（土木工程专业论文）ED桥梁结构概念设计.pdf

殛、巴整耋申请砒学位论文摘要 摘要 桥梁概念设计是桥梁设计过程中的重要阶段，当前越米越受到桥梁设计师的重视。桥梁 概念设计是一个四维过程，主要处理结构型式，力学分析，构造及施工，整体景观四个方面 的相互关系。通过综合考虑四个方面的因素，可得到最佳的概念设计方案。 e d 桥由于具有优美的造型、优越的结构性能、良好的经济性，是近年发展非常迅速的 一种新桥型。本文是应用概念设计原则，关t - e d 桥概念设计的研究和学习工作总结。通 过对e - d 桥的特点研究，可得到一些设计参数和设计构思可供实际的设计工作参考。本文 的主要研究工作表现在如下几个方面： 首先对e - d 桥的发展历史作了研究，主要是介绍e - d 桥概念的产生原因，桥梁工作者 如何将新的设计概念和构造措施引入e - d 桥中，以及e - d 桥最新的发展动态和将来可能发 展方向。 其次通过对己建e d 桥的总体布置和结构体系方面详细研究，总结出e d 桥结构挫体 布置参数的合理取值范围。同时，通过研究主梁与拉索的竖向刚度比与拉索的竖向荷载分担 率和拉索的最大应力变幅之间的关系，从整体上把握e d 桥的结构特性。 再次讨论了e - d 桥结构的各组成部分：主梁体系，索塔体系。拉索体系的力学特点和 主要构造方法。研究了e d 桥的重要特征构造，详细讨论了鞍座，拉索锚固点，塔梁结合 部，混合梁连接处等的设计构思与构造措施。 最后，以m e n n 设计的s u n n i b e r g 桥为例，介绍了概念设计的主要方法与过程。 关键词：e d 桥；概念设计；结构体系；结构性能；主梁体系；索塔体系：拉索体系；关 键构造 作者：杨鸿波 唆妻要申请坝士i学位论文r a b s t r a c t a b s t r a c t c o n c e p t u a ld e s i g ni sv e r yi m p o r t a n ti nd e s i g n i n gb r i d g e s ，w h i c hi s a t t a c h e d i m p o r t a n c es t e pb ys t e p t h ec o n c e p t u a ld e s i g ni s af o u r - d i m e n s i o nc o u r s e ，w h i c h m a i n l yd e a l s w i t ht h e r e l a t i o n s h i p s o fs t r u c t u r a l f o r m s ，m e c h e n i c a la n a l y s i s ， c o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n dt h er e l a t i o n s h i po ft h es t r u c t u r et ot h es i t e s y n t h e t i c a l l y c o n s i d e r i n gt h ef a c t o r so ft h ef o u ra s p e c t s ，t h eb e s tc o n c e p t u a ld e s i g nb l u ep r i n tw o u l d b ec o m ei n t ob e i n g e x t r a d o s e db r i d g e sa r ean e ws t y l eo fb r i d g e sd e v e l o p e dq u i c k l yi nr e c e n ty e a r s ， a si th a sa ne l e g a n ts c u l p t u r e ，p e r f e c ts t r u c t u r ep e r f o r m a n c e sa n df a s c i n a t i n ge c o n o m y i nt h i s p a p e rs o m ec o n c e p t u a ld e s i g ng u i d e l i n e s a r ea p p l i e dt od or e s e a r c ho n e x t r a d o s e db r i d g e s t h r o u g ht h er e s e a r c h ，s o m ep r o p e rd e s i g np a r a m e t e r sa n da d v i c e s a r eb r o n g h tf o r w a r d ，w h i c hm a yb eu s e di np r a c t i c a ld e s i g n s t h ef o l l o w i n gs h o w s s e v e r a la s p e c t so ft h er e s e a r c hi nd e t a i l s ： f i r s t l y , t