、耐久、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)與美觀要求和

10、設(shè)計(jì)原則的最佳設(shè)計(jì)。由概念設(shè)計(jì)來決定分孔布跨3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系布跨確定后由體系的各種性能決定體系的選擇評判標(biāo)準(zhǔn)（相同的安全度）力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性能耐久性橋跨布置的靈活性可施工性級結(jié)構(gòu)的剛度下面以纜索承重橋?yàn)槔?，說明體系選擇的思考方法3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性能圖1 具有全部受拉構(gòu)件的純纜索體系的基本形式懸索橋增設(shè)的加勁梁只起傳力作用，用鋼量一般為420580kg/m2，在2000m跨度內(nèi)用鋼量隨跨徑的變化不大 ；斜拉橋的加勁梁則代替了純纜索體系中的水平索受力），使拉索用鋼量大大降低，僅相當(dāng)于同跨徑懸索橋的60%左右；斜拉橋跨徑小于500

11、m時(shí)，主梁軸力對鋼箱梁設(shè)計(jì)的影響不明顯，主梁的多功能性提高了斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能；在小于400m的跨徑范圍內(nèi)，主梁可以采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；在小于700m的跨徑范圍內(nèi)，可以采用結(jié)合梁，更能夠提高其經(jīng)濟(jì)性能；隨著跨徑的進(jìn)一步增加，主梁軸力迅速增加，軸力引起的應(yīng)力成為加勁梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性的控制因素，由此增大了主梁的用鋼量。如蘇通大橋近塔處加勁梁用鋼量超過800kg/m2，從而降低了斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能。3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系橋塔的影響從受力上看，地錨懸索橋的塔上不平衡水平力靠塔頂水平變位來實(shí)現(xiàn)平衡。只要橋塔具有合適的柔度，便能使橋塔在較均勻的受壓狀態(tài)下工作；斜拉橋塔上不平衡水平力主

12、要由橋塔承擔(dān)，并在塔內(nèi)產(chǎn)生巨大的彎矩，橋塔必須有很好的抗彎能力，因此其橫斷面尺寸較懸索橋大；從橋塔的高度來看，懸索橋塔頂與跨中的高差由矢跨比確定，合理的矢跨比一般為1/91/12；斜拉橋的高差則由最外索與主梁的夾角確定，一般最小取為20左右，相當(dāng)于矢跨比為1/61/5。；可見，斜拉橋的塔高在相同跨度時(shí)為懸索橋塔高的1.52.0倍，加上其斷面尺寸較懸索橋大，因此其橋塔造價(jià)將高于懸索橋橋塔。3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系錨碇的影響懸索橋主纜需由龐大的錨碇錨固，在陸地上重力式錨碇的造價(jià)一般占懸索橋造價(jià)的25%左右。如果錨碇需要建在水中，則造價(jià)還將大幅增加；斜拉橋的拉索直接分散錨固在

13、梁上，形成自錨體系。在主跨小于約1100m的范圍內(nèi)，相同跨徑的斜拉橋性能優(yōu)于岸上錨碇懸索橋。但隨著跨度的增加，斜拉橋塔、梁的用材指標(biāo)快速上升，斜拉橋和懸索橋的經(jīng)濟(jì)性對比將發(fā)生逆轉(zhuǎn)。從這個意義上看，斜拉橋的跨度適用范圍不是由其極限跨徑確定的，而是由其力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性能確定的。單位造價(jià)隨跨徑變化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系橋跨布置的影響從布跨上看，懸索橋邊跨布置的靈活性大，除三跨懸索橋外，還可以布置成單跨和雙跨，邊中跨比一般在0.20.5之間。而斜拉橋邊跨要平衡中跨，邊中跨比一般在0.350.5之間。對于主跨相同的兩種橋型而言，斜拉橋的總長度要增加。(a) 單跨懸索橋江陰長江大橋(

