索承橋的受力特性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1、索承橋的受力特性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)摘要:從結(jié)構(gòu)構(gòu)造和力學(xué)特點(diǎn)兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，得出斜拉橋隨著跨徑的增加，拉索 與主梁的夾角逐漸變小,豎向有效分力也隨著變小，因此，斜拉橋的跨越能力會(huì)受到限制，推 導(dǎo)了最佳的高跨比范圍；懸索橋吊桿與加勁梁是垂直或斜向交叉，不會(huì)隨著跨徑加大而受影 響，懸索橋比斜拉橋的跨越能力更大.關(guān)鍵詞:斜拉橋；懸索橋;受力特性;結(jié)構(gòu)特點(diǎn)近幾年來，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，橋梁建設(shè)事業(yè)得到了飛速發(fā)展，有關(guān)大跨徑橋梁 的設(shè)計(jì)理論也得到了進(jìn)一步完善.在現(xiàn)代橋梁中，索承橋特別適用于大跨、特大跨橋梁，目前 還沒有其它類型橋梁的跨度能超過它們.從目前工程實(shí)際運(yùn)用來看，索承橋主要包含斜拉 橋、懸索橋

2、以及兩者的組合.隨著索承橋在工程中的運(yùn)用越來越廣泛，深入研究剖析其受力 與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有助于我們提高認(rèn)識(shí)、完善其設(shè)計(jì)理論，具有重大意義.1斜拉橋的構(gòu)造分析1斜拉橋的總體構(gòu)造斜拉橋的特點(diǎn)是依靠固定于索塔的斜拉索支承梁跨，梁是多跨彈性支承梁,梁內(nèi)彎矩與橋 梁的跨度基本無關(guān)，而與拉索的間距有關(guān).斜拉索直接錨于主梁上，稱自錨體系，拉索承受巨 大拉力，拉索的水平分力使主梁受壓，因此塔、梁均為壓彎構(gòu)件.由于斜拉橋的主梁通過拉 緊的斜索與塔直接相連，增加了主梁抗彎、抗扭剛度，在動(dòng)力特性上一般遠(yuǎn)勝于懸索橋.2斜拉橋的拉索構(gòu)造斜拉橋主要組成部分為拉索、主梁及索塔.拉索縱向布置分為四種形式:輻射形、豎琴形、 扇形和

3、星形.輻射形的特點(diǎn)是所有拉索集中于塔頂，使各根拉索具有可能的最大傾角，因些 拉索效率發(fā)揮最好，拉索用鋼量最少，其主要缺點(diǎn)是拉索匯交到塔頂，構(gòu)造處理比較困難;豎 琴形用鋼量最大,但索不會(huì)交叉，比較美觀、整齊;扇形介于輻射形與豎琴形之間，索在塔處 的錨固間距盡量小，主要滿足錨頭布置與張拉空間要求；星形布置的唯一特點(diǎn)是邊跨拉索錨 于梁端，可以增大橋梁的整體剛度.每根拉索包括鋼索、錨具和過渡段三部分.鋼索承受拉 力，設(shè)置在兩端的錨具用來傳遞拉力.過渡段埋設(shè)在塔和梁的內(nèi)部，用于密封穿過梁和塔體 內(nèi)的鋼索，且不與混凝土接觸.鋼索宜采用抗拉強(qiáng)度高、疲勞性能好、彈性模量大和截面密度 大的高強(qiáng)鋼絲制成，目前主要

4、有三種類型：封閉鋼索、平行高強(qiáng)鋼絲索、平行綱絞線索我國(guó) 采用的錨具主要有兩種型式：冷鑄墩頭錨（主要用于平行鋼絲索）和夾片群錨（主要用于平行 鋼絞線索）.3斜拉橋的主梁特點(diǎn)主梁類型主要有鋼主梁，混凝土主梁，鋼、混凝土結(jié)合梁，鋼、混凝土混合梁四種.其中鋼 主梁的主要特點(diǎn)是重量輕、跨越能力大，構(gòu)件可在工廠制作，質(zhì)量可靠，便于安裝，施工速度 快，養(yǎng)護(hù)工作量大.混凝土主梁的特點(diǎn)是：剛度大，撓度小，阻尼效果好，混凝土自重大，抗振 動(dòng)性能較好.結(jié)合梁是在鋼主梁上用混凝土橋面板代替正交異性鋼橋面板，除有鋼主梁的特 點(diǎn)外，與鋼主梁相比，能節(jié)省鋼材用量，且其剛度大，抗風(fēng)穩(wěn)定性好，能分擔(dān)斜索的水平分力, 自重比鋼主