h ed e v e l o p i n gh i s t o r yo fe x t r a d o s e db r i d g e s i sc o n c l u d e d ，i n c l u d i n gw h y t h ec o n c e p t so fe x t r a d o s e db r i d g e sc a nc o m ei n t ob e i n g , h o wb r i d g er e s e a r c h e r s a c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n t so ft h en e ws t y l eo fb r i d g e s ，t h el a t e s ts t a t e sa n dt h e p o s s i b l ed e v e l o p i n gf u t u r e s s e c o n d l y , c o m p r e h e n s i v es u r v e yo ft h i sk i n do fb r i d g e s i sp r e s e n t e d s o m ep r o p e r r a n g eo fd e s i g np a r a m e t e r si sp r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，t h er e l a t i o n so ft h er a t i oo f g i r d e rs t i f f n e s sa n dc a b l es t i f f n e s s ，t h el i v el o a dc a r r i e db yc a b l e s ，a n dt h es t r e s sr a n g e o fc a b l e sw o u l db ed i s c u s s e d ，w h i c ha r ec o r r e l a t e dt os t r u c t u r a l p r o p e r t yo f e x t r a d o s e db r i d g e s t h i r d l y , t h es t r u c t u r a lb e h a v i o ra n dt h ec o n s t r u c t i o nm e a s u r eo fb r i d g ee l e m e n t s i n c l u d i n gt h eg i r d e r , t o w e r , a n dc a b l ea r ei n v e s t i g a t e d i m p o r t a n ts t r u c t u r ed e t a i l so f e x t r a d o s e db r i d g e s ，i n c l u d i n gs a d d l e s ，f i x a t i o ns p o t so fc a b l e s t a y e da n c h o r s ，j o i n t so f p y l o n sa n dg i r d e r sa n d c o m b i n a t i o no fm i xg i r d e r sa r ea l s oc o n d u c t e d f i n a l l y , t h em a j o rm e t h o da n dp r o c e s so fc o n c e p t u a ld e s i g ni sd i s c u s s e dt h r o u 【g h c o n c e p t u a ld e s i g no ft h es u n n i b e r gb r i d g ei ns w i t z e r l a n d k e yw o r d s e x t r a d o s e db r i d g e ；c o n c e p t u a ld e s i g n ；s t r u c t u r a ls y s t e m ：s t r u c t u r a l b e h a v i o r ：g i r d e rs y s t e m ；t o w e rs y s t e m ：c a b l es y s t e m ；s t r u c t u r ed e t a i l s 作者：杨鸿波 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 知：呜c 建 ，u 厂年4 月萨f 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果1 i 包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：如鸿秽 护、年4 月户。