斜拉懸吊組合橋梁體系研究課件

匯報內(nèi)容1.引言2.關鍵技術(shù)和技術(shù)路線3.主要研究成果4.主要創(chuàng)新點5.項目工作情況匯報內(nèi)容1.引言11.

引言

岳陽洞庭湖二橋是杭瑞國家高速公路臨湘至岳陽公路的控制工程。根據(jù)特殊的建設條件，岳陽洞庭湖二橋初步設計推薦采用1800m斜拉-懸吊組合橋梁方案。斜拉懸吊組合橋梁是在斜拉橋和懸索橋的基礎上發(fā)展而來的一種新型纜索承重橋梁，它把懸索橋和斜拉橋這兩種橋型結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，較大程度的提高了大跨度橋梁的跨越能力，自身的剛度以及橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，具有較好的結(jié)構(gòu)性能和顯著的經(jīng)濟效益。目前尚沒有真正意義上實施的現(xiàn)代化斜拉-懸吊組合橋梁，因此，為確保岳陽洞庭湖二橋的順利實施，有必要針對此新型橋型方案的結(jié)構(gòu)體系、受力性能、抗風性能、成橋狀態(tài)、施工方案、疲勞性能等進行系統(tǒng)研究。1.1研究背景1.引言岳陽洞庭湖二橋是杭瑞國家高速公路臨湘至岳陽21.2項目概況岳陽洞庭湖二橋斜拉-懸吊組合橋梁跨徑組成：（50＋3×60＋80+1800＋80＋3×60+50）m

1.2項目概況岳陽洞庭湖二橋斜拉-懸吊組合橋梁跨徑組成：31.2項目概況1.2項目概況41.3斜拉-懸吊組合橋梁的發(fā)展斜拉—懸吊組合橋梁最初在19世紀初由法國工程師提出羅勃林體系——布魯克林大橋（1883）

迪辛格體系——德國易北河（1938）序號橋名所在地橋跨布置狀況1Brooklyn橋美國286m+486m+286m1883年建成2漢堡易北河橋德國主跨753m方案設計3大貝爾特橋丹麥400m+1500m+400m方案設計4直布羅陀海峽橋摩洛哥2000m+5000m+5000m+2000m方案設計5MessinaStrait橋意大利主跨3300m方案設計6Beauharnois橋加固加拿大54.48m+176.78m+54.48m1988年完成加固7Salazar橋加固葡萄牙483m+1014m+483m，公鐵兩用1992年完成加固8廣東伶仃洋東橋中國319m+1400m+319m方案設計9大連灣跨海大橋中國263m+800m+263m方案設計10輕津海峽橋日本2000m+4000m+4000m+2000m方案設計1.3斜拉-懸吊組合橋梁的發(fā)展斜拉—懸吊組合橋梁最初在1951.4結(jié)構(gòu)特點活載撓度小，剛度大。靜力性能與同跨徑的懸索橋相比動力性能基頻高，顫振臨界風速高，抗風性能好。經(jīng)濟性

跨徑越大越能體現(xiàn)斜拉-懸吊組合橋梁優(yōu)越性。與懸索橋相比，斜拉-懸吊組合橋梁的懸吊長度顯著減小，可大大降低主纜的鋼材用量和錨碇規(guī)模，降低了錨碇施工的困難和風險。斜拉段的部分加勁梁可使用混凝土梁，充分利用混凝土的抗壓強度，達到節(jié)約鋼材的目的。1.4結(jié)構(gòu)特點活載撓度小，剛度大。靜力性能與同跨徑的懸索橋62.關鍵技術(shù)和技術(shù)路線⒈斜拉-懸吊組合橋梁由斜拉子體系和懸吊子體系組成，兩個子體系的結(jié)構(gòu)剛度不同。如何處理兩體系間的剛度匹配，實現(xiàn)剛度的平順過渡或結(jié)合，降低其不利影響，是斜拉-懸吊組合橋梁結(jié)構(gòu)設計的關鍵技術(shù)。⒉斜拉-懸吊組合橋梁的兩體系間存在相互影響，結(jié)構(gòu)行為更為復雜，成橋恒載階段的受力狀態(tài)設計不同于斜拉橋結(jié)構(gòu)和懸索橋結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的特點和施工過程來選擇斜拉索的張拉力和吊索的無應力安裝長度，確定結(jié)構(gòu)的成橋狀態(tài)，盡量降低兩體系間的相互影響。⒊在斜拉懸吊過渡區(qū)附近的加勁梁內(nèi)力和變形同時受到斜拉子體系和懸吊子體系的影響，各種荷載作用下受力復雜，安全性需進行評估。同時，過渡區(qū)附近的吊索和斜拉索因體系剛度差異會產(chǎn)生較高的交變內(nèi)力幅，需要分析研究其疲勞安全性能。⒋斜拉橋和懸索橋的施工方法不同，如何協(xié)調(diào)斜拉-懸吊組合橋梁中兩子體系的施工，并評估其施工過程監(jiān)測和控制的可行性，保證兩種結(jié)構(gòu)體系均勻過渡，從而實現(xiàn)合理的成橋目標，需要進行評估驗算。關鍵技術(shù)2.關鍵技術(shù)和技術(shù)路線⒈斜拉-懸吊組合橋梁由斜拉子體72.關鍵技術(shù)和技術(shù)路線⒈定性分析了斜拉-懸吊組合橋梁的結(jié)構(gòu)行為和受力特征。⒉對斜拉-懸吊組合橋梁的若干關鍵參數(shù)進行了比較分析，用于確定合理的結(jié)構(gòu)布置和合理的橋型方案。⒊確定了斜拉-懸吊組合橋梁合理成橋狀態(tài)的設計準則和方法步驟，得到較合理的斜拉-懸吊組合橋梁成橋內(nèi)力狀態(tài)。⒋對洞庭湖二橋的斜拉-懸吊組合橋梁方案進行了結(jié)構(gòu)整體計算分析，驗算了主要構(gòu)件的受力、位移等。

