斜拉桥结构组成及设计

1、n 第二章第二章 斜拉桥的构造斜拉桥的构造n第一节第一节 主梁构造主梁构造n第二节第二节 索塔构造索塔构造 n第三节第三节 拉索构造拉索构造第一篇第一篇 混凝土斜拉桥混凝土斜拉桥n第一节第一节 主梁构造主梁构造n主梁作用体现三个方面：主梁作用体现三个方面：n1）将结构重力和可变作用传给拉索；）将结构重力和可变作用传给拉索；n2）承受拉索的轴向压力，需有足够的刚度防止压屈；）承受拉索的轴向压力，需有足够的刚度防止压屈；n3）抵抗横向风荷载和地震作用。）抵抗横向风荷载和地震作用。 斜拉桥主梁材料类型分类斜拉桥主梁材料类型分类n除少数在索塔附近梁高变化外，通常采用等高度梁。除少数在索塔附近梁高变化外

2、，通常采用等高度梁。n高跨比高跨比h/L ：双索面：双索面1/1001/150；n 单索面单索面1/501/100。n宽高比宽高比B/h 8 提高主梁横向抗风稳定性。提高主梁横向抗风稳定性。n后面将介绍砼主梁常用的截面形式。后面将介绍砼主梁常用的截面形式。 梁桥梁桥混凝土混凝土T梁梁： h/L=1/8-1/16预应力混凝土结构预应力混凝土结构：T型截面：型截面：h/L=1/12-1/15 箱型截面箱型截面：h/L=1/15-1/18 变截面连续梁变截面连续梁：支点位置，：支点位置， H1/L=1/16-1/18 跨中跨中H2/H1=1/1.5-1/2.5连续刚构（箱梁）连续刚构（箱梁）：支点位

3、置，：支点位置， H1/L=1/16-1/20 跨中跨中H2/H1=1/2.5-1/3.5拱桥拱桥石拱桥石拱桥 h=k L1/3 =4.5-6.0 随矢跨比减小而增大随矢跨比减小而增大 k=1.01.2（汽（汽-10 汽汽-20） 钢筋混凝土板拱钢筋混凝土板拱： h/L=1/60-1/70 工字型肋拱工字型肋拱：肋高：肋高 h/L=1/25-1/35 箱肋箱肋：肋高：肋高 h/L=1/50-1/70 箱拱箱拱：h/L=1/55-1/75拱桥宽度拱桥宽度1/25L n一、实体梁式和实体一、实体梁式和实体板式主梁板式主梁n实体梁式主梁：实体梁式主梁：n两个分离主梁间由混两个分离主梁间由混凝土桥面板

4、及横梁连凝土桥面板及横梁连接，拉索锚固在主梁接，拉索锚固在主梁中心处。中心处。 n实体板式主梁：实体板式主梁：纯板式纯板式和和矮矮梁式梁式截面。截面。n矮梁式指主梁位于两边，梁矮梁式指主梁位于两边，梁高相对桥宽很小，主梁间有高相对桥宽很小，主梁间有横梁和桥面板相连。横梁和桥面板相连。n边主梁截面带有风嘴尖角，边主梁截面带有风嘴尖角，适应抗风要求。适应抗风要求。n拉索直接锚固在边主梁下面。拉索直接锚固在边主梁下面。图图a)为希腊为希腊Evripos桥，主跨桥，主跨215m，高垮比高垮比=1/478，板高板高45cm n 二、箱形截面：二、箱形截面：n抗弯和抗扭刚度大，能适应各种斜索布置；抗弯和抗

5、扭刚度大，能适应各种斜索布置；n可形成可形成单箱单箱式或式或分离式的双箱式分离式的双箱式截面，适应不同桥宽需要。截面，适应不同桥宽需要。单箱式截面单箱式截面n跨越塞纳河的法国普鲁东纳桥，跨跨越塞纳河的法国普鲁东纳桥，跨径径143+320+143m，第一座单索面砼，第一座单索面砼斜拉桥。斜拉桥。n一个中央索面与预制构件做成的箱一个中央索面与预制构件做成的箱形加劲梁相连结。形加劲梁相连结。 法国普鲁东纳桥法国普鲁东纳桥n双索面箱梁常以分离式的两个箱体锚固于拉索，两箱间为整双索面箱梁常以分离式的两个箱体锚固于拉索，两箱间为整体桥面板，横截面外侧做成风嘴状，具有良好抗风性能。体桥面板，横截面外侧做成风