日 唑垡申请硕十学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 从桥梁的发展历史看，从远占时代最初的独木桥和石桥，到现代的跨海大桥，桥梁都 是在履行公共设施的职责，正是因为其特殊性，所以它具有建筑和结构的两重特性，相对而 言桥梁_ l = 程规模较大，用途单一，可以归为结构物经过精心设计的桥梁，大多成为重要的 景观，因此又可以纳入公共建筑的范围。正是因为桥梁的特殊性，使桥梁设计师在设计桥梁 时要担负建筑师和结构师的双重责任。尤其是在概念设计阶段不仅要考虑结构体系总体情 况，还要考虑桥梁与环境的关系。 从桥梁结构体系发展历史看，桥梁结构体系可以归纳为三种基本体系：粱式承重体系， 拱式承重体系，缆索承重体系，以及在这三种基本体系基础上发展与组合的协作体系。在梁 式桥梁中，主梁是承重构件，在竖向荷载的作用下，结构产生的弯矩由主梁承担，所以要求 主梁具有优越的抗弯性能因此在桥梁的跨越能力受到限制；拱式桥在竖向荷载作用下拱肋 或拱圈承受压力和弯矩，并且通过拱肋或拱圈将竖向荷载变为横向的推力，因此在桥墩或桥 台处，将承受巨大的推力，但这种水平推力可以减小拱肋或拱圈的弯矩，因此拱桥具有可以 较大的跨越能力，如果地质条件和环境条件允许，修建拱桥是理想的选择。还有就是介于二 者之间的刚架桥，由于作用在其上的竖向荷载主要还是由主梁承担，在此可归为梁式桥。缆 索承重桥梁主要包括斜拉桥和悬索桥。在此类桥梁中竖向荷载由主要缆索承担。力的传递方 式来说，缆索承重体系是传力路径最明确的结构体系，并且这种体系的跨越能力巨大，特别 是悬索桥，其跨度可达3 0 0 0 m 以上，斜拉桥是跨越能力较大的桥梁，目前的苏通长江大桥 跨度已突破1 0 0 0 m ，但相对来说缆索承重体系的桥梁造价还是比较高，为了解决这个问题， 桥梁设计师以协作体系作为发展方向推动了桥梁结构体系的发展。其中以斜拉索和连续梁组 成的e x t r a d o s e db r i d g e ( 文中简称为e - d 桥) 就是近年发展非常迅速的新桥型，并且在应 用过程中经过不断的引入新的概念和构造方法，使其成为当前最具活力的桥型之一。 “意为行先”，在桥梁设计过程中，首先的确定桥梁整体的布置，与周嗣环境的关系， 等概念性的内容，然而这些概念性的设计要点是设计师通过认真分析与经验总结的结果，因 此在设计之初就得充分了解所拟建桥型的历史、结构体系特点与特征构造等方面的内容。 从设计大师罗伯特马亚尔先生到概念设计大师林同炎先生，c m e n n 先生他们都是概念 设计的先驱对结构设计他们主张分析简化到极简单的概念，并且非常重视桥梁与周围环境 的协调统一，因此本文中的许多观点源白概念设计大师林同炎先生，c m e n n 先生，设计人 师罗伯特马亚尔先生。 1 2 概念设计 早期的设计是凭直觉和经验进行的。亚历山大在他的早期名著形式合成纲要( 1 9 6 4 年) 中，区分了原始的，民间的建造过程与职业设计师的活动，并很有创见地称前者为“无 意识设计”，后者为“有意识设计”。在无意识设计中，工匠对所需要的结果没有存在事先 的设想，严格地说，它并不包括一种设计活动，而是一种t 匠按传统做法进行营建的过程， 丁匠在此过程中并没有在建造成果中有意识地介入其主观因素。当然，在漫长的时间内也会 对原有类型进行微小的改动，它通过相当长的时间根据环境的变化而演进，变得更加适应需 要。这种营建方式对应于需求长期保持不变的情况。有意识设计是一种有着与众不同意图的 设计，在这个设计过程中，个人的主观阏素有愈识地介入了设计问题与设计结果之间。臼然， 作肯：杨鸿波 唆盎j 申请坝j ：学位论文 第一章绪论 这样的设计活动必级是由一些经过职业训练的设计师米进行。由此设计师的设计意幽可以在 他所设计的作品中得到体现。 概念设计由g p a u l & w b e i t z 于1 9 8 4 年在其( e n g i n e e r i n g d e s i g n ) 一* 中提出，自此许 多学者开始以这一名词定义设计方案的初始阶段。并且广泛应用于机械，电子，军事，建筑， 土木工程等领域，对桥梁建筑设计而言，在这阶段在这个阶段，桥梁的构想逐渐成形，设计 师构想的概念经过反复推敲后，成为可以表现的雏形，这是构思与形象之间且为形成的一个 复杂的矛盾过程。这个阶段设计师的任务就是要完成下列各项上作：对桥梁的主要内容，包 括功能和形式的安排有个大概的布局和设想：要处理和考虑桥梁和周围环境的关系，桥梁的 总体的布置，在城市桥梁中要根据周围环境的现状和发展的可能性，处理好桥梁对邻近建筑 及周围环境的影响，是否适应未米城市交通或城市其他功能的发展等；接卜来还要解决桥梁 内部各种组成部分的合理布置，然后是否满足整体视觉要求、艺术效果；此外，对桥梁结构 而言设计师在结构布置，分析计算( 主要是研究设计参数以获得理想的结构形式) ，截面设 计到细部处理的整个设计过程中，对所遇到的问题依据桥梁结构在各种情况下工作的一般规 律( 主要是桥梁结构专业的基础理论) ，结合实践经验，综合考虑各方面囚素，确定合理的分 析、处理方法，力求得到最为经济、合理的结构设计方案。