5.對斜拉-懸吊組合橋梁的施工過程進行了計算分析，討論了斜拉-懸吊組合橋梁方案的施工可實施性。

6.針對疲勞問題較突出的斜拉索、吊索和加勁梁，采用不同的疲勞荷載進行驗算，討論了大跨度橋梁整體疲勞驗算荷載選擇的方法和可行性。技術(shù)路線2.關鍵技術(shù)和技術(shù)路線⒈定性分析了斜拉-懸吊組合橋梁8與同跨徑的懸索橋方案進行比較分析：組合橋梁縱向位移僅為常規(guī)單跨懸索橋的15%，而縱向基頻提高了3.46倍；在活載作用下，組合橋梁的豎向位移僅為常規(guī)單跨懸索橋的60%。在百年橫風作用下，組合橋梁的橫向位移僅為常規(guī)單跨懸索橋的61%。組合橋梁扭轉(zhuǎn)頻率比常規(guī)單跨懸索橋扭轉(zhuǎn)頻率高約20.7%3主要研究成果3.1結(jié)構(gòu)受力特征——結(jié)構(gòu)剛度活載豎向撓度/m與同跨徑的懸索橋方案進行比較分析：3主要研究成果3.193.1結(jié)構(gòu)受力特征

過渡區(qū)吊索和斜拉索影響線相反，吊索與斜拉索共同分擔活載，有利于減小變形，提高結(jié)構(gòu)活載剛度。（過渡區(qū)吊索、斜拉索應力幅較大的表現(xiàn)）在過渡區(qū)段，加勁梁的影響區(qū)沒有明顯變化，一定程度上說明兩體系間剛度過渡是比較均勻的。（加勁梁不存在剛度變化過快的問題）活載影響線3.1結(jié)構(gòu)受力特征過渡區(qū)吊索和斜拉索影響線相反，吊103.1結(jié)構(gòu)受力特征

主纜或斜拉索溫度變化對端吊索和最長斜拉索的內(nèi)力影響最大。主纜溫升時，斜拉索的內(nèi)力增加，吊索內(nèi)力減小；斜拉索溫升時，斜拉索的內(nèi)力減小，吊索內(nèi)力增加；系統(tǒng)整體溫度變化時，斜拉索、吊索的內(nèi)力會因為上述因素的綜合作用而抵消一部分。主纜升溫引起斜拉索和吊索的內(nèi)力增量/kN斜拉索升溫引起斜拉索和吊索的內(nèi)力增量/kN溫度影響3.1結(jié)構(gòu)受力特征主纜或斜拉索溫度變化對端吊索和最長斜拉索11

鋼混結(jié)合面位置

吊索縱向布置橋塔中心線1#、2#斜拉索之間最長斜拉索附件

矢跨比

吊跨比1/9；1/9.5；1/10；1/10.5；1/111.0；0.67；0.57；0.49

吊索剛度

加勁梁剛度平行鋼絲；鋼絲繩；E=5.0*10000MPa原設計剛度；5倍原設計剛度；10原設計剛度3.2參數(shù)影響分析鋼混結(jié)合面位置吊索縱向布置橋塔中心線矢跨比吊跨比1/121/9

1/9.51/101/10.51/113.2參數(shù)影響分析

矢跨比越小，纜力就越大，重力剛度就越大，活載作用下加勁梁的撓度就越小，但工程造價就越高（塔高降低，但主纜用量增加，錨碇規(guī)模變大）。矢跨比為1/9及1/10主橋主纜的內(nèi)力、主梁的剛度具有較為良好的效果，結(jié)合本橋的景觀考慮，本橋推薦采用1/10矢跨比。

矢跨比比選1/91/9.53.2參數(shù)影響分析矢跨比越小，纜力就越133.2參數(shù)影響分析

吊跨比比選

懸索橋活載作用下跨中1/4處撓度最大，從提高結(jié)構(gòu)剛度上考慮，將搭接區(qū)段設置在跨中1/4附近是相對合理的。當?shù)蹩绫炔捎?.57時，主纜內(nèi)力、吊索與斜拉索應力幅以及全橋剛度等較為協(xié)調(diào)，同時主纜用量與錨碇規(guī)模能夠得到相對較好的控制。經(jīng)綜合比較，本橋吊跨比推薦采用0.57。Ls/L1.00.670.570.493.2參數(shù)影響分析吊跨比比選懸索橋活載作用下跨中1/4143.2參數(shù)影響分析吊索活載內(nèi)力幅/kN斜拉索活載內(nèi)力幅