5、梁大，與混凝土主梁相比，主梁輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工速度快.混合梁是指在中孔大 跨以鋼梁為主，兩側(cè)邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁.這種結(jié)構(gòu)加大了邊跨主梁的剛度和重量，有利 于減小中跨內(nèi)力及變形，能減小或避免邊跨端支點(diǎn)負(fù)反力.主梁在塔墩上支承體系主要有四 種：支座支承體系、塔梁固結(jié)體系、剛構(gòu)體系、懸浮體系.1. 斜拉橋的索塔構(gòu)造索塔承受塔自重、拉索、主梁及橋面系的恒載與活載索塔可以是鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu).索塔的結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)拉索布置、主梁跨度、橋面寬度等因素確定常用的索塔形式在順 橋方向有柱型、A型和倒Y型等.在橫橋方向常用的索塔型式有單柱式、雙柱式、門式、A型、H型及鉆石型等.拉索在塔上的錨固型式主要有

6、三種：鞍座型式、交叉錨固型式、拉 索對(duì)稱錨固型式.2斜拉橋的受力特性分析1斜拉橋的力學(xué)計(jì)算特點(diǎn)斜拉橋是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，為便于計(jì)算，一般按平面結(jié)構(gòu)處理，而用橫向分布系數(shù)計(jì)入空 間.根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)，可以用杠桿原理法或偏心受壓法等適合的計(jì)算方法計(jì)算橫向分布系 數(shù).對(duì)于平面結(jié)構(gòu)，用有限元法按線彈性結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，因此內(nèi)力疊加原理成立.拉索的內(nèi)力 與變形存在非線性關(guān)系，用修正彈性模量的方法處理后，拉索仍可按彈性桿件對(duì)待,且引起 的誤差很小.對(duì)于較大跨度的斜拉橋，則要計(jì)入非線性影響，處理方法是在線彈性結(jié)構(gòu)分析 的基礎(chǔ)上，對(duì)控制截面的內(nèi)力或變形，追加非線性影響.2 斜拉橋的力學(xué)計(jì)算原理斜拉橋的恒載內(nèi)力計(jì)算比較

7、復(fù)雜，一期恒載內(nèi)力不僅與安裝順序有關(guān),還取決于張拉索力. 在恒載下的拉索松馳，混凝土徐變使計(jì)算更趨復(fù)雜.確定恒載索力方法主要有連續(xù)梁法、彎曲 能量最小法和彎矩平方和最小法、優(yōu)化方法、人機(jī)對(duì)話確定索力.連續(xù)梁法是指結(jié)構(gòu)在各施 工階段完成后，在一、二期恒載作用下，主梁內(nèi)力與以拉索錨固點(diǎn)為主梁剛性支點(diǎn)的連續(xù)梁 內(nèi)力接近.彎曲能量最小法是用結(jié)構(gòu)的彎曲余能作為目標(biāo)函數(shù)，令其對(duì)索力的偏導(dǎo)為零.優(yōu)化 方法是結(jié)合上述兩種方法，建立目標(biāo)函數(shù)，用數(shù)學(xué)規(guī)劃法解出滿足索力約束條件下的彎曲能量 最小時(shí)的施調(diào)索力.為確定最佳索力方案，可通過人機(jī)對(duì)話確定索力.即先選定成橋狀態(tài)初 始索力.計(jì)算初始索力及恒載下控制截面的內(nèi)力與

8、變位.計(jì)算活載等引起控制截面內(nèi)力及索 力.綜合分析計(jì)算結(jié)果，根據(jù)力學(xué)及橋梁知識(shí)，修改成橋狀態(tài)下初始索力或梁塔控制截面彎矩 或變位值,直到滿意結(jié)果為止.3斜拉橋的力學(xué)計(jì)算步驟確定施工階段張拉索力的方法一般有以下幾種:倒拆法、正算法.倒拆法的計(jì)算過程：每拆一對(duì)索及相應(yīng)主梁節(jié)段，在拆去單元后的節(jié)點(diǎn)處加上大小相同、方向相反的節(jié)點(diǎn) 力；按拆去單元后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及所加節(jié)點(diǎn)力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，就得到節(jié)點(diǎn)力引起的各索索 力；拆單元前的各索索力加上節(jié)點(diǎn)力引起的索力，得尚未拆除索的索力；(4 )下一階段待拆拉索的張拉力即為由(3)所得的索力.正算法采用與斜拉橋方式相同的順序,依次計(jì)算各階段架設(shè)時(shí)結(jié)構(gòu)的施工內(nèi)力和位移.

