桥梁工程第5章2

1、2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系1上一页 下一页5.3.1 5.3.1 悬索桥的类型及其构造特点悬索桥的类型及其构造特点 1悬索桥的类型v悬索桥是由桥塔、主缆索、吊索、加劲梁、锚碇及鞍座等部分组成的承载结构体系，是目前唯一跨度超过1000m并接近2000m的桥型。v由于这一桥型能充分利用和发挥高强钢材的作用，并能很好地适应跨越海峡和宽阔江河的要求，加之近年来悬索桥设计理论和计算方法的发展和完善以及施工技术的进步，使其成为近年来发展较快的桥型之一。v现代大跨度悬索桥根据其加劲梁的类型和吊索的形式不同可分为以下几种类型：2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系2上一

2、页 下一页1)1)美式悬索桥美式悬索桥v其基本特征是采用竖直吊索，并用钢桁架作为加劲梁（图520a）。这种形式的悬索桥一般采用三跨地锚式，加劲梁在主塔处不连续，由伸缩缝断开，桥面通常采用钢筋混凝土材料，主塔为钢结构。其特点是可以实现双层通车，通过增加桁架高度可保证桥梁有足够的刚度，由于加劲梁采用钢桁架，使其具有很好的抗风性能。v美国式悬索桥发展历史接近百年，其建桥技术相当成熟，并积累了丰富的设计和施工经验，是目前采用较广泛的一种形式。在美国已建成的维拉扎诺海峡大桥和在日本建成的明石海峡大桥,都属于这种类型。世界上许多国家的大跨度悬索桥都受到美国式悬索桥的影响,但也有自己的特点,如在日本通常采用

3、连续的加劲钢桁架，桥塔处不设伸缩缝；采用钢的正交异性板作桥面等。美国式悬索桥2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系3上一页 下一页2)2)英国式悬索桥英国式悬索桥 v英国式悬索桥的基本特征是采用三角形排列的斜吊索和流线型扁平翼状钢箱梁作为加劲梁（图520b）。这种形式的悬索桥加劲梁采用连续的钢箱梁，桥塔处没有伸缩缝，并采用了用钢筋混凝土桥塔；有时还将主缆与加劲梁在主跨中点处固结。v英国式悬索桥的特点是钢箱加劲梁可减轻恒载，使主缆的截面减小，降低了用钢量和造价。由于钢箱梁抗扭刚度大，受到的横向风力小，有利于抗风，由此大大减小了桥塔所承受的横向力。三角形排列布置的斜吊索可以提高桥梁刚

4、度，但斜吊索的吊点处构造复杂。v在英国建成的塞文桥和恒伯尔桥、在土耳其建成的博斯普鲁斯(Bosporus)桥都是属于这种形式的悬索桥。英国式悬索桥2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系4上一页 下一页 3) 3)混合式悬索桥混合式悬索桥 v这种悬索桥是综合了上述两类悬索桥的特点形成的、目前广泛采用的悬索桥。其特征是采用竖直吊索和流线型钢箱梁为加劲梁（图520c），一般采用钢筋混凝土桥塔。v混合式悬索桥的广泛使用表明其钢箱加劲梁具有良好的静力和动力特性，其竖直吊索构造简单实用。v土耳其的博斯普鲁斯二桥、日本来岛的三座悬索桥、香港的青马大桥、丹麦的大贝尔特(Great Belt)桥和

5、中国的江阴长江大桥都采用了混合式吊桥形式。混合式悬索桥2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系5上一页 下一页4)4)带斜拉索的悬索桥带斜拉索的悬索桥 v为了有效地提高大跨度悬索桥结构的整体刚度和抗风稳定性, 在悬索桥设计中除设置悬索体系外,还可考虑同时设置斜拉索，以适应大跨度悬索桥的变形控制和动力稳定性的要求，这就构成了带斜拉索的悬索桥。v1883年建成的纽约布鲁克林大桥，就是既有现代悬索桥悬索体系，又有若干加强斜拉索的一座带斜拉索的悬索桥（图520d）。1966年建成的葡萄牙萨拉扎桥(Salazar)，也采用了这种形式。这种结构形式可看作悬索桥和斜拉桥的结合，悬索承担跨中的荷载