通過多種方案的比選，在斜拉段交叉設置三根吊索（方案1）即能降低長吊索內(nèi)力幅，也可以降低最長斜拉索內(nèi)力幅，故吊索縱向布置方案推薦方案1。

方案1方案2方案3方案4方案6方案5

過渡區(qū)吊索布置3.2參數(shù)影響分析吊索活載內(nèi)力幅/kN斜拉索活載內(nèi)力幅153.2參數(shù)影響分析

加勁梁剛度

提高加勁梁剛度對降低端吊索的內(nèi)力幅有一定的影響。為提高加勁梁剛度，可考慮增大鋼加勁梁截面或斜拉索區(qū)段的加勁梁采用混凝土箱梁。如果斜拉索區(qū)段的加勁梁采用混凝土箱梁，施工和施工控制難度大。故本橋斜拉區(qū)段的加勁梁采用鋼加勁梁，并可適當增加截面面積，以降低端吊索的內(nèi)力幅。

為考察斜拉段鋼加勁梁剛度對其受力，以及對斜拉索、吊索的影響，考慮如下三種方案：方案1：斜拉段鋼加勁梁原設計剛度方案2：斜拉段鋼加勁梁剛度增大5倍方案3：斜拉段鋼加勁梁剛度增大10倍

3.2參數(shù)影響分析加勁梁剛度提高加勁梁剛度對降低163.2參數(shù)影響分析

鋼混結(jié)合段位置綜合考慮設計、施工、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等，推薦方案一。

方案一：在索塔中心線附近方案二：在中跨第1、2根斜拉索之間方案三：在跨中最長斜拉索附近3.2參數(shù)影響分析鋼混結(jié)合段位置綜合考慮設計、施工、結(jié)構(gòu)173.2參數(shù)影響分析

方案2中鋼絲繩吊索彈模減小了42.5%，相應活載內(nèi)力幅降低12.2%。即降低吊索彈?？梢詼p小吊索的活載內(nèi)力幅。降低吊索的彈性模量，可以減小吊索內(nèi)力幅，斜拉索內(nèi)力幅則略有增加。鋼絲繩吊索的彈性模量比平行鋼絲的彈性模量低得多，故本橋推薦采用鋼絲繩吊索。方案1：吊索彈模E=2.0×105MPa,平行鋼絲方案2：吊索彈模E=1.15×105MPa,鋼絲繩方案3：吊索彈模E=5.0×104MPa

吊索剛度3.2參數(shù)影響分析方案2中鋼絲繩吊索彈模減小了42.183.3合理成橋狀態(tài)原則上應盡可能減小斜拉體系和懸吊體系的相互影響，包括主塔和過渡區(qū)附近的加勁梁局部彎矩和剪力；主塔兩側(cè)的斜拉索內(nèi)力水平分量應平衡；中跨鋼箱梁彎矩分布應相對均勻，絕對值盡可能?。贿吙缁炷料淞簽檫吙缧崩魈峁╁^固約束作用，其彎矩分布不作為優(yōu)化目標，其抗彎能力通過后期預應力設計實現(xiàn)；在確定主梁和主塔受彎狀態(tài)后，利用“橋梁結(jié)構(gòu)靜動力非線性分析系統(tǒng)BNLAS”確定最終的主纜成橋線形和恒載內(nèi)力。

合理成橋狀態(tài)的優(yōu)化目標和原則3.3合理成橋狀態(tài)原則上應盡可能減小斜拉體系和懸吊體系的相193.3合理成橋狀態(tài)

使用剛性支撐連續(xù)梁法，計算一次成橋階段中跨加勁梁的豎向支撐反力，用于計算相應斜拉索張拉力和吊索內(nèi)力；根據(jù)中、邊跨斜拉索內(nèi)力水平分量平衡的原則，計算邊跨斜拉索索力；根據(jù)吊索內(nèi)力計算成橋階段主纜幾何線形；重復進行非線性結(jié)構(gòu)整體計算，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整斜拉索力和主纜線形，得到相對合理的一次成橋階段的內(nèi)力狀態(tài)。根據(jù)橋梁的施工方案，在上一步的基礎上進行倒拆分析，得到橋梁合攏前的內(nèi)力狀態(tài)；分析體系轉(zhuǎn)換對成橋狀態(tài)的影響，調(diào)整斜拉索張拉力、吊索長度、主纜線形，得到符合實際情況的成橋狀態(tài)。

合理成橋狀態(tài)確定的方法3.3合理成橋狀態(tài)使用剛性支撐連續(xù)梁法，計算一次成橋階段203.3合理成橋狀態(tài)斜拉索內(nèi)力分布吊索內(nèi)力分布/kN

合理成橋狀態(tài)3.3合理成橋狀態(tài)斜拉索內(nèi)力分布吊索內(nèi)力分布/kN合21鋼加勁梁最大應力139MPa跨中主纜安全系數(shù)2.41>2.2吊索安全系數(shù)4.3>4.0邊跨主纜安全系數(shù)2.23>2.23.4整體結(jié)構(gòu)分析

