缆索承重桥梁之悬索桥构造及设计计算方案

1、1同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强2二、悬索桥结构组成、形式、布置和构造二、悬索桥结构组成、形式、布置和构造 悬索桥的组成悬索桥的组成 悬索桥的形式悬索桥的形式 悬索桥的布置和结构特性悬索桥的布置和结构特性 悬索桥的各部分构造悬索桥的各部分构造同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强31 1）主缆）主缆2 2）吊杆（索）吊杆（索）3 3）索夹）索夹4 4）加劲梁）加劲梁5 5）桥塔）桥塔5 5）锚碇（用于地锚式悬索桥）锚碇（用于地锚式悬索桥）6 6）塔顶鞍座和散索鞍座）塔顶鞍座和散索鞍座4、悬索桥各部分的构造、悬索桥各部分的构造同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强4 材料：圬工（古老、小

2、跨简易）；钢筋砼（框架式；实心矩形或者箱形）；钢（框架式、桁架式；箱形、多格箱形、H形）。 桥塔纵向结构形式：摇柱塔（摆动式）：单柱塔下设铰、塔顶索鞍固定于塔，适于小跨。柔性塔：一般为下端固定式，塔顶水平变位量相对较大，适于大跨。刚性塔：塔顶水平变位量相对较小，单柱或者A形，多用于多跨悬索桥的中间塔柱，纵向刚度较大，塔顶位移小从而减小加劲梁内的应力。5) 5) 桥塔桥塔同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强5 桥塔横向结构形式：刚构式（框架式）：单层或者多层门架，明快简洁。桁架式：若干组交叉的斜杆与水平横梁组成桁架，施工时稍显困难。混合式：仅在桥面以下设置交叉斜杆以改善受力和经济性能。 塔柱横

3、向可竖直或者稍带倾斜（斜柱式）或转折点（折柱式），后两者稳定性能好且较为经济。 现代认为钢筋砼刚构式桥塔是悬索桥的桥塔最佳选择。现代认为钢筋砼刚构式桥塔是悬索桥的桥塔最佳选择。虎虎门门大大桥桥主主塔塔乔治华盛顿桥乔治华盛顿桥同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强6同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强7江阴长江大桥江阴长江大桥北塔北塔同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强8香港青马大桥主塔香港青马大桥主塔同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强9明石海峡大桥主塔明石海峡大桥主塔同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强10 基本组成：主缆的锚碇架及固定装置、锚梁、锚碇基础。基本组成：主缆的锚碇架及固

4、定装置、锚梁、锚碇基础。 基本分类：重力式锚碇、隧道式（岩锚）锚碇。基本分类：重力式锚碇、隧道式（岩锚）锚碇。 重力式锚碇：依靠锚块自重来抵抗主缆的竖直分力，水平分力则由锚重力式锚碇：依靠锚块自重来抵抗主缆的竖直分力，水平分力则由锚碇与地基之间的摩阻力（包括侧壁的）或者嵌固阻力来抵抗。碇与地基之间的摩阻力（包括侧壁的）或者嵌固阻力来抵抗。 隧道式锚碇（岩洞式）隧道式锚碇（岩洞式）: :主缆散开后各索股通过岩洞中的混凝土锚块内主缆散开后各索股通过岩洞中的混凝土锚块内埋设的锚梁与拉杆的伸出端连接，并利用预应力工艺调整松紧。埋设的锚梁与拉杆的伸出端连接，并利用预应力工艺调整松紧。 前锚式：主缆采用前

5、锚式：主缆采用PSPS法施工时的缆索锚固方式，支承（定位）钢构架法施工时的缆索锚固方式，支承（定位）钢构架与传力钢构架的结合。与传力钢构架的结合。 后锚式：主缆采用后锚式：主缆采用ASAS法施工时的缆索锚固方式，铸钢索靴与眼杆的结法施工时的缆索锚固方式，铸钢索靴与眼杆的结合。合。 5) 5) 锚碇（用于地锚式悬索桥锚碇（用于地锚式悬索桥）同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强11 图图a a）为现代预应力锚固系统（前锚式）为现代预应力锚固系统（前锚式） 图图b b）锚固构架锚固系统）锚固构架锚固系统同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强12AKASHI锚碇锚碇三角形空腹构架式重力锚三角形空腹构