在设计方案中设计参数、材料、 荷载的取值也不是惟一的，结构细部的处理更是不尽相同等等，这些问题都需要设计人员自 己作出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是结 构的概念设计，它存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。概念设计所要处理的问 题多种多样。但可以肯定的是，希望通过概念设计，结构能够在各种不期而遇的外部作用下 不破坏，或将破坏减小到最小程度。同时还要考虑全局性的问题，如材料的选择，施工方案 的可行性、工程概算以及主要的技术指标是否合理等。粗看起来，这个阶段涉及的内容比较 庞杂，在过程中要以宏观把握为主，有些更详细的内容可以预留给f 个阶段去补充，不能过 分陷入某个环节。概念设计是一个项目建设的雏形和成形阶段，它的准确定位对于整个项目 的成败起着关键作用，如果处理不当，在选定方案后，可能会出现较大的修改和返工。 1 2 1 影响桥梁概念设计的主要因素 工程设计都力求使方案在安全，适用，经济，美观方面具有优点。在方案构思阶段同样 力求最初的构思满足这四个方面的要求。对于桥梁而言，是功能决定结构的特殊建筑物，桥 梁满足跨越和交通功能是桥梁设计的基本要求。在此基础上必须保证结构的安全性，耐久性 和适用性。然后是设计师如何展现桥梁所独有的美学特征结构美，同时考虑桥梁的造 型、体量与色彩和周围的河流，海洋，湖泊，峡谷，其它建筑等是否协调，还有一个目前来 说最重要的问题：设计方案的经济性，它贯穿整个方案构思阶段过程，也可以说方案构思也 就是协调安全性，适用性，耐久性与经济性的矛盾过程。 拟建桥址的具体工程环境和条件如，地形，地貌，地质，气候与水文，抗震要求。通航 和跨线要求是方案构思的基础，地形条件决定桥梁的长度，桥跨的布置，桥梁的高度，是否 满足施工对场地的要求等：地貌( 水面，湖面，山区等) 决定桥梁景观与周围环境的协调； 地质条件影响墩台的位置，从而影响到桥梁的形式，桥梁的跨度，并且也决定了基础的类型， 深浅，施工的难易；气候与水文条件影响桥梁受力，跨度选取，施工条件，结构的耐久性； 抗震要求影响桥梁基础的布置与选择，支座的选择，以及构造细节的处理方式；通航或跨线 要求影响桥梁的高度，桥梁的跨度，桥梁的形式，由此可决定桥梁平面线型选取，桥梁立面 的布置。 交通量，路线等级，设计荷载结构正常使用年限等设计要求将方案构思进一步深化， 交通量影响桥梁的宽度，设计荷载的选择；路线等级影响设计荷载，设计车速，设计寿命： 作者：杨鸿波 2 盥辑柑酬l ：学位论文 _ v t “丌 申l d 口”一二1 ，t 扩v 第一章绪论 设计荷载中的计算荷载与验算荷载影响结构整体受力以及结构构造：结构正常使用年限也 就结构的耐久性问题会影响结构的构造措施，因为目前量化耐久性的设计还没有成熟只有通 过构造措施和细节设计来处理，因为桥梁一般来说所处的周围环境相对于其它的建筑( 结构) 物环境恶劣，特别是跨越海洋的桥梁，由于氯离子对混凝土侵蚀，对结构的耐久性构成极大 的威胁，由丁i e d 桥的拟建桥址处可能位丁- 这些地区，同时砼结构的耐久性问题日益突出， 虽然影响耐久性的因素包括没计，施一i ：，使心等多个方面，但如果能从最源头的设计构思开 始就注意把耐久性设计的概念引入设计中，相信对设计使用寿命返2 0 0 年的桥梁保持健康状 态会很有帮助。 制约方案构思的因素中还有就是桥梁景观设计，近期对桥梁美学的研究逐渐形成系统， 在方案构思阶段应使所选桥型的美学特征充分表达“1 。 1 2 2 桥梁概念设计的主要内容 概念设计是一个四维过程，主要处理结构型式，力学分析，构造及施工，整体景观四个 方面的内容，具体来说有以下方面： 前期准备工作 图1 概念设计的四个主要方面 工程项目在前期准备工作主要是规划，及工程的可行性研究，经过充分论证之后桥梁的 总体规划工作开始细化，其中桥位的选择是主要工作，一般来说桥位应服从线路走向，使桥 梁线路顺直，节约建设与运营费用，具体有以下一些要求：对跨越河流的桥梁，桥址处河道 比较顺直：主槽水深变化不人且主槽位置确定，河滩较窄较高，可使引线或引桥工程量较小； 河岸较高，且较平坦，使桥梁的总长不敢加大，线路工程较省，施工场地容易安排，且不受 汛期洪水影响：桥轴与河流的主要流向成正交。对跨越山谷的桥梁，桥位选择同样要以减小 工程量和方便施丁为目标，山区t 程建设还有一个值得注意的地方，就是对自然环境的保护， 虽然目前逐渐引起设计师的注意，但只有从最初的方案规划阶段就有准备才能使在斤期的建 设中得到实现，自然环境是一个系统，外加的冈素可能会破坏这个系统，摄好豹方法就是减 少对自然环境的干扰。 桥梁总体景观概念设计 桥梁作为重要的人丁建筑物，不可避免的会与人，与自然界发生联系，如何处理桥梁与 作首：杨鸿波3 馓臻枇1 , ! e 撇f i 弹位论文一 第一章绪论 他们之间的关系，就是桥梁景观设计的重要内容，在桥梁方案构思阶段在充分了解拟建桥 址处的自然环境( 森林，田园，湖泊等) 特点，和人文环境( 历史，古建筑，风土人情等) 特点方可确定结构的造型，主要色彩，桥面及人行道的色彩与图案，才能使桥梁周围自然 景观协调，同时才可以给桥梁人文精神，表达每座桥梁自身的喻意。 