6、，斜拉索承担桥塔附近1/4跨的荷载，这样能够大大地增加悬索桥的跨越能力和结构的整体刚度，并有效地加强结构的抗风和抗震能力以及防止和控制结构的振动。 带斜拉索的悬索桥 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系6上一页 下一页悬索桥按照其加劲梁的支承条件分类悬索桥按照其加劲梁的支承条件分类v悬索桥按照其加劲梁的支承条件还可分为单跨铰支加劲梁悬索桥、三跨铰支加劲梁悬索桥和三跨连续加劲梁悬索桥(图521)。这些也都是现代大跨度悬索桥经常采用的形式。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系7上一页 下一页2 2悬索桥的主要构造特点悬索桥的主要构造特点 v现代悬索桥一般由桥塔、主

7、缆索、锚碇、吊索、加劲梁、吊索及索鞍等主要部分组成(图5-22)。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系8上一页 下一页1)1)桥塔桥塔v桥塔是悬索桥最重要构件。它支承主缆索和加劲梁，将悬索桥的活载和恒载(包括桥面、加劲梁、吊索、主缆索及其附属构件如鞍座和索夹等的重量)以及加劲梁在桥塔上的支反力直接传至塔墩和基础，同时还受到风载与地震的作用。v桥塔的高度主要由桥面标高和主缆索的垂跨比f/L确定，通常垂跨比f/L为1/91/12。v大跨度悬索桥的桥塔主要采用钢结构和钢筋混凝土结构。其结构形式可分为桁架式、刚架式和混合式三种(图5-23)。v刚架式桥塔通常采用箱形截面。由于预应力混

8、凝土和爬模技术的发展，钢筋混凝土桥塔的桥塔的使用呈较快增长趋势。v桥塔塔顶必须设主索鞍，以便主缆索能与桥塔合理的衔接和平顺的转折，并将主缆索的拉力均匀的传至桥塔。2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系9上一页 下一页2)2)锚碇锚碇v锚碇是主缆索的锚固构造。主缆索中的拉力通过锚碇传至基础。v通常采用的锚碇有两种形式：重力式和隧洞式。v重力式锚碇依靠其巨大的自重来承担主缆索的垂直分力，而水平分力则由锚碇与地基之间的摩阻力或嵌固阻力承担。隧道式锚碇则是将主缆中的拉力直接传递给周围的基岩。v隧道式锚碇适用于锚碇处有坚实基岩的地质条件。当锚固地基处无岩层可利用时，均采用重力式锚碇。v锚碇

9、主要由锚碇基础、锚块、锚碇架及固定装置和锚固索鞍组成。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系10上一页 下一页3)3)主缆索主缆索 v主缆索是悬索桥的主要承重构件，不仅承担自重恒载，还通过索夹和吊索承担加劲梁(包括桥面)等其它恒载以及各种活载。v主缆索还要承担部分横向风载，并将其传至桥塔顶部。v主缆索可采用钢丝绳钢缆或平行丝束钢缆，由于平行丝束钢缆弹性模量高，空隙率低，抗锈蚀性能好，因此大跨度吊桥的主缆索均采用这种形式。v现代悬索桥的主缆索多采用直径5mm的高强度镀锌钢丝组成(图5-25)。先由数十到数百根5mm的高强度镀锌钢丝制成正六边形的索束(股), 再将数十至上百股索束挤

10、压形成主缆索,并做防锈蚀处理。v设计中主缆索的线形一般采用二次抛物曲线。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系11上一页 下一页主缆索的架设方法主缆索的架设方法v主缆索的架设方法主要有两种：空中送丝成缆法和预制钢丝束成缆法。v空中送丝成缆法在现场空中编缆,每根主缆索所含索束数较少,但每根索束所含钢丝根数较多；施工工期较长；所需锚碇面积较小；是最早采用的成缆法。v预制钢丝束成缆法在工厂先预制钢丝索束,然后在现场使用索束编缆；每根主缆索所含索束数较多,但每根索束所含钢丝根数较少；施工周期较短；所需锚固面积较大；是现代悬索桥较多采用的成缆法。 2022-6-16南京工业大学土木工程学

