桥梁工程之斜拉桥设计课件（PPT240页）

1、1第一章 总体布置第二章 斜拉桥的构造第三章 斜拉桥的计算第四章 斜拉桥的施工第五章 实例斜拉桥2第一节 概述第二节 孔跨布局第三节 索塔布置第四节 拉索布置第五节 主要结构体系第一章 总体布置第一章 总体布置3斜拉桥的发展大致经历了以下三个阶段：第一阶段：稀索布置，主梁较高，主梁以受弯为主，拉索更换不方便。第二阶段：中密索布置，主梁较矮，主梁承受较大轴力和弯矩。第三阶段：密索布置，主梁更矮，并广泛采用梁板式开口断面，主梁承受轴力为主，弯矩为辅。 第一节 概述第一章 总体布置 第一节 概述4在斜拉桥的发展历史中，以下几座斜拉桥具有里程碑意义： 1955年瑞典建成的第一座现代钢斜拉桥：主跨182

2、.6m的斯特罗姆海峡桥。 1962年委内瑞拉建成的第一座混凝土斜拉桥：主跨5235m的马拉开波桥。 1978年美国建成的第一座密索体系混凝土斜拉桥：主跨299m的P-K（帕斯卡-肯尼斯克）桥。 1992年挪威建成的斯卡恩圣特桥，为主跨530m的混凝土斜拉桥，梁高仅2.15m，至今仍保持混凝土斜拉桥最大跨径的记录。 第一章 总体布置 第一节 概述5 1993年上海建成的杨浦大桥，主跨602m，为当时世界最大跨径的钢混凝土结合梁斜拉桥。 1995年法国建成的诺曼底大桥，主跨856m，为当时世界最大跨径的主钢边混凝土混合梁斜拉桥。 1999年日本建成的多多罗大桥，主跨890m，为主钢边混凝土混合梁斜

3、拉桥。 2008年江苏建成的苏通大桥，主跨1088m，建成时为世界最大跨径斜拉桥。 2012年俄罗斯建成的海参崴俄罗斯岛跨海大桥，主跨1104m，是目前跨径最大的斜拉桥第一章 总体布置 第一节 概述62003年建成的希腊Rion-Antirion桥（安蒂里奥大桥）跨越科林斯海湾，水深达65米，岩床深500米，2000年重现期的地震最大峰加速度1.2g，半岛以每年8-11mm速度漂离大陆，五跨连续全漂浮斜拉桥的抗震体系(L=560m)，可滑动的加筋土隔震基础(25-30m钢管桩加固，3m垫层)2004年建成的法国Millau高架桥（米洛高架桥）多跨连续单索面斜拉桥(L=342m)，2#墩高245

4、米，加90米塔高，总高343米。流线形带风嘴桥面以减少风荷载，3米高风障。顶推法施工，钢塔柱卧式移动就位，中间临时墩，3-5天一节。第一章 总体布置 第一节 概述7第一座现代化斜拉桥瑞典Stromsund桥（斯特罗姆海峡桥）（L=182.6m, 1955年）第一章 总体布置 第一节 概述8 1952年,德国莱昂哈特（Leonhardt）教授在世界上第一个设计出现代化斜拉桥德国杜塞尔多夫（Dusseldorf）跨过莱因河的Theodore-Heuss桥，但该桥直到1958年才建成。 德国Theodore-Heuss桥（1958年)西奥多第一章 总体布置 第一节 概述9 马拉开波桥（L=5235m

5、, 1962年）第一章 总体布置 第一节 概述10 美国P-K桥（L=299m, 1978年）第一章 总体布置 第一节 概述11 美国日照桥的防撞设施（L=366m, 1987年）第一章 总体布置 第一节 概述12 挪威Skarnsundet桥(L=530m,1991年)斯卡恩圣特桥第一章 总体布置 第一节 概述13法国Normandy桥(L=856m,1995年) 诺曼底第一章 总体布置 第一节 概述14 日本多多罗桥（L=890m,1999年）第一章 总体布置 第一节 概述15希腊 Rion-Antirion桥安蒂里奥大桥（ 286+560+560+560+286m ,2003年）第一章

6、总体布置 第一节 概述16Millau米洛高架桥2046342204m,2004年第一章 总体布置 第一节 概述17 岩锚索曲线梁斜拉桥（方案）第一章 总体布置 第一节 概述18 上海杨浦大桥（L=602m,1993年）第一章 总体布置 第一节 概述19 安徽铜陵长江大桥（L=432m,1995年）第一章 总体布置 第一节 概述20 安徽芜湖长江大桥 L=312m,2000年第一章 总体布置 第一节 概述21 岳阳洞庭湖大桥 L=310m,2000年第一章 总体布置 第一节 概述22 南京长江二桥 L=628m，2001年第一章 总体布置 第一节 概述23 深圳-香港西部通道深圳湾公路大桥 L