總體靜力計算分析鋼加勁梁最大應力139MPa跨中主纜安全系數(shù)2.41>2.222表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位：m位置荷載豎向位移梁端L/8處L/4處3/8L處跨中處水平位移活載0.0830.4870.3690.0070.112-0.511-1.837-2.611-2.592-0.099溫升-0.33-0.792-1.099-1.204-0.266溫降0.4441.0181.3671.4850.318

在汽車活載作用下主梁最大上撓0.511m，最大下?lián)?.611m，撓跨比1/688，小于1/300的規(guī)范要求。在運營縱風、百年縱風、制動力作用下，梁端縱向位移分別為0.014m、0.028m、0.029m。在百年橫風作用下，主梁的最大橫向位移為1.892m，主梁的橫向撓跨比為1/951，主梁橫向剛度較大，滿足規(guī)范要求。3.4整體結(jié)構(gòu)分析

總體靜力計算分析表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位23一階正對稱側(cè)彎，頻率0.0576HZ一階反對稱豎彎，頻率0.1191HZ一階正對稱豎彎，頻率0.1216HZ一階正對稱扭轉(zhuǎn)，頻率0.2349HZ扭彎比＝0.2349/0.1216＝1.93。3.4整體結(jié)構(gòu)分析

動力特性一階正對稱側(cè)彎，頻率0.0576HZ一階反對稱豎彎，頻率024表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位：m3.5施工過程結(jié)構(gòu)分析

施工工序表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位25表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位：m3.5施工過程結(jié)構(gòu)分析

吊索與斜拉索特征吊索施工階段內(nèi)力變化特征斜拉索施工階段內(nèi)力變化

吊索：施工過程中吊索最小安全系數(shù)2.6，參照《公路懸索橋設計規(guī)范》（報批稿），鋼絲繩吊索在換索過程安全系數(shù)需大于2.5；斜拉索：施工過程中各斜拉索的安全系數(shù)最小值為3.9。表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位263.5施工過程結(jié)構(gòu)分析

加勁梁3.5施工過程結(jié)構(gòu)分析加勁梁27

由于斜拉段和懸吊段之間存在的剛度差異，使得斜拉懸吊過渡區(qū)段加勁梁、吊索、斜拉索的內(nèi)力幅相對較大，應當對過渡區(qū)的加勁梁、吊索、斜拉索的疲勞應力進行總體控制驗算。國內(nèi)疲勞檢算的加載次數(shù)為200萬次，最長斜拉索、端吊索的設計使用壽命一般為20年，平均每年10萬次，平均每天274.9次，即便按每天24h行車計算，每小時出現(xiàn)的工況為11.4次。如此頻繁的工況，自然不宜采用與強度驗算相同的荷載，而應選擇對斜拉索、端吊索的設計不利的加載、但經(jīng)常出現(xiàn)的工況。3.6主要構(gòu)件疲勞應力幅

概述由于斜拉段和懸吊段之間存在的剛度差異，使得斜拉懸吊過渡區(qū)283.6主要構(gòu)件疲勞應力幅

國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范均沒有針對結(jié)構(gòu)總體設計控制的疲勞加載規(guī)定。本報告根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，選取了三個疲勞荷載加載模式對組合橋梁斜拉索和吊索進行了疲勞應力幅驗算。模式I：《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范》（征求意見稿）疲勞荷載模型I；模式Ⅱ：按強度加載模式選用的6車道偏載；模式Ⅲ：參照泰州長江大橋的加載模式選用2車道加載，且考慮了9.875m的偏載。本報告認為岳陽洞庭湖二橋采用加載模式I的加載模式對斜拉索、吊索及加勁梁的總體疲勞應力進行控制是適合的。

加載模式3.6主要構(gòu)件疲勞應力幅國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范均沒有針對結(jié)構(gòu)29

在各疲勞荷載加載工況下，斜拉索的應力幅小于250MPa，吊索的應力幅小于150MPa，加勁梁的最大應力幅為65MPa。在推薦的疲勞加載荷載（疲勞荷載I）下，斜拉索的應力幅為78Mpa，吊索的應力幅為57Mpa，加勁梁的疲勞應力幅為24Mpa。3.6主要構(gòu)件疲勞應力幅

主要構(gòu)件最大疲勞應力幅/MPa構(gòu)件模式I疲勞荷載I模式Ⅱ6車道偏載模式Ⅲ2車道偏載斜拉索#4878.1209.5168.9#4774.7201.1162.2#4679.1213.5172.2#4564.7172.0138.7吊索#156.8144.7116.6#240.699.079.9#334.382.466.4#429.270.356.6加勁梁23.565.139.2在各疲勞荷載加載工況下，斜拉索的應力幅小于250MPa，303.7動力特性參數(shù)分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)和Selberg公式，可知鋼箱單跨吊方案的顫振臨界風速為57.1m/s，而組合橋梁顫振臨界風速為64.6m/s，較前者高13.1%?？梢姶罂缍冉M合橋梁在抗風穩(wěn)定性方面較懸索橋方案具有明顯優(yōu)越性。3.7動力特性參數(shù)分析根據(jù)結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)和Selb31