6、架式重力锚同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强13江阴长江大江阴长江大桥北锚桥北锚同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强14 重力式锚碇重力式锚碇（采用较多）（采用较多） 隧道式锚碇隧道式锚碇 重力式锚碇用于持力层位于地表以下重力式锚碇用于持力层位于地表以下20205050米较合理；过深可以采用米较合理；过深可以采用深基础：沉箱、沉井、桩、管柱等。深基础：沉箱、沉井、桩、管柱等。 隧道式锚碇用于基岩外露处，主缆各索股集中在一个岩洞内锚固。隧道式锚碇用于基岩外露处，主缆各索股集中在一个岩洞内锚固。a）岩洞锚，b）岩孔锚同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强15串联悬索桥共用锚墩串联悬索桥共用锚

7、墩旧金山海湾桥西桥旧金山海湾桥西桥 同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强16日本日本 南北备赞大桥南北备赞大桥串联悬索桥共用锚墩串联悬索桥共用锚墩同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强176) 6) 塔顶鞍座和散索鞍座塔顶鞍座和散索鞍座索鞍（鞍座）属于支承主缆的支承件或配件。 类型：塔顶主索鞍；支架副索鞍（副鞍座）：边跨靠近岸端的墩架或钢排架的顶部，改变主缆在竖平面内的倾角。也可不设。散索鞍座（展束锚固索鞍）：多设置在桥台上，使构成主缆的许多钢丝束股在水平向及竖直向分散开的支撑鞍座，并导引各索股入锚固部分。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强18塔顶鞍座和散索鞍座塔顶鞍座和散索鞍座同济大学

8、土木工程学院桥梁工程系 王志强19主要构件：鞍槽、腹板底板和加劲肋板等（腹板传递鞍槽压力，横肋加强）。布置形式：两块斜腹板，大部分鞍下应力由斜腹板直接径塔柱两侧横壁板传给桥塔、单（两）块竖腹板：大部分压力经鞍座板间接传递给塔柱顶板。塔顶鞍槽的纵向曲率半径： 纵向圆弧半径（可为纵向非对称多段圆弧）不小于主缆直径的812倍，入口处鞍槽半径局部略小以防破坏主缆防腐。鞍槽的截面形状：配合主缆钢丝索股的排列形状。制造方法：全铸、铸件鞍槽焊接钢板（铸焊）、全焊。塔顶主索鞍塔顶主索鞍江阴主索鞍同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强20构造形式 为调节主缆在各种条件下的长度变化，散索鞍由辊轴、摇轴支承，或者作

9、成摆柱构件。鞍槽的纵向曲率半径 入口处鞍槽形状与塔顶鞍槽相同，出口处略小，要同时满足主缆转向和散索的功能要求。鞍槽的截面形状 配合主缆钢丝索股的排列形状。散索鞍：散索鞍：主缆进入锚碇之前的最后一个支撑主缆的构件。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强21 加劲梁拼装施工 缆索施工 桥塔施工三、悬索桥的施工三、悬索桥的施工 锚碇施工 悬索桥适用于超大跨径桥梁的主要原因，除了其充分利用了材料强度外，还有其独特的施工方法。 通常，悬索桥架设步骤为：塔柱及锚碇施工猫道架设主缆架设索夹及吊索安装加劲梁吊装架设等。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强22 桥塔施工桥塔施工同济大学土木工程学院桥梁工程系