6、嘴状，具有良好抗风性能。 分离式的双箱式截面分离式的双箱式截面n美国美国P-K桥（桥（Pasco-Kennewick，主跨，主跨299m，1978年）采用三角形双箱梁，年）采用三角形双箱梁，全漂浮体系斜拉桥，主梁仅全漂浮体系斜拉桥，主梁仅2.0m。 斜拉桥混凝土主梁的断面形式分类斜拉桥混凝土主梁的断面形式分类 n双索面与单索面的三室箱双索面与单索面的三室箱梁有所不同。梁有所不同。n双索面将两个中间竖腹板双索面将两个中间竖腹板尽量拉大，使中室大于边尽量拉大，使中室大于边室，以取得较大的截面横室，以取得较大的截面横向惯性矩；向惯性矩；n单索面，则将其尽量靠拢，单索面，则将其尽量靠拢，以便将斜索锚固

7、于较小的以便将斜索锚固于较小的中室内。中室内。 挪威挪威Skarnsunddet桥采用三角形桥采用三角形箱形截面，主跨箱形截面，主跨530m，三角形，三角形箱梁截面不仅抗弯、抗扭刚度大，箱梁截面不仅抗弯、抗扭刚度大，并且抗风，适用于双索面与单索并且抗风，适用于双索面与单索面体系。面体系。n主跨和边跨主梁设计理念是主跨和边跨主梁设计理念是不同的：不同的：n主跨必须有良好的动力特性，主跨必须有良好的动力特性，自重较轻。自重较轻。n边跨拉索起稳定塔的作用，边跨拉索起稳定塔的作用，边跨应具有克服上提力功能，边跨应具有克服上提力功能，通过边跨自重设辅助墩来解决。通过边跨自重设辅助墩来解决。 斜拉桥主梁断

8、面与索面布置关系斜拉桥主梁断面与索面布置关系n第二节第二节 索塔构造索塔构造n索塔通过拉索对主梁起弹性支承作用。索塔通过拉索对主梁起弹性支承作用。n索塔设计应满足强度、刚度和稳定性要求。索塔设计应满足强度、刚度和稳定性要求。n索塔是以受压为主的压弯构件，索塔趋向于混凝土材料。索塔是以受压为主的压弯构件，索塔趋向于混凝土材料。 n城市中的斜拉桥，还从造型、景观及与环境协调等要求来确城市中的斜拉桥，还从造型、景观及与环境协调等要求来确定索塔的结构型式。定索塔的结构型式。 n 一、索塔组成一、索塔组成n组成索塔的主要构件：组成索塔的主要构件：塔柱塔柱，塔柱间的，塔柱间的横梁横梁。 n横梁可分为横梁可

9、分为承重横梁承重横梁与与非承重横梁非承重横梁。n承重横梁：承重横梁：为设置主梁支座处、塔柱为设置主梁支座处、塔柱转折处的横梁；转折处的横梁；n非承重横梁：非承重横梁：为塔顶横梁和塔柱无转为塔顶横梁和塔柱无转折的中间横梁。折的中间横梁。n所有的塔柱、横梁共同参与风力、地所有的塔柱、横梁共同参与风力、地震及汽车荷载作用。震及汽车荷载作用。 n 二、混凝土塔构造二、混凝土塔构造n塔柱截面分成两类：塔柱截面分成两类：n矩形矩形n非矩形截面非矩形截面。 n采用采用实心实心矩形截面时，拉索穿过塔柱交错锚固于塔轴线两侧。也可把塔柱矩形截面时，拉索穿过塔柱交错锚固于塔轴线两侧。也可把塔柱截面变成截面变成H形。