論證了新型橋型方案的可行性，為方案可實施性提供了技術(shù)支撐，是新型斜拉-懸吊組合橋梁的一次大膽的嘗試，為技術(shù)進步和能夠為類似研究提供借鑒。研究分析了斜拉-懸吊組合橋梁剛度性能、活載影響線、溫度影響，系統(tǒng)研究了斜拉-懸吊組合橋梁的力學性能；首次對斜拉-懸吊組合橋梁的矢跨比、吊跨比、過渡區(qū)吊索布置方式、加勁梁剛度、吊索彈性模量等進行了參數(shù)研究，為合理的結(jié)構(gòu)布置奠定了基礎；擬定了合理成橋狀態(tài)的實施步驟，制定了施工工序，驗證了方案的可實施性；收集、調(diào)研了目前總體疲勞的荷載模型計算方法，經(jīng)初步論證，確定了岳陽洞庭湖二橋的疲勞荷載模型。研究了疲勞控制的主要構(gòu)件的應力幅，確定了合理構(gòu)造，保證了結(jié)構(gòu)總體疲勞滿足相關要求。4主要創(chuàng)新點

論證了新型橋型方案的可行性，為方案可實施性提供了技術(shù)支撐，325項目工作情況

項目起止年限2010.1-2011.2完成單位橋梁勘察設計處項目負責人崔劍峰、劉榕項目主要參加人結(jié)構(gòu)優(yōu)化比選：崔劍峰、劉榕、廖建宏、王甜、劉海波。結(jié)構(gòu)分析：張晉瑞、戴小東、朱朝銀、李程、楊勇祥、鄒德強。資料分析、報告編制：劉榕、廖建宏、崔劍峰、趙金和、劉海波。5項目工作情況項目起止年限2010.1-2011.2完成3310項目工作情況

項目經(jīng)費決算表收入支出科目計劃數(shù)

（萬元）科目金額（萬元）合計100

合計81.63院科技開發(fā)費100差費2.13住宿費2.07應酬費0.72辦公費1.49民工費7.66

材料費5.69

其它3.36

車耗費10.46

工資48.0510項目工作情況項目經(jīng)費決算表收入支34謝謝大家！謝謝大家！35匯報內(nèi)容1.引言2.關鍵技術(shù)和技術(shù)路線3.主要研究成果4.主要創(chuàng)新點5.項目工作情況匯報內(nèi)容1.引言361.

引言

岳陽洞庭湖二橋是杭瑞國家高速公路臨湘至岳陽公路的控制工程。根據(jù)特殊的建設條件，岳陽洞庭湖二橋初步設計推薦采用1800m斜拉-懸吊組合橋梁方案。斜拉懸吊組合橋梁是在斜拉橋和懸索橋的基礎上發(fā)展而來的一種新型纜索承重橋梁，它把懸索橋和斜拉橋這兩種橋型結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，較大程度的提高了大跨度橋梁的跨越能力，自身的剛度以及橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，具有較好的結(jié)構(gòu)性能和顯著的經(jīng)濟效益。目前尚沒有真正意義上實施的現(xiàn)代化斜拉-懸吊組合橋梁，因此，為確保岳陽洞庭湖二橋的順利實施，有必要針對此新型橋型方案的結(jié)構(gòu)體系、受力性能、抗風性能、成橋狀態(tài)、施工方案、疲勞性能等進行系統(tǒng)研究。1.1研究背景1.引言岳陽洞庭湖二橋是杭瑞國家高速公路臨湘至岳陽371.2項目概況岳陽洞庭湖二橋斜拉-懸吊組合橋梁跨徑組成：（50＋3×60＋80+1800＋80＋3×60+50）m

1.2項目概況岳陽洞庭湖二橋斜拉-懸吊組合橋梁跨徑組成：381.2項目概況1.2項目概況391.3斜拉-懸吊組合橋梁的發(fā)展斜拉—懸吊組合橋梁最初在19世紀初由法國工程師提出羅勃林體系——布魯克林大橋（1883）

迪辛格體系——德國易北河（1938）序號橋名所在地橋跨布置狀況1Brooklyn橋美國286m+486m+286m1883年建成2漢堡易北河橋德國主跨753m方案設計3大貝爾特橋丹麥400m+1500m+400m方案設計4直布羅陀海峽橋摩洛哥2000m+5000m+5000m+2000m方案設計5MessinaStrait橋意大利主跨3300m方案設計6Beauharnois橋加固加拿大54.48m+176.78m+54.48m1988年完成加固7Salazar橋加固葡萄牙483m+1014m+483m，公鐵兩用1992年完成加固8廣東伶仃洋東橋中國319m+1400m+319m方案設計9大連灣跨海大橋中國263m+800m+263m方案設計10輕津海峽橋日本2000m+4000m+4000m+2000m方案設計1.3斜拉-懸吊組合橋梁的發(fā)展斜拉—懸吊組合橋梁最初在19401.4結(jié)構(gòu)特點活載撓度小，剛度大。靜力性能與同跨徑的懸索橋相比動力性能基頻高，顫振臨界風速高，抗風性能好。經(jīng)濟性