10、王志强23塔柱节段之间的连接（水平接缝）塔柱节段之间的连接（水平接缝）波斯普鲁斯二桥波斯普鲁斯二桥明明石石海海峡峡钢钢桥桥塔塔同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强24塔柱底节与桥墩之间的连接塔柱底节与桥墩之间的连接同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强25桥塔施工桥塔施工（青马大桥混凝土桥塔）（青马大桥混凝土桥塔） 混凝土桥塔施工以就地浇筑为主（爬模、滑模） 塔柱横向构件（横梁）施工 塔柱与塔墩之间的连接同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强26 锚碇施工锚碇施工岩隧锚碇：岩隧锚碇：当河岸有坚硬岩石时，可以采用岩隧锚碇。岩隧锚可以将主缆集中在一个岩洞内锚固，也可以在岩石山开凿多个岩眼，将主缆

11、分成多股穿过岩体在锚固室内锚固。重力式锚碇：重力式锚碇：设置在承载力比较好的地基上的重力式锚碇，一般采用明挖的扩大基础。当锚碇设置在软土层中时，可以采用大型沉井或地下连续墙的形式。如江阴大桥北锚碇采用了大型沉井，而日本的明石海峡大桥采用了地下连续墙。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强27 主缆施工主缆施工 悬索桥主缆施工可分为以下几个步骤：悬索桥主缆施工可分为以下几个步骤： 1）准备工程（塔顶吊机、塔顶鞍座等）准备工程（塔顶吊机、塔顶鞍座等） 2）架设导索（浮子法、自由悬挂法等）架设导索（浮子法、自由悬挂法等） 3）架设牵引索和猫道索）架设牵引索和猫道索缆索系统施工步骤图缆索系统施工步骤图

12、同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强28直升机架设法同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强29缆索系统施工步骤图缆索系统施工步骤图4）架设猫道桥面板及横向天桥）架设猫道桥面板及横向天桥5）架设抗风索以及完成猫道，并）架设抗风索以及完成猫道，并架设主缆（纺线法、改进纺线法，架设主缆（纺线法、改进纺线法，预制平行索股法）预制平行索股法） 6）将猫道转载于主缆后拆除抗风）将猫道转载于主缆后拆除抗风索，并架设竖吊杆。索，并架设竖吊杆。抗风索抗风索同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强30AS法原理 AS法的主要缺点是架设主缆时的抗风能力较弱以及所需时间较长；主缆挤紧后空隙相对较大； AS法的主要优点

13、是索股丝数多、股数少，从而锚固空间较小，同时运输起吊设备较轻便； 欧美国家使用较多。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强31空中纺轮和猫道空中纺轮和猫道同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强32主缆架设主缆架设同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强33主缆架设主缆架设 PPWS法的优点是避免了现场由钢丝编成索股作业，从而加快了主缆施工进度；但它要求有大吨位的起重运输设备和拽拉设备来搬运；跨越全桥的索股，同时在猫道上还需设置导向轮以减小索股受到的摩阻力；受起吊重量的限制，采用PPWS法时索股中的钢丝根数较少，故其股数较多，需要的锚固空间较大；PPWS法在日本得到了长足的发展，我国工程师也倾向使

14、用该法。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强34紧缆、缠丝、涂装紧缆、缠丝、涂装同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强35 加劲梁拼装施工加劲梁拼装施工加劲梁的制造、组拼与运输加劲梁架设：架设顺序和架设方法同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强36箱梁和桁架梁拼装施工箱梁和桁架梁拼装施工l 加劲梁架设加劲梁架设加劲桁架梁吊装加劲桁架梁吊装 加劲钢桁架架设单元分类：单根杆件、平面构架和立体节段。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强37箱梁拼装施工箱梁拼装施工 钢箱梁吊装钢箱梁吊装l 加劲梁架设加劲梁架设 主缆是柔索结构，只有部分梁段悬吊在主缆上时挠度很大，梁段吊装到位后只能在上缘与相邻梁段连

15、接形成铰接，下缘是可以张开闭合的；随着吊装梁段的增加，主缆的局部挠度减小，加劲梁下缘的间隙逐渐闭合，待梁段全部吊装完成或大部分完成后，可在相邻节段间永久固结连接；加劲梁的重力完全由主缆承担，加劲梁只承担梁段内的局部弯矩。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强38l 加劲梁架设加劲梁架设同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强39四、悬索桥的设计四、悬索桥的设计加劲梁在活载与其他荷载作用下与主缆共同受力，因此必须与主缆共同考虑，所以悬索桥设计按顺序包括以下内容，先考虑主缆及加劲梁的设计，然后根据已决定的主缆及加劲梁体系考虑桥塔和锚碇的设计，最后进行其它辅助构件的设计。悬索桥设计包括：总体设计总体设