7、=180m,B=37.6m,单索面钢箱梁第一章 总体布置 第一节 概述24 江苏苏通大桥 L=1088m第一章 总体布置 第一节 概述25 香港昂船洲大桥,全长1614米，主跨1018米，为圆形独柱分离流线型双箱斜拉桥，塔高298米。大桥于2003年动工，2009年竣工。第一章 总体布置 第一节 概述26 徐埔大桥第一章 总体布置 第一节 概述27 重庆长江二桥：过渡孔(）主孔(）过渡孔(）南引桥(），桥面宽度为车道(中间设置分隔带），宽。 第一章 总体布置 第一节 概述28 重庆石门桥：位于重庆市沙坪坝，跨越嘉陵江，全长。主桥为(）单索面独塔预应力混凝土斜拉桥第一章 总体布置 第一节 概述2

8、9鹿特丹的超现代伊拉斯缪斯大桥第一章 总体布置 第一节 概述30长沙洪山庙大桥第一章 总体布置 第一节 概述31海参崴俄罗斯岛跨海大桥，中跨跨度长度1104米，为世界纪录，牵索长580米。距水平面高度 70米。桥墩高度324米。主跨1104米的俄罗斯岛大桥（Russky Island Bridge）于2012年7月2日在海参崴通车投入使用，成为全世界第三座跨度超过千米的斜拉桥，也超越国内主跨1088米的苏通大桥（Sutong Bridge）和香港主跨1018米的昂船洲大桥（Stonecutters Bridge）成为全球主跨最长的斜拉桥。第一章 总体布置 第一节 概述32 斜拉桥主要由主梁、索

9、塔和斜拉索三大部分成： 主梁 一般采用混凝土结构、钢混凝土组合结构、钢结构或钢和混凝土混合结构； 索塔 采用混凝土、钢混凝土组合或钢结构； 大部分采用混凝土结构； 斜拉索 则采用高强材料（高强钢丝或钢绞线）制成。第一章 总体布置 第一节 概述33 斜拉桥中荷载传递路径是：斜拉索的两端分别锚固在主梁和索塔上，将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传至地基 （图4-1-1）。 因而主梁在斜拉索的各点支承作用下，呈多跨弹性支承的连续梁受力，梁内弯矩大大地降低，使主梁尺寸大幅度减小（梁高一般为跨度的1/501/200，甚至更小），减轻了结构自重，大幅度地增大了桥梁的跨越能力。 第一章 总体布置

10、第一节 概述34图4-1-1 三跨连续梁和三跨斜拉桥的恒载内力对比 从图中可以看出，由于斜拉索的支承作用，使主梁恒载弯矩显著减小第一章 总体布置 第一节 概述35 斜拉索对主梁的多点弹性支承作用，只有在拉索始终处于拉紧状态时才能得到充分发挥。 因此在主梁承受荷载之前必须对斜拉索进行预张拉。预张拉力可以给主梁一个初始支承力，以调整主梁初始内力，使主梁受力状况更趋均匀合理，并提高斜拉索的刚度 。 此外，斜拉索轴力产生的水平分力对主梁施加了预压力，从而可以增强主梁的抗裂性能，节约主梁中预应力钢材的用量（钢梁的稳定性问题）。第一章 总体布置 第一节 概述36斜拉桥属高次超静定结构，与其他体系桥梁相比，

11、包含着更多的设计变量，全桥总的技术经济合理性不易简单地由结构体积小、重量轻、或者满应力等概念准确地表示出来，这就使选定桥型方案和寻求合理设计带来一定困难。第一章 总体布置 第一节 概述37第二节 孔跨布局一、双塔三跨式 图4-1-2 双塔三跨式斜拉桥 活载作用在主跨时，尾索受拉，而作用在跨中时尾索的最大；活载作用在边跨时，尾索松弛。这其中就存在着，允许 220MPa。由于它的主跨跨径较大，一般适用于跨越较大的河流。第一章 总体布置 第二节 孔跨布局38 边主跨之比应小于0.5，边跨较小时，边跨主梁的刚度较大，边跨拉索较短，刚度也就相对较大，因而此时边跨对索塔的锚固作用就大，即边跨小则主跨的刚度

12、就大。 对于活载比重较小的公路和城市桥梁，合理的边主跨之比为0.400.45,而对于活载比重大的铁路桥梁，边主跨之比宜为0.200.25，同样道理，钢斜拉桥的边跨应比相同跨径混凝土斜拉桥的跨径小。 第一章 总体布置 第二节 孔跨布局39图19 南京长江二桥（单位：m） 0.3030.486第一章 总体布置 第二节 孔跨布局40二、独塔双跨式 图4-1-3 独塔斜拉桥 由于它的主孔跨径一般比双塔三跨式的主孔跨径小，适用于跨越中小河流和城市通道。第一章 总体布置 第二节 孔跨布局41 独塔双跨式斜拉桥的主跨跨径L2与边跨跨径L1之间的比例关系一般为:L1=（0.50.8）L2 多数接近于: L1=

13、0.66L2两跨相等时，由于失去了边跨及端锚索对主跨变形的约束作用，因而这种形式较少采用。图20 独塔斜拉桥第一章 总体布置 第二节 孔跨布局42三、三塔四跨式和多塔多跨式图4-1-4 三塔四跨式斜拉桥 第一章 总体布置 第二节 孔跨布局43由于多塔多跨式斜拉桥与悬索桥的中间塔塔顶没有端锚索来有效地限制它的变位，因此，已经是柔性结构的斜拉桥或悬索桥采用多塔多跨式将使结构柔性进一步增大，可能导致变形过大。 44 图4-1-5 斜拉桥的变形(a)三塔四跨式斜拉桥的变形 (b) 双塔三跨式斜拉桥的变形 第一章 总体布置 第二节 孔跨布局45四、辅助墩和边引跨 a) 设引跨 b) 设辅助墩 活载往往在