跨徑越大越能體現(xiàn)斜拉-懸吊組合橋梁優(yōu)越性。與懸索橋相比，斜拉-懸吊組合橋梁的懸吊長度顯著減小，可大大降低主纜的鋼材用量和錨碇規(guī)模，降低了錨碇施工的困難和風險。斜拉段的部分加勁梁可使用混凝土梁，充分利用混凝土的抗壓強度，達到節(jié)約鋼材的目的。1.4結(jié)構(gòu)特點活載撓度小，剛度大。靜力性能與同跨徑的懸索橋412.關鍵技術(shù)和技術(shù)路線⒈斜拉-懸吊組合橋梁由斜拉子體系和懸吊子體系組成，兩個子體系的結(jié)構(gòu)剛度不同。如何處理兩體系間的剛度匹配，實現(xiàn)剛度的平順過渡或結(jié)合，降低其不利影響，是斜拉-懸吊組合橋梁結(jié)構(gòu)設計的關鍵技術(shù)。⒉斜拉-懸吊組合橋梁的兩體系間存在相互影響，結(jié)構(gòu)行為更為復雜，成橋恒載階段的受力狀態(tài)設計不同于斜拉橋結(jié)構(gòu)和懸索橋結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的特點和施工過程來選擇斜拉索的張拉力和吊索的無應力安裝長度，確定結(jié)構(gòu)的成橋狀態(tài)，盡量降低兩體系間的相互影響。⒊在斜拉懸吊過渡區(qū)附近的加勁梁內(nèi)力和變形同時受到斜拉子體系和懸吊子體系的影響，各種荷載作用下受力復雜，安全性需進行評估。同時，過渡區(qū)附近的吊索和斜拉索因體系剛度差異會產(chǎn)生較高的交變內(nèi)力幅，需要分析研究其疲勞安全性能。⒋斜拉橋和懸索橋的施工方法不同，如何協(xié)調(diào)斜拉-懸吊組合橋梁中兩子體系的施工，并評估其施工過程監(jiān)測和控制的可行性，保證兩種結(jié)構(gòu)體系均勻過渡，從而實現(xiàn)合理的成橋目標，需要進行評估驗算。關鍵技術(shù)2.關鍵技術(shù)和技術(shù)路線⒈斜拉-懸吊組合橋梁由斜拉子體422.關鍵技術(shù)和技術(shù)路線⒈定性分析了斜拉-懸吊組合橋梁的結(jié)構(gòu)行為和受力特征。⒉對斜拉-懸吊組合橋梁的若干關鍵參數(shù)進行了比較分析，用于確定合理的結(jié)構(gòu)布置和合理的橋型方案。⒊確定了斜拉-懸吊組合橋梁合理成橋狀態(tài)的設計準則和方法步驟，得到較合理的斜拉-懸吊組合橋梁成橋內(nèi)力狀態(tài)。⒋對洞庭湖二橋的斜拉-懸吊組合橋梁方案進行了結(jié)構(gòu)整體計算分析，驗算了主要構(gòu)件的受力、位移等。

5.對斜拉-懸吊組合橋梁的施工過程進行了計算分析，討論了斜拉-懸吊組合橋梁方案的施工可實施性。

6.針對疲勞問題較突出的斜拉索、吊索和加勁梁，采用不同的疲勞荷載進行驗算，討論了大跨度橋梁整體疲勞驗算荷載選擇的方法和可行性。技術(shù)路線2.關鍵技術(shù)和技術(shù)路線⒈定性分析了斜拉-懸吊組合橋梁43與同跨徑的懸索橋方案進行比較分析：組合橋梁縱向位移僅為常規(guī)單跨懸索橋的15%，而縱向基頻提高了3.46倍；在活載作用下，組合橋梁的豎向位移僅為常規(guī)單跨懸索橋的60%。在百年橫風作用下，組合橋梁的橫向位移僅為常規(guī)單跨懸索橋的61%。組合橋梁扭轉(zhuǎn)頻率比常規(guī)單跨懸索橋扭轉(zhuǎn)頻率高約20.7%3主要研究成果3.1結(jié)構(gòu)受力特征——結(jié)構(gòu)剛度活載豎向撓度/m與同跨徑的懸索橋方案進行比較分析：3主要研究成果3.1443.1結(jié)構(gòu)受力特征

過渡區(qū)吊索和斜拉索影響線相反，吊索與斜拉索共同分擔活載，有利于減小變形，提高結(jié)構(gòu)活載剛度。（過渡區(qū)吊索、斜拉索應力幅較大的表現(xiàn)）在過渡區(qū)段，加勁梁的影響區(qū)沒有明顯變化，一定程度上說明兩體系間剛度過渡是比較均勻的。（加勁梁不存在剛度變化過快的問題）活載影響線3.1結(jié)構(gòu)受力特征過渡區(qū)吊索和斜拉索影響線相反，吊453.1結(jié)構(gòu)受力特征

主纜或斜拉索溫度變化對端吊索和最長斜拉索的內(nèi)力影響最大。主纜溫升時，斜拉索的內(nèi)力增加，吊索內(nèi)力減?。恍崩鳒厣龝r，斜拉索的內(nèi)力減小，吊索內(nèi)力增加；系統(tǒng)整體溫度變化時，斜拉索、吊索的內(nèi)力會因為上述因素的綜合作用而抵消一部分。主纜升溫引起斜拉索和吊索的內(nèi)力增量/kN斜拉索升溫引起斜拉索和吊索的內(nèi)力增量/kN溫度影響3.1結(jié)構(gòu)受力特征主纜或斜拉索溫度變化對端吊索和最長斜拉索46