10、形。n采用采用空心空心矩形截面时，拉索锚固箱室中，箱室内壁增设锚固用的锯齿形凸矩形截面时，拉索锚固箱室中，箱室内壁增设锚固用的锯齿形凸块，或在箱内设置钢横梁来锚固。块，或在箱内设置钢横梁来锚固。 n非矩形截面塔柱包括五角形、六角形、八角形等，可采用实心，也可采用非矩形截面塔柱包括五角形、六角形、八角形等，可采用实心，也可采用空心截面。空心截面。n空心截面需在每一层拉索锚头处增设水平隔板，空心截面需在每一层拉索锚头处增设水平隔板，作用有二作用有二：n1、有利于将索力传递到塔柱全截面上；有利于将索力传递到塔柱全截面上；n2、在施工阶段和养护时可作为工作平台。在施工阶段和养护时可作为工作平台。 n拉

11、索须具备抗疲劳性、耐久性和抗腐蚀性。拉索须具备抗疲劳性、耐久性和抗腐蚀性。n拉索包括拉索包括钢索钢索和两端和两端锚具锚具两部分，钢索承受拉力，锚具传递索力。两部分，钢索承受拉力，锚具传递索力。n一、拉索构造一、拉索构造n拉索由高强度钢丝或钢绞线制作。拉索由高强度钢丝或钢绞线制作。n组成钢索的钢丝、钢绞线要排列整齐、规则；组成钢索的钢丝、钢绞线要排列整齐、规则；n钢索断面应紧密并易于成型，受力均匀；钢索断面应紧密并易于成型，受力均匀；n钢索的型式便于穿过预埋管道，易于锚固；钢索的型式便于穿过预埋管道，易于锚固；n钢索易于防护和施工安装等。钢索易于防护和施工安装等。 第三节第三节 拉索构造拉索构造

12、 n主要采用两种拉索：主要采用两种拉索：平行钢丝平行钢丝和和平行钢绞线。平行钢绞线。n1、平行钢丝拉索与冷铸锚、平行钢丝拉索与冷铸锚n平行钢丝索经涂脂处理后按正六边形平行、捆扎成束后，加缠高强度聚平行钢丝索经涂脂处理后按正六边形平行、捆扎成束后，加缠高强度聚脂包带和热挤高密度聚乙烯塑料（脂包带和热挤高密度聚乙烯塑料（HDPE）护套或染色）护套或染色PE护套，两端安装护套，两端安装钢套管和锚具。钢套管和锚具。 平行钢丝索截面示例平行钢丝索截面示例将若干根钢丝平行集拢、同轴同将若干根钢丝平行集拢、同轴同向加以适当扭绞，由此而使各根向加以适当扭绞，由此而使各根钢丝相互间形成一种特殊的平行钢丝相互间形

13、成一种特殊的平行状态，称为状态，称为半平行钢丝索半平行钢丝索。半平行钢丝索实例半平行钢丝索实例 n平行钢丝拉索的结构分为三个部分。平行钢丝拉索的结构分为三个部分。n锚固部分锚固部分：分：分张拉端锚固张拉端锚固与与固定端锚固固定端锚固；张拉端张拉端由锚筒、锚圈、锚垫板、防护由锚筒、锚圈、锚垫板、防护罩等组件组成；罩等组件组成；固定端固定端由锚饼、锚垫板、防护罩组成。由锚饼、锚垫板、防护罩组成。n过渡部分过渡部分：由钢导管、锚筒过渡延伸钢管、减振器、防水罩等组成；：由钢导管、锚筒过渡延伸钢管、减振器、防水罩等组成；n中间部分中间部分：由高强钢丝、玻璃丝带，：由高强钢丝、玻璃丝带，PE防护、缠包带等

14、组成。防护、缠包带等组成。n圆钢丝直径常用圆钢丝直径常用5mm、7mm两种，钢丝抗拉标准强度不少于两种，钢丝抗拉标准强度不少于1570MPa。 1-张拉端锚筒；张拉端锚筒；2-锚圈；锚圈；3-锚垫板；锚垫板；4-过渡钢管；过渡钢管；5-拉索；拉索；6-平行钢丝；平行钢丝；7-固定端锚饼；固定端锚饼；8-2层玻璃丝层玻璃丝带或带或2层涤纶带；层涤纶带；9-热挤热挤PE塑料护套；塑料护套；10-PVE缠包带缠包带n平行钢丝索的锚固采用冷铸墩头锚。平行钢丝索的锚固采用冷铸墩头锚。n千斤顶通过与锚杯内缘螺纹连接进行张拉，张拉后拧紧锚杯外缘螺母即可千斤顶通过与锚杯内缘螺纹连接进行张拉，张拉后拧紧锚杯外缘