14、边跨梁端附近区域产生很大的正弯矩，并导致梁体转动，伸缩缝易受损，在此情况下，可以通过加长边梁以形成引跨或设置辅助墩的方法予以解决，同时，设辅助墩可以减小拉索应力变幅，提高主跨刚度，又能缓和端支点负反力，是大跨度斜拉桥中常用的方法。 另外，设置辅助墩也便于斜拉桥的悬臂施工，即双悬臂施工到辅助墩处的时候就相当于单悬臂施工，其摆动小，较安全。图4-1-6 边引跨和辅助墩第一章 总体布置 第二节 孔跨布局46 第三节 索塔布置 一、索塔的形式 索塔是表达斜拉桥个性和视觉效果的主要结构物，因而对于索塔的美学设计应予足够的重视。 索塔设计必须适合于拉索的布置，传力应简单明确，在恒载作用下，索塔应尽可能处于

15、轴心受压状态。 第一章 总体布置 第三节 索塔布置47图4-1-7 索塔的纵向布置形式（a）为单柱式主塔，其构造简单；（b）为A字型（c）为倒Y型，它们在顺桥向刚度大，有利于承受索塔两侧斜拉索的不平衡拉力；A字型还可减小主梁在该点处的负弯矩。 纵桥向第一章 总体布置 第三节 索塔布置48图4-1-8 索塔的横向布置形式横桥向第一章 总体布置 第三节 索塔布置49 索塔横桥方向的布置方式，可分为独柱型、双柱型、门型或H型、A型、宝石型或倒Y型等，如图4-1-8所示。 索塔纵横向布置均呈独柱型的索塔，仅适用于单索面斜拉桥。当需要加强横桥向抗风刚度时，则可以配合采用图4-1-8 g或h的型式。图4-

16、1-8 bd一般适用于双平面索的情况；图4-1-8 e、f和i一般适用于双斜索面的斜拉桥上。 第一章 总体布置 第三节 索塔布置50二、塔的高跨比普通索 端锚索 图4-1-9 塔高和索长、倾角的相互关系索塔的高度H决定着整个桥梁的刚度和经济性， 第一章 总体布置 第三节 索塔布置51 普通索： 图a）中,在刚性主梁拉索锚点处荷载P的作用下，主梁下挠量为 : 公式右边第一项为拉索引起的挠度，当sin2cos的值为最大时，拉索对主梁的支撑刚度最大，此时拉索的角度55。 公式右边第二项为塔所引起的挠度，其中EI为综合考虑背索影响的索塔等截面当量刚度，显然tan越小，即塔越矮，则塔对梁的支承刚度就越大

17、。 第一章 总体布置 第三节 索塔布置52 对于端锚索情形，如图 b)所示，当中跨布载时，在水平力F的作用下，塔顶水平位移为： 即35时，最小，端锚索提供的支承刚度最大 。 (4-1-2)第一章 总体布置 第三节 索塔布置53 若拉索截面面积A由容许应力控制s控制设计，即 ，由于轴力N与倾角有关，经简单推导可知，对于图 a)、b)两种情形，均应等于45 。即：索能发挥最大效益：=45 索能提供最大刚度： =35 第一章 总体布置 第三节 索塔布置54图4-1-10 索塔高跨比范围 一般来说，索的水平倾角不应小于20，否则拉索提供的竖直力小，总拉力大，相应索的用钢量大，同时垂度影响也大。 图4-

18、1-10是双塔和独塔斜拉桥索塔的常见高跨比范围。第一章 总体布置 第三节 索塔布置55第四节 拉索布置一、索面位置 索面位置一般有图4-1-11所示的3种类型，即（a）单索面，（b）竖向双索面和（c）斜向双索面、多索面图4-1-11 索面布置第一章 总体布置 第四节 拉索布置56单索面：从力学抗扭刚度较大的箱形截面。其优点是角度来看，拉索对抗扭不起作用。因此，主梁应采用桥面上视野开阔。 竖向双索面：作用于桥梁上的扭矩可由拉索的轴力来抵抗，主梁可采用较小抗扭刚度的截面。其抗风能力相对较弱。 斜向双索面，它对桥面梁体抵抗风力扭振特别有利（斜向双索面限制了主梁的横向摆动）。倾斜的双索面应采用倒Y型、

19、A型或双子型索塔。若跨径过小，考虑视野问题，不宜采用。一般在跨径大于600m时采用，或者是不能达到抗风要求的时候采用。第一章 总体布置 第四节 拉索布置57二、索面形状 索面形状主要有如图4-1-12所示的3种基本类型，即（a）放射形，（b）竖琴形和（c）扇形。它们各自的特点如下： 图4-1-12 斜拉索立面布置方式 a)辐射形；b)竖琴形；c)扇形第一章 总体布置 第四节 拉索布置58 （a）辐射形布置的斜拉索沿主梁为均匀分布，而在索塔上则集中于塔顶一点。由于其斜拉索与水平面的平均交角较大，故斜拉索的垂直分力对主梁的支承效果也大，但塔顶上的锚固点构造复杂； （b）竖琴形布置中的斜拉索成平行排