鋼混結(jié)合面位置

吊索縱向布置橋塔中心線1#、2#斜拉索之間最長斜拉索附件

矢跨比

吊跨比1/9；1/9.5；1/10；1/10.5；1/111.0；0.67；0.57；0.49

吊索剛度

加勁梁剛度平行鋼絲；鋼絲繩；E=5.0*10000MPa原設計剛度；5倍原設計剛度；10原設計剛度3.2參數(shù)影響分析鋼混結(jié)合面位置吊索縱向布置橋塔中心線矢跨比吊跨比1/471/9

1/9.51/101/10.51/113.2參數(shù)影響分析

矢跨比越小，纜力就越大，重力剛度就越大，活載作用下加勁梁的撓度就越小，但工程造價就越高（塔高降低，但主纜用量增加，錨碇規(guī)模變大）。矢跨比為1/9及1/10主橋主纜的內(nèi)力、主梁的剛度具有較為良好的效果，結(jié)合本橋的景觀考慮，本橋推薦采用1/10矢跨比。

矢跨比比選1/91/9.53.2參數(shù)影響分析矢跨比越小，纜力就越483.2參數(shù)影響分析

吊跨比比選

懸索橋活載作用下跨中1/4處撓度最大，從提高結(jié)構(gòu)剛度上考慮，將搭接區(qū)段設置在跨中1/4附近是相對合理的。當?shù)蹩绫炔捎?.57時，主纜內(nèi)力、吊索與斜拉索應力幅以及全橋剛度等較為協(xié)調(diào)，同時主纜用量與錨碇規(guī)模能夠得到相對較好的控制。經(jīng)綜合比較，本橋吊跨比推薦采用0.57。Ls/L1.00.670.570.493.2參數(shù)影響分析吊跨比比選懸索橋活載作用下跨中1/4493.2參數(shù)影響分析吊索活載內(nèi)力幅/kN斜拉索活載內(nèi)力幅

通過多種方案的比選，在斜拉段交叉設置三根吊索（方案1）即能降低長吊索內(nèi)力幅，也可以降低最長斜拉索內(nèi)力幅，故吊索縱向布置方案推薦方案1。

方案1方案2方案3方案4方案6方案5

過渡區(qū)吊索布置3.2參數(shù)影響分析吊索活載內(nèi)力幅/kN斜拉索活載內(nèi)力幅503.2參數(shù)影響分析

加勁梁剛度

提高加勁梁剛度對降低端吊索的內(nèi)力幅有一定的影響。為提高加勁梁剛度，可考慮增大鋼加勁梁截面或斜拉索區(qū)段的加勁梁采用混凝土箱梁。如果斜拉索區(qū)段的加勁梁采用混凝土箱梁，施工和施工控制難度大。故本橋斜拉區(qū)段的加勁梁采用鋼加勁梁，并可適當增加截面面積，以降低端吊索的內(nèi)力幅。

為考察斜拉段鋼加勁梁剛度對其受力，以及對斜拉索、吊索的影響，考慮如下三種方案：方案1：斜拉段鋼加勁梁原設計剛度方案2：斜拉段鋼加勁梁剛度增大5倍方案3：斜拉段鋼加勁梁剛度增大10倍

3.2參數(shù)影響分析加勁梁剛度提高加勁梁剛度對降低513.2參數(shù)影響分析

鋼混結(jié)合段位置綜合考慮設計、施工、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等，推薦方案一。

方案一：在索塔中心線附近方案二：在中跨第1、2根斜拉索之間方案三：在跨中最長斜拉索附近3.2參數(shù)影響分析鋼混結(jié)合段位置綜合考慮設計、施工、結(jié)構(gòu)523.2參數(shù)影響分析

方案2中鋼絲繩吊索彈模減小了42.5%，相應活載內(nèi)力幅降低12.2%。即降低吊索彈?？梢詼p小吊索的活載內(nèi)力幅。降低吊索的彈性模量，可以減小吊索內(nèi)力幅，斜拉索內(nèi)力幅則略有增加。鋼絲繩吊索的彈性模量比平行鋼絲的彈性模量低得多，故本橋推薦采用鋼絲繩吊索。方案1：吊索彈模E=2.0×105MPa,平行鋼絲方案2：吊索彈模E=1.15×105MPa,鋼絲繩方案3：吊索彈模E=5.0×104MPa

吊索剛度3.2參數(shù)影響分析方案2中鋼絲繩吊索彈模減小了42.533.3合理成橋狀態(tài)原則上應盡可能減小斜拉體系和懸吊體系的相互影響，包括主塔和過渡區(qū)附近的加勁梁局部彎矩和剪力；主塔兩側(cè)的斜拉索內(nèi)力水平分量應平衡；中跨鋼箱梁彎矩分布應相對均勻，絕對值盡可能??；邊跨混凝土箱梁為邊跨斜拉索提供錨固約束作用，其彎矩分布不作為優(yōu)化目標，其抗彎能力通過后期預應力設計實現(xiàn)；在確定主梁和主塔受彎狀態(tài)后，利用“橋梁結(jié)構(gòu)靜動力非線性分析系統(tǒng)BNLAS”確定最終的主纜成橋線形和恒載內(nèi)力。