桥梁总体布置 这是方案构思阶段的主要内容，也是方案构思的关键，是综合分析影响方案设计的因素 的结果，主要包括两个方面：立面布置；横向布置。 桥梁的立面布置主要包括桥梁分孔，桥梁建筑高度确定，桥梁形式选择，主要构件顺桥 向布置，下结构的选择与竖向布置。桥梁分孔又称为墩位选择，桥跨布置完成桥梁的跨越功 能分区也就结束，对e - d 桥而言可以将结构分为主跨，边跨等。桥梁跨数与相邻跨的比例关 系有影响因素非常多，由外界因素与结构自身特点决定。外界因素主要包括桥址处的环境与 工程条件和设计要求等，由于影响因素众多不可能完全详尽叙述。但有一些主要因素决定是 桥跨布置关键因素。 跨越河流的和山谷的桥梁一般以奇数跨为多，这样布置结构对称，受力明确，结构外形 优美，同时可以满足跨越功能要求，也有例外情况就是跨线桥，斜拉桥和e d 桥，跨线桥利 用中间分隔带可实现两跨布置，具有较好的经济性，独塔两跨的桥梁形式在特殊情况下不仅 具有较好的经济性，也能达到与众不同的艺术效果。相同桥型，在满足设计的条件下，桥跨 布置力求投资最小。当桥梁跨越河流及海湾时，下部工程的工程量与施工难度是影响桥跨布 置重要因素，如尽量避免深水基础而采用大跨度的桥梁达到均衡设计。对于跨越较宽水 域的桥梁，但水深较小的区域，多跨布置是最佳选择。对于通航的桥跨布置一般桥梁中轴线 应与航线正交，如不能满足正交的要求，一般是采用扩大跨径的方式以减小船撞的可能性。 对跨越山谷的桥梁可能会穿越易发生泥石流和滑坡等不良地质条件地区，在桥跨只有少设桥 墩，避开这些地区：对于重要的环境保护区，为减小对环境的干扰，必须少设桥墩，而采用 较大的桥梁。当桥梁跨越道路时，充分利用道路中的中央分隔带可实现两跨或多跨布置。对 于城市桥梁，桥梁跨度受周围建筑物，水工构筑物，地下管线等影响，桥墩的布置尽量考虑 这些因素。 桥梁建筑高度包括桥桥面的高度和桥梁的总高度( 拱桥和斜拉桥等) 。跨越河流和海湾 等桥梁桥砸的建筑高度主要考虑通航静空要求，跨线桥梁桥面建筑高度主要考虑通行车辆的 高度，山区桥梁桥面建筑高度受地形，公路线路影响。周围环境是决定桥梁形式和造型的重 要原因，从而决定了桥梁建筑的体量与总体高度。 桥梁自身特点主要是指不同桥梁形式、构筑材料和结构体系决定桥跨布置。斜拉桥的边 跨与中跨比例约为0 4 ，连续粱桥大约为0 6 5 。e - d 桥约为0 5 - 0 6 ，材料决定桥梁的经济跨度 范围，与极限跨径，结构体系的特点可决定边中与中跨比例，是否适宜多跨( 大于3 跨) 布 置。 桥跨确定以后，桥梁的主梁线型，索面类型与位置基本确定。下部结构墩台选择，根据 选用基础类型，桥梁的整体造型确定。 桥梁横向布置主要包括桥面布置，桥跨主要构件的横向布置，下部结构的横向布置。桥 面布置由交通量决定，从而可决定行车道数，行车道宽度，中央分隔带宽度，人行道宽度。 进而可决定主粱的横向布置，索面的布置，墩台形式的选择。 桥梁结构概念估算与结构体系特点分析 桥梁结构概念设计是桥梁概念设计的重要内容，主要是研究所选桥型体系的力学特点 初步估算结构总体系的静力与动力性能；粗略分析比较不同结构布置结构静力与动力性能 作肯：杨鸿波 吧臆苎芋申请硕士1 学t 啦论文 u _ v l u l 一v 第一章绪论 以求得到理想的结构布置：考虑纵向跨度划分是否使结构体系具有较优的力学性能；大致确 定横粱断面与数量；分析研究主梁高度，主梁刚度，桥塔高度，拉索数量及断面大小，对于 e d 桥而言，还应分析研究组成部分塔，梁，索，墩相互联结关系，刚度比例关系等设计参 数以获得理想的结构形式；研究再结构各组成部分力学及构造特点；不同桥型所独具的特征 构造设计，如连续刚构桥采_ l f j 般薄臂墩斜拉桥边跨端设牛腿搁置过渡孔梁，e - d 桥塔丁贞设 置鞍座等。最终力求得到虽为经济、合理的结构设计方案。 施工方案的初步拟定 桥梁工程中上部结构的施工方法与桥梁体系类型联系非常密切，目前常用的施工方法有 预制装配法，架桥机架设法，支架法，悬臂施工法，转体施工法空中缆索吊法，顶推法： 对于桥墩或桥塔通常采用滑模法。 桥梁的型式基本确定后就可选用与之相应的施工方法，如e d 桥可选用悬臂法，顶推法 ( 较少采用) 等，根据拟建桥梁的特点和桥址处的工程条件，拟定施工方案，并初步论证施 工方案是否安全可行，安排大致施工流程，估算大致的工期“。 1 3e d 桥概念设计研究意义 概念设计是工程设计的重要阶段，它是一个项目建设的雏形和成形阶段，它的准确定位 对于整个项目的成败起着关键作用，如果处理不当，在选定方案后，可能会出现较大的修改 和返工。 e - d 桥为当前发展比较快的新桥型，通过对其的体系与构造特点的研究，可以提高设计 师对e - d 桥的认识，全面了解e d 桥特点。此项研究对填 b e - d 桥概念设计方面研究空白有重 要意义，并对推动后继的研究工作的开展是非常有价值的。 1 4 本文的主要研究内容 本文是关于e - d 桥概念设计研究工作总结， 点，结构各组成部分与关键构造等内容。 第一章主要介绍了桥梁概念设计方面的内容 了本文的主要研究内容。 内容涉及e d 桥的历史，部分结构体系特 并讨论了概念设计的重要意义。