15、螺母即可传力。传力。 平行钢丝平行钢丝拉索采用的冷铸锚头拉索采用的冷铸锚头 n2. 平行钢绞线拉索平行钢绞线拉索n将平行钢丝索中的钢丝换成钢绞线即成为平行钢绞线索。将平行钢丝索中的钢丝换成钢绞线即成为平行钢绞线索。n钢绞线由钢绞线由7根根5mm或或7mm的钢丝绞制成单股钢束（的钢丝绞制成单股钢束（ 15mm），各单股钢），各单股钢束平行排列，形成钢绞线。束平行排列，形成钢绞线。n单根钢丝标准抗拉强度单根钢丝标准抗拉强度1860MPa，国外钢绞线（美国、日本），国外钢绞线（美国、日本）2000MPa。平行钢绞线斜拉索采用平行钢绞线斜拉索采用的夹片式群锚的夹片式群锚 n二、拉索的锚固二、拉索的锚固

16、n1. 斜拉索与混凝土梁的锚固斜拉索与混凝土梁的锚固n1）顶板设置锚固块）顶板设置锚固块n适用于单索面有加劲斜杆的箱梁。适用于单索面有加劲斜杆的箱梁。n拉索锚固在顶板与斜拉杆交叉点处的拉索锚固在顶板与斜拉杆交叉点处的锚固块上。锚固块上。n拉索水平分力通过锚固块传给顶板后拉索水平分力通过锚固块传给顶板后再到箱梁全截面，垂直分力由一对加再到箱梁全截面，垂直分力由一对加劲斜杆承受。劲斜杆承受。 n2）箱梁内设横隔板锚固）箱梁内设横隔板锚固n用于分离式双箱的混凝土主梁，也适用于单索面多室箱梁。用于分离式双箱的混凝土主梁，也适用于单索面多室箱梁。n锚固构造位于箱梁顶板下两个腹板之间，与顶板、腹板固结在一

17、起。锚固构造位于箱梁顶板下两个腹板之间，与顶板、腹板固结在一起。n拉索的水平分力由锚固块传递给顶板再扩散到主梁全截面，垂直分力拉索的水平分力由锚固块传递给顶板再扩散到主梁全截面，垂直分力则由锚固块传给左右腹板。则由锚固块传给左右腹板。斜拉索的锚头示例斜拉索的锚头示例 n 3）在箱梁内设斜隔板锚固）在箱梁内设斜隔板锚固n在箱梁内设斜向隔板，其斜度与拉索一致。拉索锚固于箱梁底板。在箱梁内设斜向隔板，其斜度与拉索一致。拉索锚固于箱梁底板。n拉索的水平分力通过隔板四周的顶板、腹板和底板传给主梁，垂直分力拉索的水平分力通过隔板四周的顶板、腹板和底板传给主梁，垂直分力由斜隔板两侧的腹板以剪力形式传递。由斜

18、隔板两侧的腹板以剪力形式传递。 n 4）在梁体两侧设锚固块）在梁体两侧设锚固块n双索面斜拉桥常用的锚固构造。锚固块放在主梁两侧风嘴形实体块下面，双索面斜拉桥常用的锚固构造。锚固块放在主梁两侧风嘴形实体块下面，或较厚的倾斜边腹板下面。或较厚的倾斜边腹板下面。n拉索的水平分力通过风嘴形实体或斜腹板传递，而垂直分力则需在斜腹拉索的水平分力通过风嘴形实体或斜腹板传递，而垂直分力则需在斜腹板内设置一定数量的竖向预应力筋束来承受。板内设置一定数量的竖向预应力筋束来承受。 n5）在梁底设置锚固块）在梁底设置锚固块n适用于截面较小的实体双主梁或板式梁。适用于截面较小的实体双主梁或板式梁。n梁中设置与拉索倾角相