14、b) 雙跨懸索橋舟山西堠門大橋3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系橋跨布置的影響當(dāng)跨越同一水域時(shí)，為了避免水中錨碇，必須增大懸索橋的跨度；而斜拉橋的主跨跨度則可根據(jù)通航要求而定，相對較小。例如，1964年通車的英國Forth懸索橋，為利用地形采用隧道式錨碇，將主跨增加到1006m；由于交通量的增長和主纜鋼絲的腐蝕問題，于2007年決定在Forth橋附近新建一座橋梁代替舊橋，新建方案采用了雙向分孔通航的三塔四跨斜拉橋，跨度為325+650+650+325m，如圖4所示。斜拉橋方案既滿足了通航要求，又減小了主跨跨徑，從而降低了全橋造價(jià)。3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系斜

15、拉橋和懸索橋與其它纜索承重橋的比較隨著跨度的增大，要充分利用斜拉橋經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有利的一面，就要在結(jié)構(gòu)體系上作變化，通過降低斜拉橋索塔高度，改善其受力性能來降低塔的造價(jià)。這樣的體系就是部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系（圖5）。前者可有效降低主梁最大壓力，后者不僅可降低主塔高度，改善主塔受力，同時(shí)可以減小主梁壓力，改善總的經(jīng)濟(jì)性能。(a) 部分地錨斜拉橋(b) 斜拉懸吊協(xié)作體系3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系斜拉橋和懸索橋與其它纜索承重橋的比較部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系的結(jié)構(gòu)剛度隨自錨斜拉梁段長度與主跨比例的改變而改變。由于懸索橋與其他體系在1400m附近形成競爭，因此對主跨14

16、00m的纜索承重橋進(jìn)行分析，從而比較各種體系結(jié)構(gòu)剛度的相對大小。3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系斜拉橋和懸索橋與其它纜索承重橋的經(jīng)濟(jì)性比較根據(jù)我們的研究和預(yù)測，給出了各種斜拉和懸索體系以及混合體系的單位橋面造價(jià)與跨徑關(guān)系的預(yù)測圖（見圖7），其中9001200m跨度范圍內(nèi)各種纜索體系的造價(jià)曲線較為密集，詳見圖8所示。3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系斜拉橋和懸索橋與其它纜索承重橋的經(jīng)濟(jì)性比較根據(jù)我們的研究和預(yù)測，給出了各種斜拉和懸索體系以及混合體系的單位橋面造價(jià)與跨徑關(guān)系的預(yù)測圖（見圖7），其中9001200m跨度范圍內(nèi)各種纜索體系的造價(jià)曲線較為密集，詳見圖8所示。

17、3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-1選擇體系斜拉橋和懸索橋與其它纜索承重橋的經(jīng)濟(jì)性比較主跨小于1100m時(shí)，斜拉橋具有優(yōu)勢，不同跨徑范圍內(nèi)可采用相應(yīng)的主梁結(jié)構(gòu)形式，其中鋼主梁斜拉橋的適用跨徑為7001400m；(2) 跨度超過900后，巖石錨懸索橋始終占優(yōu)，但此橋型對于橋位處的水文地質(zhì)條件要求高，因此適用性受到很大限制；(3) 岸上錨碇懸索橋的適用跨徑為11002300m，在此跨度范圍內(nèi)部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系可以與之競爭，尤其部分地錨斜拉橋在11001600m、斜拉懸吊協(xié)作體系在14001800m跨度內(nèi)更具優(yōu)勢，而當(dāng)跨度超過1800m后，岸上錨碇懸索橋占優(yōu)；(4) 跨度超過230

18、0m時(shí)，一般是跨海工程的需要，錨碇可能要設(shè)在水中，與部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系相比，淺水錨碇懸索橋開始占據(jù)優(yōu)勢；(5) 跨度超過3000m后，與隧道相比，單一主跨橋梁方案已經(jīng)不占優(yōu)勢。(6) 可以預(yù)計(jì)，橋隧競爭區(qū)將落在橋梁主跨約10003000m的跨度范圍內(nèi)。3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)3-2體系確定后的優(yōu)化體系確定后的優(yōu)化根據(jù)體系特點(diǎn)，確定優(yōu)化的目標(biāo)（多參數(shù)）采用參數(shù)調(diào)整法3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3) 參數(shù)調(diào)整優(yōu)化法橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)敏感性分析重要參數(shù)取值范圍確定優(yōu)化參數(shù)，取定終值進(jìn)行確定參數(shù)分析確定3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)參數(shù)總體布置參數(shù)構(gòu)件