合理成橋狀態(tài)的優(yōu)化目標和原則3.3合理成橋狀態(tài)原則上應盡可能減小斜拉體系和懸吊體系的相543.3合理成橋狀態(tài)

使用剛性支撐連續(xù)梁法，計算一次成橋階段中跨加勁梁的豎向支撐反力，用于計算相應斜拉索張拉力和吊索內(nèi)力；根據(jù)中、邊跨斜拉索內(nèi)力水平分量平衡的原則，計算邊跨斜拉索索力；根據(jù)吊索內(nèi)力計算成橋階段主纜幾何線形；重復進行非線性結(jié)構(gòu)整體計算，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整斜拉索力和主纜線形，得到相對合理的一次成橋階段的內(nèi)力狀態(tài)。根據(jù)橋梁的施工方案，在上一步的基礎上進行倒拆分析，得到橋梁合攏前的內(nèi)力狀態(tài)；分析體系轉(zhuǎn)換對成橋狀態(tài)的影響，調(diào)整斜拉索張拉力、吊索長度、主纜線形，得到符合實際情況的成橋狀態(tài)。

合理成橋狀態(tài)確定的方法3.3合理成橋狀態(tài)使用剛性支撐連續(xù)梁法，計算一次成橋階段553.3合理成橋狀態(tài)斜拉索內(nèi)力分布吊索內(nèi)力分布/kN

合理成橋狀態(tài)3.3合理成橋狀態(tài)斜拉索內(nèi)力分布吊索內(nèi)力分布/kN合56鋼加勁梁最大應力139MPa跨中主纜安全系數(shù)2.41>2.2吊索安全系數(shù)4.3>4.0邊跨主纜安全系數(shù)2.23>2.23.4整體結(jié)構(gòu)分析

總體靜力計算分析鋼加勁梁最大應力139MPa跨中主纜安全系數(shù)2.41>2.257表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位：m位置荷載豎向位移梁端L/8處L/4處3/8L處跨中處水平位移活載0.0830.4870.3690.0070.112-0.511-1.837-2.611-2.592-0.099溫升-0.33-0.792-1.099-1.204-0.266溫降0.4441.0181.3671.4850.318

在汽車活載作用下主梁最大上撓0.511m，最大下?lián)?.611m，撓跨比1/688，小于1/300的規(guī)范要求。在運營縱風、百年縱風、制動力作用下，梁端縱向位移分別為0.014m、0.028m、0.029m。在百年橫風作用下，主梁的最大橫向位移為1.892m，主梁的橫向撓跨比為1/951，主梁橫向剛度較大，滿足規(guī)范要求。3.4整體結(jié)構(gòu)分析

總體靜力計算分析表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位58一階正對稱側(cè)彎，頻率0.0576HZ一階反對稱豎彎，頻率0.1191HZ一階正對稱豎彎，頻率0.1216HZ一階正對稱扭轉(zhuǎn)，頻率0.2349HZ扭彎比＝0.2349/0.1216＝1.93。3.4整體結(jié)構(gòu)分析

動力特性一階正對稱側(cè)彎，頻率0.0576HZ一階反對稱豎彎，頻率059表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位：m3.5施工過程結(jié)構(gòu)分析

施工工序表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位60表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位：m3.5施工過程結(jié)構(gòu)分析

吊索與斜拉索特征吊索施工階段內(nèi)力變化特征斜拉索施工階段內(nèi)力變化

吊索：施工過程中吊索最小安全系數(shù)2.6，參照《公路懸索橋設計規(guī)范》（報批稿），鋼絲繩吊索在換索過程安全系數(shù)需大于2.5；斜拉索：施工過程中各斜拉索的安全系數(shù)最小值為3.9。表6?7鋼箱梁主要節(jié)點位移單位613.5施工過程結(jié)構(gòu)分析

加勁梁3.5施工過程結(jié)構(gòu)分析加勁梁62

由于斜拉段和懸吊段之間存在的剛度差異，使得斜拉懸吊過渡區(qū)段加勁梁、吊索、斜拉索的內(nèi)力幅相對較大，應當對過渡區(qū)的加勁梁、吊索、斜拉索的疲勞應力進行總體控制驗算。國內(nèi)疲勞檢算的加載次數(shù)為200萬次，最長斜拉索、端吊索的設計使用壽命一般為20年，平均每年10萬次，平均每天274.9次，即便按每天24h行車計算，每小時出現(xiàn)的工況為11.4次。如此頻繁的工況，自然不宜采用與強度驗算相同的荷載，而應選擇對斜拉索、端吊索的設計不利的加載、但經(jīng)常出現(xiàn)的工況。3.6主要構(gòu)件疲勞應力幅

概述由于斜拉段和懸吊段之間存在的剛度差異，使得斜拉懸吊過渡區(qū)633.6主要構(gòu)件疲勞應力幅

國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范均沒有針對結(jié)構(gòu)總體設計控制的疲勞加載規(guī)定。本報告根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，選取了三個疲勞荷載加載模式對組合橋梁斜拉索和