20、列，在索数少时显得比较简洁，并可简化斜拉索与索塔的连接构造，塔上锚固点分散，对索塔的受力有利，缺点是斜拉索的倾角较小，索的总拉力大，故钢索用量较多。 （c）扇形布置的斜拉索是不相互平行的，它兼有上面两种布置方式的优点，在设计中获得广泛应用。第一章 总体布置 第四节 拉索布置59三、索距的布置 索距的布置，可以分为“稀索”与“密索”。 早期稀索；现代密索（计算机计算）密索体系优点如下： 1、索距小，主梁弯矩小（主梁上索距一般混凝土梁是4-10m，钢梁是12-20m）； 2、索力较小，锚固点构造简单； 3、锚固点附近应力流变化小，补强范围小； 4、利于伸臂架设； 5、易于换索。 6、斜拉桥采用悬臂

21、法架设时，索间距宜为515m。 第一章 总体布置 第四节 拉索布置60 第五节 主要结构体系 斜拉桥的结构体系，可以有以下几种不同的划分方式： （1）按照塔、梁、墩相互结合方式，可划分为漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系和刚构体系。 （2）按照主梁的连续方式，有连续体系和T构体系等。 （3）按照斜拉索的锚固方式，有自锚体系、部分地锚体系和地锚体系。 （4）按照塔的高度不同，有常规斜拉桥和矮塔部分斜拉桥体系。第一章 总体布置 第五节 主要结构体系61图4-1-13 漂浮体系 图4-1-15 半漂浮体系图4-1-16 塔梁固结体系 图4-1-17 刚构体系按照塔、梁、墩相互结合方式分类第一章 总体

22、布置 第五节 主要结构体系62一、飘浮体系 漂浮体系的特点是塔墩固结、塔梁分离。主梁除两端有支承外，其余全部用拉索悬吊，属于一种在纵向可稍作浮动的多跨弹性支承连续梁。图4-1-13 漂浮体系斜拉桥第一章 总体布置 第五节 主要结构体系63斜拉索是不能对梁提供有效的横向支承的，为了抵抗由于风力等引起主梁的横向水平位移，一般应在塔柱和主梁之间设置一种用来限制侧向变位的板式或聚四氟乙烯盆式橡胶支座，简称侧向限位支座。 图4-1-14 主梁侧向限位支座第一章 总体布置 第五节 主要结构体系64采用漂浮体系的斜拉桥有：荆州长江公路大桥北汊桥（混凝土） 跨径：200+500+200m鄂黄长江公路大桥（混凝

23、土） 跨径：55+200+480+200+55m重庆大佛寺长江大桥（混凝土） 跨径：350+198+450+198+350m重庆长江二桥（混凝土） 跨径：53+169+444+169+53m武汉长江二桥（混凝土） 跨径：180+400+180m岳阳洞庭湖大桥（混凝土） 跨径：130+310310130m 第一章 总体布置 第五节 主要结构体系65 优点： 主跨满载时，塔柱处的主梁截面无负弯矩峰值； 由于主梁可以随塔柱的缩短而下降，所以温度、收缩和徐 变次内力均较小。 密索体系中主梁各截面的变形和内力的变化较平缓，受力 较均匀； 地震时允许全梁纵向摆荡，作长周期运动，从而吸震消能。 目前，大跨斜

24、拉桥（主跨400米以上）多采用此种体系 第一章 总体布置 第五节 主要结构体系66 缺点： 悬臂施工时，塔柱处主梁需临时固结，以抵抗施工过程中的不平衡弯矩和纵向剪力，由于施工不可能做到完全对称，成桥后解除临时固结时，主梁会发生纵向摆动，应予注意。可设置阻尼器。 为了防止纵向飓风和地震荷载使漂浮体系斜拉桥产生过大的摆动，影响安全，十分有必要在斜拉桥塔上的梁底部位设置高阻尼的主梁水平弹性限位装置。第一章 总体布置 第五节 主要结构体系67二、半飘浮体系 半漂浮体系的特点是塔墩固结，主梁在塔墩上设置竖向支承，成为具有多点弹性支承的三跨连续梁。可以是一个固定支座，三个活动支座；也可以是四个活动支座，但

25、一般均设活动支座，以避免由于不对称约束而导致不均衡温度变位，水平位移将由斜拉索制约。图4-1-15 半漂体系斜拉桥第一章 总体布置 第五节 主要结构体系68采用半漂浮体系的斜拉桥有:南京长江二桥南汊桥（钢） 跨径：58.5+246.5+628+246.5+58.5m安庆长江大桥（钢） 跨径：50+215+510+215+50m武汉军山长江大桥（钢） 跨径：48+204+460+204+48m润杨长江大桥北汊桥（钢） 跨径：175.4+406+175.4m铜陵长江大桥（混凝土） 跨径：80+90+190+432+190+90+80m马桑溪县长江大桥（混凝土） 跨径：179+360+179m挪威H