同时介纲 第二章主要讨论了e d 桥的发展历史，并总结了每一座部分的概念构思与技术特点。 第三章通过对以建e - d 桥的研究成果和设计、施工经验进行全面系统的总结，整理山此 类桥型的总体布置，结构体系等方面的特点归纳了对结构体系性能影响的重要参数及其取 值范围，井讨论了参数变化对结构体系力学性能的影响。e - d 桥总体结构体系方面的特点。 第四章讨论了e d 桥结构塔、粱、索等各组成部分的特点及结构的关键构造。 第五章为介纲s u n n i b e r g 桥的概念设计过程及s u n n i b e r g 桥结构体系特点讨论。 第六章为展望概念设计理论化与系统化并讨论e - d 桥的可能发展方向。 1 5 小结 本章主要介绍了概念设计的发展，桥梁概念设计的内容与意义，同时讨论了本课题的研 究意义与研究| j 容。 作肯：杨鸿波 w 。! 1 2 麓杰孑申请颇i ：学位论义 第一章e d 桥发展肼丈 2 1e d 桥历史 第二章e d 桥发展历史 2 1 1 e d 桥概念的产生 e d 桥的出现是桥梁设计理念的一次b 跃，其结合斜拉桥和连续梁桥二者的特点，创造 了一种全新的桥梁结构体系，极大的拓展了桥梁结构的发展空间。 e - d 桥的最初原型可以追溯到反拱形梁桥见图2 1 ，主梁的外形与结构的弯矩图相似， 使结构的造型新颖，受力合理。 反拱形梁 反拱形梁( 部分为空) 图2 - 1 反拱形梁桥 在e - d 桥结构体系形成历史中起到重要里程碑作用的是瑞士的g a n t e r 桥。 1 9 8 0 年， g a n t e r 桥的建成，标志着一种全新的桥梁结构体系诞生。这座具有历史意义的桥梁，是设计 大师m e n n 的杰作。1 9 7 4 年春，瓦莱州在计划辛普龙公路上建设一座新的桥梁，在此之前， 该州曾打算建一条隧道，以避开g a n t e r 山谷不良的地质条件，丁- 是便向m e n n 请教，m e n n 经过观察了现场和地质条件以后，建议修建一座桥梁，并且初步估计建设桥梁的费用大约是 隧道估价的一半，同时他起草了初步方案，并且制作了模型。 在g a n t e r 桥的设计中，m e n n 有意设计了了较大的跨度，可以避免在河流中建筑桥墩， 作者：杨鸿波 6 馘曼壹三耋申请硕悖位论文第章e d 桥发展历史 同时可以使山谷中有一个外观轻巧的结构，在初步设计构思中，他首先在山谷的北侧山坡确 定建立在坚固岩石基础上的最高桥墩的位置，下一个桥墩的位置与已有的道路取平，然后再 确定另一桥墩的位置，使主跨对称。为了解决g a a t e r 桥1 7 4 m 跨度由恒载产生的效应，必须 采用一种全新的方法来处理，于是他所用的方法是，通过斜拉索提供中间支支承，将主跨 8 7 m 悬臂主粱的截面与短跨度的粱相同。与他刚完成的弗尔森瑙桥相似，主梁截面只h l 了一 个单箱，并且用横隔板来防l p 薄肇箱形截面的过大畸变。对于高墩，m e n n 采用了单室箱型 截面其翼缘的纵向宽度从顶部的6 5 m ，增加到底部的1 0 m 。并且主梁与塔柱设计成刚性 连接m 。 图2 - 2g a n t e r 桥 作为具有里程碑意义g a n t e r 桥不论从设计构思，到结构细节设计都有明显的特点。它 集斜拉桥，刚性索，低塔三者的优点于一身，开创了一种造型出独特而且美观的新型桥梁结 构，同时它还具有：( 1 ) 与只有1 - 2 对刚性斜拉杆的p c 斜拉桥相比，它提供了较多的拉索 可对主梁提供更多的支承，缩短主梁无索区的长度从而达到降低主梁高度的目的。( 2 ) 各拉 索锚固点在塔上尤其是主梁上比较分散，减少了应力集中程度，使设计和施工都方便可行。 ( 3 ) 尺寸比较大的斜拉板和索塔、主梁相互固结形成一个三角形剐构体系，使整个斜拉桥 结构具有更大的刚度和稳定性，特别适合对刚度要求较高的铁路桥。由此许多国家开始了把 这种桥型应用于铁路桥的研究工作并且相继建成了些铁路e - d 桥。( 4 ) 由于低塔，拉索 的倾斜程度比较大因而水平分力( t s i na ) 比较大，可以更好地抵消主粱靠索塔附近梁段负 弯矩引起的拉力，可以采用等截面土梁，使设计和施工都可以得到简化，但任何事务都具有 两面性，必须辩证的来看待这种免费的预应力，当它的数值非常人的时候，会使索塔与主梁 相交部位设计和施t 变得非常困难。( 5 ) 不但克服了拉索本身振动问题，同时改善了全桥的 抗风性能。( 6 ) 刚性的扳由于高度比较人，可以抵抗板自身的自重弯矩，当然拉索的几何非 线性问题也就不存在。( 7 ) 虽然当时还未提出e d 桥的概念，但从它的力学特性和结构体 系符合e - d 桥的定义。或者是人偏心体外索预应力p c 桥的概念”。 还有一点不得不提的是，g a n t e r 桥在桥梁造型和美学达到的成就同样是后来的设计师叹 为观止的，正是m e n n 的“非常强有力的桥墩和非常狭窄的主梁之间的极端关系，将导致一 种上部结构不同寻常的设计”设计思想产生了这绝世佳作，上e 如另一位结构设计人师莱昂哈 特所说：“g a n t e r 桥以其新颖而犬h h 的结构获得理应受到的赞赏”正是旨在将技术和美学思 想结合的思想，推动桥梁结构不断创新。