19、參數(shù)決定結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)決定結(jié)構(gòu)的荷載狀態(tài)和構(gòu)件的抗力外部約束內(nèi)部連接內(nèi)部受力分配體系參數(shù)構(gòu)件的幾何形狀鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋布置加勁肋形式及布置材料結(jié)構(gòu)參數(shù) 參數(shù)調(diào)整優(yōu)化法3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)總體布置參數(shù)描述結(jié)構(gòu)外形尺寸和比例的參數(shù)橋型梁橋拱橋斜拉橋懸索橋結(jié)構(gòu)參數(shù)邊中跨比拱肋矢跨比邊中跨比塔高與中跨比梁高與中跨比主纜矢跨比對結(jié)構(gòu)受力形態(tài)影響較大的參數(shù) 參數(shù)調(diào)整優(yōu)化法3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)部分地錨式斜拉橋體系優(yōu)化(體系受力性能)（144+300）+1400+（300+144）2288m。主跨1000m自錨，400m地錨。13對地錨拉索

20、，全漂浮體系。例（1）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)A型全混凝土塔全高357m橋面以上287m，塔跨比0.205扁平鋼箱梁；全寬41m（寬跨比1:34.1）中心線處全高4.5m （高跨比1:311）根據(jù)板厚分為四種斷面拉索： PES7-211313部分地錨式斜拉橋體系優(yōu)化(體系受力性能)例（1）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)體系參數(shù)的改變：外部約束全自錨 部分地錨內(nèi)部連接全自錨 部分地錨內(nèi)部受力分配主塔高跨比塔梁連接方式地錨拉索數(shù)量變化（地錨段主梁長度）輔助墩數(shù)量部分地錨式斜拉橋體系優(yōu)化(體系受力性能)例（1）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨

21、徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(2)優(yōu)化結(jié)果（輔助墩數(shù)量）：剛度，但超過2個后效果不再明顯合理數(shù)量：12個活載主梁應(yīng)力 活載主梁位移 極限靜側(cè)風(fēng)主梁側(cè)向位移部分地錨式斜拉橋體系優(yōu)化(體系受力性能)例（1）3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)優(yōu)化結(jié)果（塔梁連接方式）：漂浮體系支承體系固結(jié)體系差別不大，可行溫度應(yīng)力下劣勢明顯，不可行部分地錨式斜拉橋體系優(yōu)化(體系受力性能)例（1）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)部分地錨式斜拉橋體系優(yōu)化(體系受力性能)優(yōu)化參數(shù)優(yōu)化結(jié)果地錨拉索數(shù)量400800m輔助墩數(shù)量12個塔梁連接采用支承或漂浮主塔高跨比采用較大值錨拉索角度采用較小傾角主梁寬跨比較大值，

22、中央開槽有利主梁高跨比較小值例（1）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化（152+300）+1400+（300+152）= 2304m 主跨984m斜拉，416m懸吊全漂浮體系部位面積(m2)主梁斷面A1.7029主梁斷面B1.8632主梁斷面C1.9817與部分地錨相同例（2）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化H型混凝土塔全高306m橋面以上236m，塔跨比0.169 (斜拉部分為0.240）部位面積(m2)塔頂29.556主塔塔底66.300例（2）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)斜拉

23、懸索協(xié)作體系優(yōu)化參數(shù)研究：吊跨比交叉吊索數(shù)例（2）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化參數(shù)研究（吊跨比）：主梁軸力 主纜軸力 錨固力恒載下：例（2）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化參數(shù)研究（吊跨比）： （活載響應(yīng)）主梁應(yīng)力 主塔應(yīng)力 主梁位移 恒載+側(cè)風(fēng)主梁應(yīng)力 側(cè)風(fēng)主梁位移 縱風(fēng)結(jié)構(gòu)位移吊跨比合理范圍：同部分地錨斜拉橋例（2）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化參數(shù)研究（交叉吊索數(shù)）：設(shè)置交叉吊索可顯著降低吊索和拉索應(yīng)力幅即使不設(shè)交叉吊索也能滿足材料疲勞強(qiáng)度要求設(shè)置交叉