9、3懸索橋的構(gòu)造分析懸索橋主要由主纜、加勁梁、吊索、索塔、錨錠和鞍座六部分組成.懸索橋大都采用雙 面主纜，由平行高強(qiáng)鋼絲組成.主纜分束股是為了便于架設(shè)和錨固.每根束股由幾十根，乃至 幾百根單根平行鋼絲組成，由于架設(shè)方法不同，可分為空中紡線法和預(yù)制鋼絲束股法兩種. 加勁梁的結(jié)構(gòu)型式主要有兩種:鋼桁梁和扁平鋼箱梁.吊索也稱吊桿，有直吊索和斜吊索兩 種.斜吊索比直吊索有以下特點(diǎn):和主纜、加勁梁一起起到桁架作用，能提高橋的整體剛度; 結(jié)構(gòu)振動(dòng)衰減性能好;在主跨跨中附近，活載產(chǎn)生應(yīng)力變化幅度大，易引起疲勞問題；吊索 容易松弛.吊索與主纜的連接方式有鞍掛式和銷連接式兩種.索塔是支承主纜的重要構(gòu)件，其型式分順

10、橋方向和橫橋方向.材料一般由混凝土或鋼構(gòu) 成.錨碇是主纜的錨固體，與索塔一樣是支承主纜的重要部分，它將主纜的拉力傳遞給地基. 錨碇一般由錨碇基礎(chǔ)、錨塊、主纜的錨碇架及固定裝置、遮棚等組成錨碇的型式可分為重 力式和隧道式.重力式錨塊是最常用的型式，依靠混凝土重量來抵抗主纜的拉力.隧道式錨 塊用于堅(jiān)固、節(jié)理少的基巖外露的情況，是把巖石鑿隧洞，其內(nèi)埋入錨碇架，然后填充混凝 土抵抗主纜拉力.懸索橋鞍座早期都為大型鑄鋼構(gòu)件，現(xiàn)代鞍座改用焊接鋼結(jié)構(gòu)，比較輕型. 主纜支架鞍座主要功能是改變主纜方向，并把主纜的鋼絲束股在水平及豎直方向分散開來, 然后把這些鋼絲束股引入各自的錨固位置.懸索橋的受力特性分析懸索橋

11、在恒載作用下，主纜、主塔承受結(jié)構(gòu)自重，加勁梁受力由施工方法而定.成橋后，主 纜和加勁梁共同承受外荷作用，受力按剛度分配.主纜是結(jié)構(gòu)體系中的主要承重構(gòu)件，其形狀直接影響到整個(gè)體系的受力分配和變形，主纜 的主要受力特征如下：(1)幾何可變體，主要承受張力.主纜可通過自身幾何形狀的改變來影 響體系平衡，具有大位移的力學(xué)特征.( 2)主纜在恒載作用下具有很大的初始張拉力，使主纜 維持一定的幾何形狀.初始張拉力對(duì)后續(xù)結(jié)構(gòu)形狀提供強(qiáng)大的 重力剛度!，這是懸索橋跨 徑得以不斷增大、加勁梁高跨比得以減小的根本原因.主塔在外荷載作用下的受力特征可表現(xiàn)為兩種形式:(1)橫載狀態(tài)下，主塔基本無彎曲內(nèi) 力；(2)恒、

12、活載及地震荷載作用下，主塔正負(fù)彎曲包絡(luò)圖基本對(duì)稱或正負(fù)彎矩包絡(luò)按某一 比例分配.加勁梁的受力特性按不同的施工方法，可表現(xiàn)為兩種情況：(1)一期恒載作用下，加勁梁段 呈簡(jiǎn)支梁彎矩分配；二期恒載作用下，加勁梁承受與主纜共同作用下的彎曲內(nèi)力;(2)加勁梁 的彎矩根據(jù)使恒、活載作用下其應(yīng)力分布趨于合理的標(biāo)準(zhǔn)人為確定5結(jié)語(yǔ)本文對(duì)兩種常用的索承橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力特點(diǎn)展開了分析，并從受力性能上作了比較， 揭示了懸索橋與斜拉橋跨越能力的內(nèi)在特點(diǎn)，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)、研究和設(shè)計(jì)這兩類大跨度橋梁, 提供了理論基礎(chǔ).參考文獻(xiàn)：姚玲森.橋梁工程M.北京：人民交通出版社，1993: 20- 5.裘伯永.橋梁工程M.北京：中國(guó)鐵道出版社,2000: 300- 3 0.項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論M.北京：人民交通出版社,2000： 302- 315.李文靜，張坤.斜拉橋動(dòng)力特性分析J.四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，