26、elgeland海格兰德大桥（混凝土） 跨径：177.5+425+177.5m第一章 总体布置 第五节 主要结构体系69 半漂浮体系若采用一般支座来处理则无明显 优点，因为当两跨满载时，塔柱处主梁有负弯矩尖 峰，温度、收缩、徐变次内力仍较大。 若在墩顶设置一种可以用来调节高度的支座或 弹簧支承来替代从塔柱中心悬吊下来的拉索（一 般称“零号索”），并在成桥时调整支座反力，以消除大部分收缩、徐变等的不利影响，这样就可以与漂浮体系相媲美，并且在经济和减小纵向漂移方面将会有一定好处。第一章 总体布置 第五节 主要结构体系70三、塔梁固结体系 塔梁固结体系的特点是将塔梁固结并支承在墩上，斜拉索变为弹性支

27、承。主梁的内力与挠度直接同主梁与索塔的弯曲刚度比值有关。这种体系的主梁一般只在一个塔柱处设置固定支座，而其余均为纵向可以活动的支座。图4-1-16 塔梁固结体系斜拉桥第一章 总体布置 第五节 主要结构体系71 采用塔梁固结体系的斜拉桥有： 法国布劳东纳桥（Brotoune）(混凝土) 跨径：58.5+143.5+320+143.5+70m 红水河铁路斜拉桥 跨径：48+96+48m优点：显著减小主梁中央段的轴向拉力，且在索塔和主梁中的温度内力极小。缺点：中孔满载时，主梁在墩顶处转角位移导致塔柱倾斜，使塔顶产生较大水平位移，显著增大主梁跨中挠度和边跨负弯矩；另外上部结构重量和活载反力都需由支座传

28、给桥墩，需要设置很大吨位的支座。在大跨径斜拉桥中，这种支座甚至达到上万吨级，支座的设计制造及日后养护、更换困难。第一章 总体布置 第五节 主要结构体系72采用刚构体系的斜拉桥有：广东崖门大桥（混凝土） 跨径：50+115+338+115+50m广东金马大桥（混凝土） 跨径：60+283+283+60m长沙湘江北大桥（混凝土） 跨径：105+210+105m美国Dame Point桥（混凝土） 跨径：198.2+396.4+198.2m美国Sunshine Skyway日照桥（混凝土） 跨径：73.2+164.6+365.8+164.6+73.2m第一章 总体布置 第五节 主要结构体系73四、刚

29、构体系 刚构体系的特点是塔梁墩相互固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。 图4-1-17 刚构体系斜拉桥第一章 总体布置 第五节 主要结构体系74优点： 既免除了大型支座又能满足悬臂施工的稳定要求；结构的 整体刚度比较好，主梁挠度又小。缺点： 主梁固结处负弯矩大，使固结处附近截面需要加大；再则为消除温度应力，应用于双塔斜拉桥中时要求墩身具有一定的柔性，常用于高墩的场合，以避免出现过大的附加内力。另外，这种体系比较适合于独塔斜拉桥。第一章 总体布置 第五节 主要结构体系75 图4-1-18 三台涪江桥 （其悬挂梁消除了温度影响，但不利于行车）图4-1-19 插入剪力铰 T构体系与刚构体系区别:

30、 主梁跨中区域无轴拉力。具体做法： 一是在斜拉桥主跨中央部分插入一小跨悬挂结构; 二是以“剪力铰”代替悬挂结构,剪力铰的功能是只传弯矩、剪力，不传轴力。五、T构体系 按主梁的连续方式: 有连续体系和T构体系。第一章 总体布置 第五节 主要结构体系76采用T构体系的斜拉桥有： 委内瑞拉马拉开波桥（Maracaibo） 跨径：160+5235+95m 阿根廷的Chaco Corrientes查科科连特斯大桥 跨径：163.5+245+163.5m 西班牙Luna月亮桥(混凝土) 跨径：66.74+440+66.74m 郧阳汉江大桥（混凝土） 跨径：43+414+43m第一章 总体布置 第五节 主要

31、结构体系77图4-1-20 西班牙卢纳桥斜拉桥多数是自锚体系。只有在主跨很大边跨很小时，少数斜拉桥才采用部分地锚体系。 按照斜拉索的锚固方式分类：自锚式、地锚式六、部分地锚体系 第一章 总体布置 第五节 主要结构体系78图4-1-21 郧阳汉江桥 第一章 总体布置 第五节 主要结构体系79图4-1-22 矮塔部分斜拉桥 矮塔部分斜拉桥受力性能介于梁式桥和斜拉桥之间。 按塔高分类：常规斜拉桥和矮塔部分斜拉桥七、矮塔部分斜拉桥体系 第一章 总体布置 第五节 主要结构体系80在相同截面下，塔抗水平变位刚度与塔高h三次方成反比，塔高降低则塔身刚度迅速提高。但塔高降低后拉索水平倾角将减小，拉索对主梁的支

32、撑作用减弱，而水平压力增大，相当于拉索对主梁施加了一个较大的体外预应力。矮塔部分斜拉桥由于拉索不能提供足够的支撑刚度，故要求主梁的刚度较大。因拉索只提供部分刚度，“部分斜拉桥”由此得名。第一章 总体布置 第五节 主要结构体系81采用矮塔部分斜拉桥体系的斜拉桥有：芜湖长江大桥（钢） 跨径：180+312+180m日本木曾川大桥 跨径：160+3275+160m楫斐川桥 跨径：154+4271.5+154m冲原桥 跨径：65.4+180+65.4m蟹泽大桥 跨径：99.3+180+99.3m第一章 总体布置 第五节 主要结构体系82矮塔部分斜拉桥具有以下特点 ： 1、塔较矮。常规斜拉桥的塔高与跨度