24、吊索帶來構(gòu)造問題吊索應(yīng)力幅斜拉索應(yīng)力幅例（2）3-2體系確定后的優(yōu)化3. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化(3)斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化吊跨比：400m800m交叉吊索數(shù)：設(shè)置交叉吊索能顯著降低吊索和拉索應(yīng)力幅，但會帶來構(gòu)造問題。結(jié)論：不設(shè)置交叉吊索也能滿足疲勞要求。例（2）3-2體系確定后的優(yōu)化在關(guān)鍵參數(shù)取值范圍確定后,再根據(jù)經(jīng)濟(jì)性能、施工難易程度等目標(biāo)，綜合比選，確定最佳體系4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新 什 么 是 創(chuàng) 新 歷史中的橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新 橋梁結(jié)構(gòu)體系中的創(chuàng)新4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(1)原始的或突破性的，而且是與核心技術(shù)相關(guān)的。在原有基礎(chǔ)上的局部的量變和改進(jìn)改進(jìn)更新or創(chuàng)新何為創(chuàng)新？體系

25、創(chuàng)新也可算一種形式的體系優(yōu)化。當(dāng)這種優(yōu)化是不曾出現(xiàn)過的，就叫創(chuàng)新。4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(1)“創(chuàng)新源于提問”如何建立創(chuàng)新理念？Why ?Why not ?What if ?破舊、立新和形成合理穩(wěn)妥的新技術(shù)成功關(guān)鍵 “工程是多方案的，所以工程師的職責(zé)就是要選擇一種最適合的方案” 我們在設(shè)計(jì)中決不能滿足于“可行”，而要追求“卓越”，從各方面的要求和條件中尋找一個最優(yōu)的解決方案。 4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(1)為滿足通航凈空剛度要求傳統(tǒng)上承式拱中承式下承式為滿足施工要求滿堂支架斜拉扣掛勁性骨架桁架4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(1)為使拱橋在軟土地基下合理受力傳統(tǒng)有推力拱部分有推力拱無推力

26、拱為提高拱橋橫向穩(wěn)定性4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(2)歷史中的橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新奠基時(shí)期（1660-1765）進(jìn)步時(shí)期（1765-1874）發(fā)展成熟時(shí)期（1874-1945）現(xiàn)代橋梁發(fā)展階段（1945- ）4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(2)5060年代歷史中的橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新斜拉橋, 德國 Dishinger, 瑞典Strmsund橋, 1956帶掛孔混凝土斜拉橋, 意大利 Morandi, Maracaibo橋, 1962提籃拱橋, 德國 Leonhardt, Fehmarnsund海峽橋, 1963流線形箱梁懸索橋,英國Gilbert Roberts , Severn橋, 1966密索體系

27、斜拉橋, 德國 Homberg, Friedrich Ebert橋 , 1967無風(fēng)撐拱橋及斜拉橋，考慮非保向力效應(yīng)的穩(wěn)定理論，德國Knie萊茵河橋，19694. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(2)70年代歷史中的橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新混合橋面斜拉橋, 德國 Leonhardt，Kurt-Schumacher橋, 1971懸?guī)?，美?T.Y.Lin國際，哥斯達(dá)黎加，科羅拉多橋，1972脊骨梁橋，美國 T.Y.Lin國際，舊金山機(jī)場高架橋，1973傾斜索面斜拉橋，德國 Khlbrand橋，1973單索面混凝土斜拉橋，法國 Mller，Brottone橋，1977連續(xù)剛構(gòu)橋，瑞士 Menn，F(xiàn)egire橋，