11、院交通工程系12上一页 下一页4)4)吊索吊索 v吊索也称吊杆，是将加劲梁等恒载和桥面活载传递到主缆索的主要构件。v吊索可布置成垂直形式的直吊索或倾斜形式的斜吊索，其上端通过索夹与主缆索相连，下端与加劲梁连接。v吊索与主缆索连结有两种方式：鞍挂式和销接式。两种方式各有所长。v吊索与加劲梁连结也有两种方式：锚固式和销接固定式。锚固式连结是将吊索的锚头锚固在加劲梁的锚固构造处。销接固定式连结是将带有耳板的吊索锚头与固定在加劲梁上的吊耳通过销钉连结。吊索宜采用有绳芯的钢丝绳制作，二根或四根一组；两端均为销接式的吊索可采用平行钢丝索束作为吊索。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系13

12、上一页 下一页5)5)加劲梁加劲梁 v加劲梁的主要作用是直接承受车辆、行人及其它荷载，以实现桥梁的基本功能，并与主缆索、桥塔和锚碇共同组成悬索桥结构体系。v加劲梁是承受风荷载和其它横向水平力的主要构件，应考虑其结构的动力稳定特性，防止其发生过大挠曲变形和扭曲变形，避免对桥梁正常使用造成影响。v大跨度悬索桥的加劲梁均为钢结构，通常采用桁架梁和箱形梁。预应力混凝土加劲梁仅适用于跨径500m以下的悬索桥，大多采用箱形梁。采用箱形梁时，应选择流线型主梁截面，并适当设置风嘴、导流板、分流板等抗风装置；采用桁架梁时，应加强主梁和桥面车道部分的联系，并注意保证主梁及桥面构造横向通风良好，不得有任何阻碍空气流

13、动的多余障碍物存在，也可适当设置抗风装置。2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系14上一页 下一页5)5)加劲梁加劲梁 v加劲梁的构造和尺寸主要取决于其抗风稳定性。v通常参考其它已建成悬索桥的加劲梁拟定其初步设计的构造和尺寸，再根据结构计算结果进行适当修改，最后对较为合理的几个方案，通过风洞试验检验其抗风性能，并选择抗风性能好的加劲梁及其构造和尺寸。2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系15上一页 下一页6)6)索鞍索鞍 v索鞍是支承主缆的重要构件，其作用是保证主缆索平顺转折；将主缆索中的拉力在索鞍处分解为垂直力和不平衡水平力，并均匀地传至塔顶或锚碇的支架处。v索鞍

14、可分为塔顶索鞍和锚固索鞍。塔顶索鞍设置在桥塔顶部，将主缆索荷载传至塔上；锚固索鞍(亦称散索鞍)，设置在锚碇的支架处，主要作用是改变主缆索的方向，把主缆索的钢丝绳束在水平及竖直方向分散开来，并将其引入各自的锚固位置。为了减少塔顶索鞍处钢丝的弯曲次应力，塔顶索鞍弯曲半径一般为主缆索直径的812倍；而散索鞍必须考虑钢丝绳束的水平曲率半径和竖直曲率半径，以确定索鞍合理形状。索鞍通常采用铸焊组合件组成，大型组件采用分块制作，安装后通过螺栓或焊接连成整体。 返回2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系16上一页 下一页5 53 32 2 悬索桥的计算要点悬索桥的计算要点 v悬索桥的计算目前多采

15、用以计算机为计算手段的有限元等数值计算方法。v根据结构计算的要求不同，可采用较精确的空间结构计算图式或采用简化的平面结构计算图式，计算所依据的计算理论也有所不同，如线弹性理论、挠度理论和有限位移理论等。v计算的内容主要包括悬索桥在各种动、静荷载作用下的结构内力和位移以及其抗风、抗震稳定性。v计算中必须考虑结构的动力特性和非线性受力、变形特性。v悬索桥的计算是相当复杂的，这里仅就悬索桥的受力特点、计算理论、计算图式和计算内容作简要介绍，更详细的计算理论和方法请参阅有关专著。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系17上一页 下一页 1 1大跨度悬索桥受力特点大跨度悬索桥受力特点 v

16、现代悬索桥是由主缆索和加劲梁及桥塔构成的一种合理的柔性悬挂组合体系，具有索、梁、柱合理分工综合受力的特点。v在荷载作用下，主缆索、加劲梁和桥塔发挥各自的受力特点共同承担荷载。v主缆索是这个组合体系中最关键的构件，它承受由吊索传来的作用在加劲梁上的各种荷载，并将其传至桥塔、锚碇及其基础。它的初始几何线形及在荷载作用下的变形直接影响到整个组合体系的受力分配和变形。v根据结构分析悬索桥有如下一些受力特点： 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系18上一页 下一页1)1)主缆索是几何可变的柔性体，只能承受拉力作用。主缆索是几何可变的柔性体，只能承受拉力作用。 v只有在初始恒载作用下，使其