16、计、主塔的设计、锚碇设计、主塔的设计、锚碇设计、主缆的设计、加劲梁的设计等。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强40前期工作三阶段设计预可行性研究报告项目建议书主管部门批准登记可行性研究报告主管部门审批设计任务书初步设计建设单位审批技术设计招标文件招投标及施工准备建设单位审批施工设计开工报告施工阶段特大桥的设计程序同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强41 悬索桥的总体构思 悬索桥的设计计算内容 悬索桥的设计计算程序悬索桥的总体设计悬索桥的总体设计同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强421）悬索桥的适用范围和条件2）悬索桥与其它大跨度桥式的比较选择3） 悬索桥的美学比例4）悬索桥总体设计的

17、参考数据：跨度比，垂跨比，宽跨比，高跨比等 1）边跨跨径与主跨跨径的比例；2）桥下空间形式；3）加劲梁选择；4）悬索桥的锚碇选择；5）桥塔选择。 悬索桥的总体构思悬索桥的总体构思同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强43同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强44同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强45 悬索桥的设计计算悬索桥的设计计算1）作用在悬索桥上的荷载有恒载、活载、风荷载、地震力、温度变化等，设计计算时，一般把它们简化为平面问题或空间问题采用各种计算理论进行计算分析；2）关于塔，一般将其作为独立结构，在桥轴及垂直桥轴方向分别进行分析，对于柔性塔，由于塔柱的刚度不可能很大，还必须计算其屈

18、曲临界荷载；3）对包括塔、缆索、桥台、加劲梁等整个结构组成的计算模型进行动力分析计算时，一般采用以有限位移理论为基础的空间非线性有限元程序计算；4）与斜拉桥的情况一样，悬索桥的跨度远远超出桥规所规定的适用范围。因此，必须制定适用于悬索桥的设计规范。以桥规中的规定为基准，对一些复杂项目如活载、挠度容许值、冲击系数、屈曲长度、抗震设计、抗风设计、荷载组合及容许应力等进行规定，以规范为基准进行计算分析和结构设计。5）悬索桥在设计的不同阶段需要进行不同的计算，现将其设计步骤与其设计中所需的各项计算分述如下:同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强46悬索桥主缆和加劲梁静力设计流程图悬索桥主缆和加劲梁静力

19、设计流程图同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强47主缆及加劲梁动力设主缆及加劲梁动力设计流程（续）计流程（续）同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强48 桥塔的设计顺序 桥塔的设计计算应根据主缆加劲梁的结构体系来进行。首先选择桥塔的设计计算应根据主缆加劲梁的结构体系来进行。首先选择桥塔的结构形式，拟定桥塔各组成构件的截面尺寸桥塔的结构形式，拟定桥塔各组成构件的截面尺寸, ,进而进行桥塔的设进而进行桥塔的设计计算。设计流程见右图所示。计计算。设计流程见右图所示。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强49桥塔的设计流程桥塔的设计流程同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强50 悬索桥的设计计算程序

20、悬索桥的设计计算程序悬索桥的计算机辅助分析和设计的发展过程，既与计算机的发展有关，也与悬索桥结构分析理论的发展有关，而更重要的还与悬索桥建设的实际需要有关。这就决定了悬索桥的计算机辅助分析和设计起源于美英，而兴盛于日本这样一个发展过程。据文献介绍，开始将计算机辅助分析应用于悬索桥设计的是美国学者。他们提出的吊杆力法和据此编制的计算程序，在曼哈顿桥的加固工程中得到应用。但此程序不具通用性。英国在60年代修建塞文桥时，将悬索桥当作非线性平面框架结构，利用有限位移法作计算分析， 检算了具有斜吊杆（索）的塞文桥的设计合理性。1966年的里斯本国际悬索桥会议促进了悬索桥计算机辅助设计计算分析的发展。虽然