33、之比为1/41/5，而部分斜拉桥为1/81/12。 2、梁的无索区较长，没有端锚索。 3、边跨与主跨的比值较大，一般大于0.5。 4、梁高较大，高跨比为1/301/40，甚至做成变高度梁。 5、拉索对竖向恒活载的分担率小于30，受力以梁为主，索为辅。 6、由于梁的刚度大，活载作用下斜拉索的应力变幅较小，可按体外预应力索设计。第一章 总体布置 第五节 主要结构体系83第二章 斜拉桥的构造第一节 主梁的构造第二节 索塔第三节 拉索第二章 斜拉桥的构造84 第一节 主梁的构造主梁的作用有三个方面： 1、将恒、活载分散传给拉索。梁的刚度越小，则承担的 弯矩越小； 2、与拉索及索塔一起成为整个桥梁的一部

34、分，主梁承受的 力主要是拉索的水平分力所形成的轴压力，因而需有足 够的刚度防止压屈； 3、抵抗横向风载和地震荷载，并把这些力传给下部结构。第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造85 当拉索间距较大时，主梁由弯矩控制设计。对于单索面斜拉桥，主梁由扭转控制设计。对于双索面密索体系，主梁设计主要应考虑轴压力因素以及整个桥的纵向弯曲。 另外，应考虑到在减小活载的情况下主梁有足够的强度和刚度以更换拉索。并需考虑个别拉索偶然拉断或退出工作时结构仍具有足够的安全储备。第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造86 主梁的高跨比正常范围 对于双索面情形：1/1001/150 对于单索面情形：1/501/100

35、，且 高宽比不宜小于1/10。（若高宽比过小其 抗扭性能不能保证）第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造87一、实体梁式和板式主梁 实体梁式和板式截面的主梁一般仅适用于双索面斜拉桥，因为这种截面具有构造简单和施工方便（制作时无内模，而箱形截面需内模）的优点。特别是当斜索在边主梁中锚固时，锚固构造非常简单，而且在索面内具有一定的抗弯刚度，在锚固点处可以避免产生大的横向力流。 梁高较矮时，截面空气阻力小，在空气动力性能方面是合理与有效的，特别当桥面宽度增大到整个截面近似于一块平板时。第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造88实体梁式主梁图4-2-2重庆大佛寺长江公路大桥主梁第二章 斜拉桥的构造

36、 第一节 主梁的构造89图4-2-3荆州长江公路大桥主梁施工方便：悬臂法施工时，为减轻挂兰负荷，可将两个边主梁先行浇筑，然后，在挂索后再浇筑横梁，最后浇筑桥面板混凝土，使形成整体，共同受力。适用双索面斜拉桥。第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造90是20世纪80年代以来斜拉桥主梁的跨高比一再增大，主梁高度相对减小的结果。所谓矮梁板式主梁，是指主梁位于两边，且梁高相对于桥宽来说很小，但两主梁间仍有横梁和桥面板相连。实体板式主梁构造最简单，抗风性能也好；但抗扭能力较小，截面效率较低。适用双面密索且宽度不太大的桥。 图4-2-4 实体板式主梁第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造91二、箱形截

37、面 混凝土箱形截面主梁是现代斜拉桥中经常采用的截面形式。 它的抗弯和抗扭刚度大，能适应稀索、密索、单索面或双索面等不同斜索布置； 其组合截面，也可以方便地形成封闭式的单箱形式或分离式的双箱形式，以适应不同桥宽的需要； 截面的组合构造，也可以部分预制、部分现场浇筑为桥梁施工方案提供了更多的选择。第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造92单索面箱形截面主梁（a）法国布鲁东纳（Brotonne）桥 （b）美国日照（Sunshine Skyway）桥单箱单室： 采用斜腹板，可以改善抗风性能，又可减小墩台的宽度，且箱形截面的抗扭刚度也大。 （为了防止斜腹板开裂，需要施加预应力）第二章 斜拉桥的构造 第

38、一节 主梁的构造93单箱三室：宽达30-35m，悬臂施工时，须将截面分成三榀，先施工中间箱，待挂完拉索后，再完成两侧边箱的施工，呈品字形前进，将截面构成整体。 中腹板间距较小，有利于单索面的传力，边腹板倾角更小，对抗风更有利。 图4-2-9 长沙湘江北大桥三室箱梁截面第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造94双索面箱形截面主梁图4-2-6 武汉长江二桥双箱形主梁分离式的两个箱体各自锚固于拉索，两箱之间则以横梁和桥面板连结。双箱梁的典型截面为倒梯形。 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造95 图4-2-7 美国PK桥三角形双箱梁（PK断面） 其纵肋可以传递轴力，且其离索很近，传力性能好，故

39、底板可以省了。同时，这种截面施工时需要内模。 抗风性能良好，中部无底板，可减轻结构自重。 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造96三角形截面对抗风最有利 图4-2-8 挪威Skarnsunddet桥主梁第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造97单箱多室断面第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造98南京长江二桥扁平多室钢箱梁 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造99 a）日本岩黑岛桥断面 b）日本横滨湾大桥断面第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造100岩黑岛桥主梁节段第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造101芜湖长江大桥桁架主梁 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造102