17、具有较大的初拉力时，才能保持一定的几何形状，通常称为初始几何形状。v当有进一步荷载作用时，主缆索的几何形状将发生改变，这种改变对悬索桥受力有不可忽略的影响，因此体系的受力平衡应建立在变形后的几何形状上，这就反映出主缆索及结构体系的几何非线性性质。对此在结构的计算中必须给予考虑。v主缆索的垂跨比是描述其初始几何形状的重要参数，直接影响结构的内力和结构体系的刚度。一般说来，垂跨比减小，主缆索的拉力将增大，结构体系的刚度将增大，挠度将减少。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系19上一页 下一页2)2)大跨度悬索桥的恒载相对较大，在主缆索的拉力中占较大比例，大跨度悬索桥的恒载相对较大

18、，在主缆索的拉力中占较大比例，而活载占的比例较少。因而活载引起的竖向挠度相对较小。而活载占的比例较少。因而活载引起的竖向挠度相对较小。v随着跨径的增大，加劲梁的高跨比会越来越小，增大加劲梁的抗弯刚度，实际上对减小悬索桥竖向挠度的作用并不大，悬索桥的竖向挠度主要是主缆索变形的结果。v由此悬索桥结构的整体竖向刚度主要来自主缆索，这与其它桥型中结构的竖向刚度主要来自增加主梁的刚度是截然不同的。v3)3)边跨的不同结构形式及边跨与中跨之比对悬索桥内力和挠边跨的不同结构形式及边跨与中跨之比对悬索桥内力和挠度有较大的影响。度有较大的影响。v当边跨与中跨之比减小时，在中跨的跨中及L4处的挠度和弯矩值会减小，

19、塔根弯矩也会减小，而主缆索拉力会有所增加。v此外，边跨若不设吊索对中跨挠度和弯矩会有相同的影响。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系20上一页 下一页4)4)横桥向的水平荷载如风载或地震作用于悬索桥上时，加劲梁将横桥向的水平荷载如风载或地震作用于悬索桥上时，加劲梁将产生横向挠曲变形，在主跨跨中产生最大横向挠度。产生横向挠曲变形，在主跨跨中产生最大横向挠度。 v对于由主缆索、吊索、桥塔和加劲梁组合而成的悬挂组合体系，恒载和垂跨比对横向挠度的影响作用和对竖向挠度的影响作用相同，增大恒载比例或减小垂跨比均能减少横向挠曲变形，但这一作用对边跨的影响较小。5)5)与其它桥型相比与其它桥

20、型相比, ,大跨度悬索桥整体刚度小大跨度悬索桥整体刚度小, ,固有频率低。固有频率低。v结构的固有频率是描述结构自由振动的重要参数,并直接用于到对结构进行动力分析、抗风和抗震的稳定性计算。v大跨度悬索桥结构的自由振动通常可以分为竖向平面的纵向挠曲振动和水平面的横向挠曲振动以及两者与扭转振动组合的藕合挠曲扭转振动。为了避免结构体系的共振和复杂的藕合振动发生,必须提高结构体系挠曲振动的固有频率,以利于抵抗挠曲振动,同时使挠曲振动和扭转振动的固有频率有尽可能大的相互差别,以减小复杂的藕合振动发生的可能性。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系21上一页 下一页6)6)提高悬索桥结构体

21、系的抗挠刚度和抗扭刚度，可以有效地提提高悬索桥结构体系的抗挠刚度和抗扭刚度，可以有效地提高其自振固有频率。高其自振固有频率。 v分析表明仅增加加劲梁的抗弯刚度，并不能有效地提高挠曲振动的固有频率；增加加劲梁抗扭刚度则可显著地提高扭转振动的固有频率；增加桁架式加劲梁抗扭刚度的最有效的措施是增加其梁的高度。v提高挠曲振动的固有频率的有效方法是减小主缆索的垂跨比，以提高主缆索的抗挠刚度；或采用缩短边跨跨径、在主跨跨中点使主缆索与加劲梁刚性连接等措施，改变结构体系的振型，以达到提高悬索桥结构体系挠曲振动固有频率的目的。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系22上一页 下一页7)7)大跨