19、同的管道，拉索穿过管道后锚固于梁底。梁中设置与拉索倾角相同的管道，拉索穿过管道后锚固于梁底。 总结总结斜拉索与混凝土梁的锚固方法：斜拉索与混凝土梁的锚固方法：1）顶板设置锚固块顶板设置锚固块2）箱梁内设横隔板锚固箱梁内设横隔板锚固3）在箱梁内设斜隔板锚固在箱梁内设斜隔板锚固4）在梁体两侧设锚固块在梁体两侧设锚固块5）在梁底设置锚固块在梁底设置锚固块 n 2. 拉索在索塔上的锚固拉索在索塔上的锚固n拉索锚固部位的构造与拉索的布置、根数和形状、塔形和构造及拉索的牵拉索锚固部位的构造与拉索的布置、根数和形状、塔形和构造及拉索的牵引和张拉等多种因素有关。引和张拉等多种因素有关。n1）在实体塔上交错锚固

20、）在实体塔上交错锚固n塔柱中埋设钢管，两侧拉索塔柱中埋设钢管，两侧拉索交叉穿过预埋钢管后锚固在钢交叉穿过预埋钢管后锚固在钢管上端的钢板上。管上端的钢板上。n利用塔壁上的锯齿形凹槽或利用塔壁上的锯齿形凹槽或凸形牛腿来锚固拉索。凸形牛腿来锚固拉索。 n构造与上述的相同，构造与上述的相同，但需在桥塔壁板内配置但需在桥塔壁板内配置环向预应力钢筋，抵抗环向预应力钢筋，抵抗拉索在箱壁内产生的拉拉索在箱壁内产生的拉力。力。 塔锚窝索（a） 平面图（b） 侧面图锚窝索塔2）空心塔上非交错锚固）空心塔上非交错锚固 n3）采用钢锚固梁来锚固）采用钢锚固梁来锚固n钢锚固梁搁置在塔柱内侧牛腿上，斜钢锚固梁搁置在塔柱内

21、侧牛腿上，斜索锚固在钢锚固梁的锚块上。索锚固在钢锚固梁的锚块上。n钢锚固梁实现拉索在空心塔上的对称钢锚固梁实现拉索在空心塔上的对称锚固，使塔柱在锚固区段受力明确，锚固，使塔柱在锚固区段受力明确，内力减少。内力减少。 n 4）利用钢锚箱锚固）利用钢锚箱锚固n钢锚箱由各层的钢锚箱上下焊接而成，然钢锚箱由各层的钢锚箱上下焊接而成，然后将锚箱用焊钉与混凝土塔身连结。后将锚箱用焊钉与混凝土塔身连结。 n三、拉索的应力三、拉索的应力n拉索的应力控制考虑三个因素：拉索的应力控制考虑三个因素：设计弹性模量设计弹性模量、破断强度破断强度和和抗抗疲劳疲劳。n斜索的设计弹性模量（换算弹性模量）可按斜索的设计弹性模量

22、（换算弹性模量）可按恩斯特公式恩斯特公式计算：计算：n式中：式中：E索的弹性模量，索的弹性模量，r 索的容重，索的容重，l 索的水平投影长度。索的水平投影长度。322121ElEEeq n公式表明，选用高强度材料，公式表明，选用高强度材料，提高拉索工作应力，提高拉索工作应力，采用轻而有效的拉采用轻而有效的拉索防护手段，索防护手段，减少容重减少容重，有利于提高拉索刚度，降低非线性影响。，有利于提高拉索刚度，降低非线性影响。n控制斜索的最小应力是十分必要的。控制斜索的最小应力是十分必要的。n拉索应具有足够抗疲劳能力，拉索抗疲劳能力与钢材和锚具有关，目拉索应具有足够抗疲劳能力，拉索抗疲劳能力与钢材和锚具有关，目前成品拉索应力变幅为前成品拉索应力变幅为220250MPa。 322121ElEEeqn 四、拉索的减振四、拉索的减振n拉索的振动容