28、19794. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(2)8090年代歷史中的橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新矮塔斜拉橋, 瑞士 Menn, Ganter橋, 1980斜拉剛構(gòu)協(xié)作體系, 德國 Svensson , E.Huntington橋, 1985用波折鋼板做腹板的結(jié)合梁橋, 法國Maupre橋, 1987無背索斜拉橋, 西班牙 Galatrava, Alamillo橋, 1992斜拉懸索協(xié)作體系, 英國 Flint-Neil公司, Bali海峽大橋, 19974. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(3)橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新？外部約束創(chuàng)新荷載傳遞方式創(chuàng)新主要構(gòu)件受力分配創(chuàng)新體系之間的組合新材料的應(yīng)用 其中之一或任意的組合就是橋梁結(jié)構(gòu)

29、體系創(chuàng)新！結(jié)構(gòu)外形改變4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新(3)希臘Rion-Antirion橋(約束條件創(chuàng)新)抗震安全是設(shè)計(jì)最主要的控制因素五跨連續(xù)的全漂浮體系斜拉橋可相對滑動的“加筋土隔震基礎(chǔ)”例（1）原設(shè)計(jì)橋型桁架式拱橋固端拱體系存在問題天津?yàn)檐浲恋鼗?，結(jié)構(gòu)體系與建橋條件存在矛盾。 為減小常年溫差對結(jié)構(gòu)的影響，需在拱梁連接處設(shè)置牛腿，水平推力只有依靠通長的水平拉索承受，橋面需設(shè)置多道伸縮縫，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，并影響行車舒適度。橋頭建筑需傳遞拱肋上弦的拉力，受力復(fù)雜，體系抗震性能較差。天津國泰橋(荷載傳遞方式創(chuàng)新)例（2）優(yōu)化思路 改拱腳處固結(jié)為鉸支，釋放水平方向約束，基礎(chǔ)只受豎向力，水平力由主梁

30、承受。 結(jié)構(gòu)水平方向自由伸縮，因此年溫差對內(nèi)力影響較小，拱梁處采用固結(jié)，橋面無需增設(shè)伸縮縫。 橋頭建筑與主結(jié)構(gòu)分開，僅作景觀，體系抗震性能大大改善。中承式三跨無推力拱梁組合體系結(jié)果天津國泰橋(荷載傳遞方式創(chuàng)新)例（2）4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新橋型為無背索斜拉橋，主跨60m 傳統(tǒng)無背索斜拉橋要求塔重而剛，外型有頭重腳輕之感，并使造價(jià)提高通過改變結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的受力分配，提出無背索部分斜拉橋體系a、傳統(tǒng)無背索斜拉橋。b、無背索部分斜拉橋：一部分荷載由斜拉索傳至斜塔，最后傳到基礎(chǔ)；另一部分由主梁傳遞到兩邊基礎(chǔ)。昆山夏家河橋(構(gòu)件受力分配創(chuàng)新)例（3）4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新菜園壩大橋(各種體系

31、的組合)為了滿足多功能要求，主梁應(yīng)選擇雙層結(jié)構(gòu)。為了滿足輕軌的凈空要求，梁高應(yīng)為11m。考慮美觀，箱梁內(nèi)的通風(fēng)、照明等問題，采用桁架梁。將桁梁斷面取為倒梯形，不僅滿足交通要求，還能直接將吊桿力傳遞到中間桁架上，大大降低了橫梁的彎曲內(nèi)力。采用柔拱可滿足受力要求，考慮美觀，拱肋選擇較纖細(xì)的鋼箱拱。例（4）4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新菜園壩大橋(各種體系的組合)一對對稱的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu) + 系桿拱組合式剛構(gòu)系桿拱橋例（4）4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新伶仃洋大橋方案(各種體系的組合)（152+300）+1400+（300+152）= 2304m 主跨984m斜拉，416m懸吊全漂浮體系例（5）4. 大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新FRP與鋼組合斜拉索（新材料在橋梁中的應(yīng)用）鋼斜拉索自重大、垂度效應(yīng)明顯 CFRP斜拉索性能優(yōu)越CFRP與鋼組合斜拉索無法適應(yīng)大