22、度悬索桥对风荷载的动力反应是十分复杂的，往往成为大跨度悬索桥对风荷载的动力反应是十分复杂的，往往成为控制设计的主要因素。控制设计的主要因素。 v风荷载对悬索桥结构的作用不仅仅是单纯的静风荷载作用，还包括风速和风向随时间、空间变化的动态风荷载作用。自从美国塔科玛海峡悬索桥在19ms的风荷载作用下由于扭转共振而垮桥发生后，人们对悬索桥结构的抗风动力稳定性问题进行了深入而广泛的研究。一般认为悬索桥结构对风荷载的动力反应是由若干种基本风振现象复合而成，因而相当复杂。这些基本风振现象包括抖振、涡流激振、跳跃驰振、扭转颤振和弯曲扭转藕合颤振等等。对于大跨度悬索桥考虑这些因素的抗风稳定性分析是必不可少的，同

23、时还需通过风洞实验对分析结果进行检验，以保证分析计算的正确性和结构设计的合理性。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系23上一页 下一页2 2悬索桥的计算理论、计算图式和计算内容悬索桥的计算理论、计算图式和计算内容(1) v早期悬索桥结构计算主要利用线弹性理论。分析计算时，主缆索的几何形状由满跨均布的恒载来决定，通常采用的线形为二次抛物线，忽略活载作用使主缆索几何形状发生的改变对结构内力的影响。v悬索桥结构一般采用平面结构计算图式，主缆索、加劲梁和桥塔均看作线弹性构件，内力和位移计算采用叠加原理和影响线加载方法，不考虑结构的非线性特性，结构的动荷载简化为静荷载考虑，结构计算以静

24、力计算为主。v这一计算理论对于早期修建的有足够加劲梁刚度的小跨径悬索桥基本可以满足工程上的需求。 2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系24上一页 下一页2 2悬索桥的计算理论、计算图式和计算内容悬索桥的计算理论、计算图式和计算内容(2)v 随着悬索桥的跨径不断增大,加劲梁的高跨比不断降低,荷载作用引起主缆索变形及其几何形状的改变对结构内力的影响愈来愈大,按线弹性理论计算的结构内力与结构实际内力误差较大,实际上结构受力的平衡应建立在变形后的结构几何形状上。v许多学者先后提出和发展了考虑位移变形影响的挠度理论。v其理论认为：主缆索在恒载作用下获得平衡时的几何形状由于活载的作用将发生

25、改变,主缆索由活载作用引起的变形和增加的拉力在结构计算中应予以考虑。结构的平衡方程必须建立在变形后的结构体系上。v挠度理论考虑了主缆索的几何非线性性质,即结构的内力或变形与荷载呈非线性关系。此时叠加原理和影响线加载法将不再适用,结构计算工作量也将大大增加。2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系25上一页 下一页2 2悬索桥的计算理论、计算图式和计算内容悬索桥的计算理论、计算图式和计算内容(3) v挠度理论是悬索桥结构计算的解析方法,由于方程求解的复杂性,一些学者提出了适当简化的线性挠度理论。v线性挠度理论忽略了平衡方程中的高阶微量,对于恒载与活载之比较大的悬索桥,其结构内力计算具

26、有较好的近似性。挠度理论依然采用平面结构计算图式,主缆索、加劲梁和桥塔仍看作线弹性构件,但结构平衡方程的建立考虑了结构位移变形的影响。挠度理论主要用于结构的静力和拟静力计算,进行结构动力分析时,需引入数值计算方法,如有限元方法。2022-6-16南京工业大学土木工程学院交通工程系26上一页 下一页2悬索桥的计算理论、计算图式和计算内容(4) v由于计算机的广泛应用和计算结构力学的发展，现代悬索桥的计算主要采用有限位移理论。结构分析表明：悬索桥的跨径进一步增大时，加劲梁的高跨比小于1300时，采用线性挠度理论分析悬索桥所产生的误差是不容忽略的，因此有必要采用有限位移理论对悬索桥进行结构分析，以便获得更加精确分析计算结果。v有限位移理论认为：在荷载作用下，