同时当二者结合得比较好时，这种结构就成为了艺 1 i 1 ：肯：杨鸿波 。巴上氅童。雾申请坝1 学位论文 第一常e d 桥发展历史 术品( 见图2 - 2 ) 。 由丁拦新的桥型，斜拉板虽然具有优美的造型，优良的结构性能，仍然存在一些值得改 进的地方，但设计施t 相对复杂，并且造价比较高。 时光很快流到了1 9 8 8 年，法国的结构大师j a c q u e sm a t h i v a t 在设计a r r e td a r t 6 高架桥 首次提山了e x t r a d o s e dp r e s t r e s s e db r i d g e 的概念，他的设计方案为：桥跨布置为主跨1 0 0 m 的e x t r a d o s e dp r e s t r e s s e db r i d g e 它的外形与斜拉桥1 常相似。j a c q u e sm a t h i v a t 的土要设计构 思为：跨度为l o o m 的预应力混凝土箱梁和较低的索塔固结，斜拉索不是锚固在索塔上，而 是穿过设置在索塔上的索鞍，从受力特性方面来说，斜拉索与预应力 m 凝土体外索很相似， 索鞍相当于体外索的转向块，并且这些拉索的拉应力变幅与一般的斜拉索相比大大的减少， 因而可以不考虑拉索的疲劳而提高容许拉力值，同时拉索的竖向分力可以平衡梁体的自重引 起的竖向荷载，可以达到减小主粱高度的目的，水平分力的作用与一般斜拉桥拉索水平分力 作用一样可以更好地抵消主梁靠索塔附近梁段负弯矩引起的拉力。并且结构的造型设计经过 建筑师c h a r e l e s l a v i g u n e 精心设计，使a r r e t d a r t 6 高架桥的外形非常的优美( 设计方案模 型见图2 - 3 ) ，但是非常遗憾，这个优秀的设计方案没有得到实现，否则世界上又将多一座 可以与g a n t e r 桥媲美的美丽壮观的桥梁。 j a c q u e s m a t h i v a t 的a r r 6 t d a r t 6 高架桥方案具有非常鲜明的特点，在这种桥型中，预应 力混凝土主梁为主要的承重构件，斜拉索只是承担部分的荷载，相当于除体内索之外架设 图2 - 3a r r td a r t 6 高架桥设计模型 一 广t 一 7 1 仁乏雩；荨哥 1 “ 体内索 ( a 1 ) ( b 1 )( b2 ) ( a ) 一般预应力体内索( b ) e d 坼的体外索拉索 图2 4 预应力桥体内索和体外索 大偏心的体外索达到降低主梁高度的目的，并为采用等截面主梁宦q 造条件，使设计和施l 都 作者：杨鸿波 8 体斗索 一 内 。三 俸 桊 o 、一 。 。譬 ? 盟嫩。孑申请硕士学位论义 第一章e d 桥发展垅史 可以得到简化，冈此j a c q u e sm a t h i v a t 给这种新颖的桥型命名为e x t r a d o s e dp r e s t r e s s e db r i d g e ( 见图2 3 ) 。e x t r a d o s e db r i d g e 的含义就是“超剂量”的体外索设置成大偏心的形式，使其 成为具有一般斜拉桥的外形的预应力混凝土粱桥。这种新颖桥酗的出现丰富桥梁了的造型， 使不太适合建造建筑高度很大的斜拉桥的山区，海湾有了新颖桥型，同时在不论从景观上还 是实际功能应_ i j 对建筑高度有严格限制的地区也可以修建造型新颖的e x t r a d o s e dp r e s t r e s s e d b r i d g e 。与g a n t e r 桥不同的是采用的拉索没有用池凝土外壳包起来并且采用了等截面梁， 使设计和施工的难度大大的降低，为这种桥型得到大力推广奠定了坚实的基础。( 注：本文 将此类桥统称为e - d 桥，并在以下论述中沿用这一名称) 。 与此同时m e n n 同样在e ，d 桥做了许多探索性的工作，为这种桥型的发展在注入新鲜能 量，在p o y a 桥的方案设计中由于建设地点位于古城，建筑物的高度有严格的限制综合 环境、造价、技术、美学上的因素之后，m e n n 提出了e d 桥的方案”。( 见图2 - 5 ) ，在方案 中构思中他将索塔在桥面以上的高度降低为主跨的1 0 1 5 ( 方案为1 1 4 ) ，相对而言一般 的斜拉桥的索塔的顺桥向的弯曲刚度比较小，当活载作用在桥上时，主梁将产生比较大的变 形，由于索塔的高度减小，顺桥向的刚度增加，这种不利的因素将会减小。由于主粱的变形 减小则可以增大无索区的范围。相对应的，索塔的弯矩将增大。通过恰当的的索塔高度与 索塔截面的选择后，将有可能在合理的区域内对结构加强，以抵抗由桥梁结构恒载产生的应 力。在p o y a 桥的索塔设计中通过周密细致的考虑，索塔的高度，截面，以及截面应力后， 一种全新的非常规的结构型式由此出现，并且产生了与众不同的艺术影响。 并且在这种全新的结构体系有许多创新的地方，由于荷载是直接从拉索传递到索塔，在 作者：杨鸿波 p o y a 方案立面图 图2 - 5p o y a 桥方案 蚴巴苎4 - ，雾l i 。