21、美国自那以后再未修建大跨悬索桥，系统的悬索桥软件开发并未受到重视，但其在理论的研究方面仍处于领先地位，尤其是动力设计计算方面。英国自修建塞文桥以后，在悬索桥的设计中都采用计算机作静力分析，而进行完善的计算机动力分析较晚。随后，日本由于修建本四连络线，线内含有11座悬索桥，所以开发了悬索桥设计计算软件系列。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强51ABAQUS - Non-Linear F.E. AnalysisADINA - Non Linear F.E. AnalysisMSC Software - Home of NASTRAN and many other programsANSYS -

22、 General Purpose F.E. CSI - SAP 2000 General Purpose Analysis and Design LUSAS Bridge Bridge engineering analysis, design and assessment software MIDAS/Civil Stage Analyses for Post-tensioned, Suspension & Cable Bridges and Design ANSYS/ CivilFEMTDV RM 软件同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强52 ABAQUS - Non-Linear

23、 F.E. Analysishttp:/ 通用分析模块 ABAQUS/Explicit: 显式分析模块ABAQUS/CAE: 前后处理模块 ABAQUS/Aqua: 前后处理模块（海洋工程）ABAQUS/C-MOLD: 水下冲击模块 ABAQUS/Design: 优化敏感性分析模块ABAQUS/Safe: 疲劳分析模块 ABAQUS是一套功能强大的模拟工程的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。可模拟任意实际形状的单元库。并与之对应拥有各种类型的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩高弹性的泡

24、沫材料以及类似于土和岩石等地质材料。作为通用的模拟计算工具，ABAQUS能解决结构（应力/位移）的许多问题。它可以模拟各种领域的问题，例如热传导、质量扩散、电子部分的热控制（热电耦合分析）、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。 清华大学工程力学系荆沙江斜拉桥Version:6.4同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强53Version:8.3http:/ADINA软件模块简介ADINA-AUI：前后处理模块ADINA： 结构分析模块ADINA-F： 计算流体动力学（CFD）求解模块ADINA-T： 热分析模块ADINA-FSI：流体/结构耦合分析模块（包括热）ADI

25、NA-TMC：热/结构耦合分析模块ADINA-M: 实体建模模块 ADINA系统的求解理论K. J. BatheDepartment of Mechanical Engineering, MIT同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强54http:/ 建立在CAE技术基础上的耐久性和损伤容限分析;MSC.Marc 是世界领先的有限元分析程序，从简单的线性静力问题到复杂的非线性接触、屈曲、动力学、热分析和热机耦合问题均能求解;MSC.Nastran 是世界上最广泛被采用的有限元程序，解决从简单到复杂、结构线性、非线性、热、流体和耦合系统等问题;MSC.Patran 有限元建模环境的行业领先者;MS

26、C.Dytran 仿真极度非线性，瞬态动力响应，流固耦合问题的通用软件; MSC Software - Home of NASTRAN and many other programs同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强55 CSI - SAP 2000, General Purpose Analysis and Designhttp:/ 王志强56 LUSAS Bridge - Bridge engineering analysis, design and assessment software LUSAS Bridge / LUSAS Bridge plusLUSAS CompositeL

27、USAS Civil & Structural / LUSAS Civil & Structural plusLUSAS Analyst / LUSAS Analyst plus 同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强57TDV RM 软件在悬索桥上的应用Ansys 软件 Ansys软件属于大型通用有限元软件类别，可以应用于许多领域，如土木工程、机械、电机工程、航天领域等。因此需要结合某个具体的工程问题来讲授, 本课程针对结构工程领域里涉及的问题来讲解。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强58 桥塔结构形式桥塔的设计桥塔的设计 桥塔的设计1 1）桥塔的受力分析）桥塔的受力分析 桥塔的荷载桥塔的荷载 桥塔的设计计算桥塔的设计计算2 2）简化算例）简化算例同济大学土木工程学院桥梁工程系