自修学位论文 第一章e d 桥发胜历史 桥梁的总体布置方面，主跨与边跨的比例可以有别于一般的斜拉桥，可以把边跨设置成主跨 的1 2 ，而在一般的斜拉桥中这个比例是0 4 左右，并且不存在由此产生的负面影响不等 跨布置对一般的斜拉桥而言不是仅是经济是上最佳选择，同时从受力性能上能充分发挥拉索 性能，可以提高结构刚度增加结构的稳定性能。由丁这种结构的整体刚度比较人，不存在刚 度不足而引起的结构失稳可不设置控制塔顶位移和结构刚度的端锚索( 背索) 。对于p o y a 桥方案由丁采用这种结构体系使边跨等于主跨1 2 的比例成为可能，这种对称体系不论从经 济上还是从视觉上整体性上，都具有优点。同样1 常遗憾，这么绝妙的构思，没有得到实现， 但这个方案的贡献仍然是巨大的，我们可以从这方案看到m e n n 的另一惊世之作s u n n i b e r g 桥的稚形，可以说止是有了这次准备，从设计理念得到突破，促使m e l l n 在设计s u n u i b e r g 桥的时候人胆采用了e d 桥的形式。 2 1 2 e d 桥的发展 图2 6 小田原港桥 m e n n 和j a c q u e sm a t h i v a t 对e d 桥的最初探索引起了日本桥梁工程界的关注。在 j a c q u e sm a t h i v a t 提出a r r 6 td a r t 6 高架桥方案的第二年，日本的预应力混凝土专家猪股先生 率先将e d 桥的概念引入日本”1 ，随后日本构造桥梁研究所( j a p a n b r i d g e s t r u c t u r e i n s t i t u t e ， i n c ) 绸织大量的日本的桥梁学者参加了对e - d 桥的研究工作。在经过深入研究后，认为e - d 桥在技术、经济、和景观造型方面具有许多优点，于是积极开发这种桥型，在神奈川县西部 的小田原港高架桥的设计中率先采用了e d 桥并且付诸于实践，1 9 9 4 年世界上第一座e d 桥小田原港桥( o d a w a r a b l u e w a y b r i d g e ) 在日本建成( 见图2 6 ) 。从设计构思上，小田原 港桥位于海湾，对桥梁景观要求很高，建筑高度很大的斜拉桥与周围环境是不协调的，作为 一次尝试小田原港桥的桥型选择为建筑高度不大的e - d 桥。同时这种新型的桥型在结构体 系与构造上具有很多的特殊的地方，从结构体系上小田原港桥已不是完全意义的缆索承重体 系，拉索的作用只是大偏心体外索的作用，用米平衡支点负弯矩，降低一般刚构桥或连续梁 桥主梁及支点梁高的作用“。在结构分体系和构造方面也独具特点。首先是拉索，它不 同于瑞士的g a n t e r 桥，在g a n t e r 桥中，拉索是不能更换的，而在小田原港桥考虑了不可预 料事件( 火灾，乍辆冲撞) 发生条件f 能够更换拉索，同叶为了在低塔的情况f 使斜拉索的 偏心量尽量大，拉索住索塔上没有采用锚同的方式而是采州鞍库的形式。( 见图具体的细部 作者：杨鸿波 曼总三。耋中i 自砒学位论文第二章e d 桥发展历史 构造将在第四章中讨论) ，拉索的竖向分力比较小，因此由活载引起的拉索应力变化幅值只 有一般斜拉桥的1 3 1 4 ，冈此e d 桥拉索的一个显著特点是拉索的容许应力不是一般斜拉 桥的0 4r 而采用了0 6r ，在日本的规范中外加预虑力量p c 桥预应力索的容许应力为 0 6 5 ，欧洲规范为o 7 2r 一，冈此可以说e d 桥的受力性能与连续梁挢更接近。由于索塔 的高度较低刚度较人因此可以设置成独柱的形式。主梁由丁- 某种原阅有了外部索的帮助， 因此可以降低的主梁的高度，同时可以实现等截面主梁( 只在支点部分为变截而) 这样就可 以达到方便施工，和降低造价目的。在建设过程中建设者对此桥作了非常细致的经济分析， 建设费用比斜拉桥低2 0 ，上部结构结构比连续粱桥贵2 0 ，但由于主梁施工采用等截面， 梁高降低，自重减轻，从节省工期，肖约卜+ 部结构取得的综合经济效益，完全可以弥补上部结 构所多用费用。 正是由于小田原港桥( o d a w a r ab l u ew a yb r i d g e ) 在经济、技术、丰富桥梁造型方面取 得了极大的成功，日本开始积极推广这种新型的桥型，相继建成了屋代南桥( y a s h i r os o u t h b r i g d e ) 和屋代北桥( y a s h i r o n o u t h b r i d g e ) 。两桥均为日本北陆新干线轻轨双线铁路桥( 见 图2 7 ) 两桥通过屋代中桥连成整体。由于跨线桥的主梁标高相对较低，如果主粱的很高的 话，不仅铁轨的标高会增加，桥梁的长度会增加，相应的造价也就会提高，同时从视觉上看 会给人一种压迫感，在桥墩的选择上为了取得与塔柱整体一致的效果采用了锥台的形状。 同时为了保证新干线车辆行走性和旅客舒适度，必须使桥梁在活载作用下满足挠度限值的要 求，使结构具有足够的刚度，并且铁路桥对拉索的抗疲劳程度要求比较严格，综合考虑以上 因素，e - d 桥成为最佳选择。在施工方面两桥同样具备与小田原港桥相类似的特点：与等截 面的连续梁桥相比，可以利用一定拉索帮助支承挂篮施工，相对于变截面的连续梁桥，不仅 施工的难度降低，而且可以加快施工进度，同时拉索可