40、泰国湄南河桥单索面钢箱梁截面 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造103安那西斯桥组合梁截面 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造104杨浦大桥主梁断面 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造105混凝土桥面板与钢主梁之间的栓钉联接 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造106 三、不同材料主梁的适宜跨径 斜拉桥主梁有下列四种不同的组成方式：1、预应力混凝土梁，称为混凝土斜拉桥，经济跨径400m以下。2、钢混凝土组合梁，称为组合梁斜拉桥，经济跨径400 600m。 3、全钢主梁，称为钢斜拉桥，经济跨径600m以上。4、主跨为钢主梁或钢混凝土组合梁，边跨为混凝土梁，称为混合式斜拉桥，

41、经济跨径600m以上。 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造107法国诺曼底大桥混合梁第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造108日本多多罗大桥钢主梁 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造109武汉白沙州大桥钢主梁 第二章 斜拉桥的构造 第一节 主梁的构造110第二节 索塔 一、索塔构件组成图4-2-10 索塔构件组成 索塔在美学上起决定性作用：慎选形状、勾画尺寸比例、借助模型、后局部优化。第二章 斜拉桥的构造 第二节 索塔111 组成索塔的主要构件是塔柱，另外还有塔柱之间的横梁或其他连结构件。 塔柱之间的横梁一般可分为承重横梁与非承重横梁。前者为设置主梁支座的受弯横梁，以及塔柱转折

42、处的压杆横梁或拉杆横梁；后者为塔顶横梁和塔柱无转折的中间横梁。第二章 斜拉桥的构造 第二节 索塔112 二、混凝土塔的构造 实心体索塔一般适用于中小跨度的斜拉桥，对于小跨度可采用等截面，对于中等跨度以上的斜拉桥塔柱可采用空心截面。 第二章 斜拉桥的构造 第二节 索塔113表4-2-2 混凝土索塔常采用的截面形式第二章 斜拉桥的构造 第二节 索塔114 矩形截面索塔的构造简单，其四角宜做成倒角或圆角，以利抗风。 H形截面索塔对抗风最为不利。 八角形截面有利于配置封闭式环向预应力筋，但构造稍复杂。第二章 斜拉桥的构造 第二节 索塔115 H形截面在立面上可以不使锚头外露，对美观有所改善，但同时造成

43、了四个索面。 对此问题可以采用两个索面（如下图）的H字截面塔解决。不过采用一种形式会造成桥塔受扭，用两种形式上下交叉设置可以避免桥塔受扭但不美观。（a） （b） （c）第二章 斜拉桥的构造 第二节 索塔116 第三节 拉索一、拉索的构造 拉索的构造基本上分为整体安装的拉索和分散安装的拉索两大类。前者的代表为平行钢丝索配冷铸锚，后者的代表为平行钢绞线索配夹片锚。第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索117图4-2-11 平行钢丝拉索 1、平行钢丝索配冷铸锚第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索1182、平行钢绞线索配夹片锚图4-2-12 平行钢绞线拉索第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索119 将平行钢丝

44、索中的钢丝换成等截面的钢绞线即成为钢绞线索。 单根钢绞线索质量较轻，运输和安装方便，但锚头需现场防护，质量保证难度增大。 第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索120二、拉索的锚固1、拉索在梁上的锚固 垂直分力由加劲斜杆平衡 第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索121图4-2-13 拉索与混凝土梁的锚固形式 梁底两侧锚固块 梁两侧锚固块 第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索1222、拉索在索塔上的锚固 实体塔 交错锚固塔内设钢管钢扁担 锚固 牛腿只受竖向力钢锚箱 锚固图4-2-14 斜索与混凝土梁的锚固形式预应力 空心塔点非交错锚固设环向预应力筋第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索123三、拉索的应力

45、拉索的应力控制需要考虑三个因素，即有效弹性模量、破断强度和疲劳。 斜索的等效弹性模量为： （L=0时即表示是垂直索，此时无垂度影响。） 若斜索的应力过低，则斜索的垂度大，索的有效模量就小，这也反应了斜拉索必须采用高强度钢材的直接原因。因而，控制斜索的最小应力是十分必要的。第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索124 根据钢材的受力特性，当拉索的荷载超过破断荷载的50时，钢的非弹性应变将快速增加，因而对于一般荷载组合，拉索的最大荷载只能到它破断强度的40。 另外，拉索应具有足够的抗疲劳能力，即在规定的应力变幅下，拉索在承受200万次的荷载循环后，其强度不小于原来强度的95。拉索的抗疲劳能力与钢材和锚

46、具有关，目前生产的成品拉索应力变幅为220250MPa。第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索125四、拉索的减振 （1）气动控制法 （2）阻尼减振法（3）改变拉索动力特性法 拉索的风致振动现象在各种跨径和类型的斜拉桥上普遍存在，拉索的振动易导致疲劳和外包破损。目前对斜拉桥的拉索采取的减振措施主要有以下几种：第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索1261.气动控制法 将斜拉索原来的光滑表面做成带有螺旋凸纹、条形凸纹、V形凹纹或圆形凹点的非光滑表面。拉索表面的凹凸纹能阻碍下雨时拉索水线的形成，从而防止雨振的发生。直径 139 mm 2mm螺旋线直径 139 mm 凹纹图案第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉

47、索127 日本多多罗大桥拉索上的圆形凹点第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索1282. 阻尼减振法 阻尼减振法的作用机理就是通过安装阻尼装置，提高拉索的阻尼比从而抑制拉索的振动。根据与拉索的相互关系，阻尼装置又可分为安放在套筒内的内置式阻尼器和附着于拉索之上的外置式阻尼器。 第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索129图4-2-16 内置式阻尼器 第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索130图4-2-17 外置式阻尼器第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索1313.改变拉索动力特性法 采用联结器（索夹）或辅助索将若干根索相互联结起来，辅助索可以采用直径比主要索小得多的索。 其作用机理是：通过联结，将长索转换

48、成为相对较短的短索，使拉索的振动基频提高，从而抑制索的振动。 这对防止低频振动十分有效，同时也能降低雨振以及单根索振动发生的机率，但对通常以高阶形式出现的涡激振动抑制作用不明显。另外，辅助索易疲劳断裂，对桥梁景观有一定影响。第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索132图4-2-18 多多罗大桥的制振缆索第二章 斜拉桥的构造 第三节 拉索133第三章 斜拉桥的计算 第三章 斜拉桥的计算第一节 结构分析计算图示第二节 斜拉索的垂度效应计算第三节 索力的初拟和调整第四节 温度和徐变次内力计算第五节 非线性问题的计算134图4-3-1 斜拉桥结构分析离散图第三章 斜拉桥的计算 第一节 结构分析计算图式第一

49、节 结构分析计算图式135一、等效弹性模量 斜拉桥的拉索一般采用柔性索，斜索在自重的作用下会产生一定的垂度，这一垂度的大小与索力有关，垂度与索力呈非线性关系 。第二节 斜拉索的垂度效应计算索的伸长量包括弹性伸长和克服垂度的伸长，可用等效弹性模量的方法，在弹性伸长公式中计入垂度的影响。 图4-3-2 斜拉索的受力图式第三章 斜拉桥的计算 第二节 斜拉索的垂度效应计算136q为斜索自重集度，fm为斜索跨中的径向挠度。因索不承担弯矩，根据索中弯矩为零的条件，得到： q1是沿索的法向方向，因为沿索切向方向分量对垂度无影响。 图4-3-2 斜拉索的受力图式第三章 斜拉桥的计算 第二节 斜拉索的垂度效应计

50、算137索形应该是悬链线，对于fm很小的情形，可近似地按抛物线计算，索的长度为：(4-3-2)(4-3-3)第三章 斜拉桥的计算 第二节 斜拉索的垂度效应计算138(4-3-4)用弹性模量的概念表示上述垂度的影响，则有： 式中： ， ， 为斜索的水平投影长度； Ef ：计算垂度效应的当量弹性模量 第三章 斜拉桥的计算 第二节 斜拉索的垂度效应计算139因此，等效弹性模量为：(4-3-5)图4-3-3 Eeq与的关系即:斜拉索等效弹模与斜索水平投影长L的关系如图：Eeq/E随L增大而减小，随应力增大而增大。故，一般钢筋不能做拉索，因为其应力太小，Eeq小，即低应力使得弹模损失大。在T的作用下，斜

51、拉索的弹性应变为：第三章 斜拉桥的计算 第二节 斜拉索的垂度效应计算140二、斜拉索两端倾角修正(4-3-6)斜拉索两端的钢导管安装时，必须考虑垂度引起的索两端倾角的变化量，否则将造成导管轴线偏位。一般情况下，可按抛物线计算，即：其中， 取恒载内力，不是组合内力。 当索的水平投影长度很长时（L300m），按抛物线计算会带来一定的误差，因而应采用更精确的悬链线方程求解。第三章 斜拉桥的计算 第二节 斜拉索的垂度效应计算141第三节 索力的初拟和调整一、恒载平衡法索力初拟 (4-3-7)(4-3-8) 对于主跨，忽略主梁抗弯刚度影响，根据竖向力的平衡，得到：拉索引起的水平力为：图4-3-4 索力初

52、拟计算图式第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整142 进一步考察边跨，忽略塔的抗弯刚度，则主、边跨拉索的水平分力应相等，得到：(4-3-9)(4-3-10)边跨第i号索支承的恒载重量Wb可依据Tbi作相应的调整： 第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整143合理成桥状态：施工完成后，在所有恒载作用下，各构件受力满足某种理想状态，如梁、塔中弯曲应变能最小。斜拉桥合理成桥状态确定的过程实际上就是按施工过程确定各索初张力的过程。合理成桥状态的确定通常先不考虑施工过程，只根据成桥状态的受力图式来计算，然后按施工过程将索的张拉程序逐个细化。二、可行域法调索计算第三章 斜拉桥的计算 第三

53、节 索力的初拟和调整144分析方法有简支梁法、刚性支承连续梁法、可行域法等 1.简支梁法（即恒载平衡法） 选择合适的拉索初张力，使主梁结构的恒载内力与主梁以拉索的锚固点为简支支承的简支梁内力一致。2.刚性支承连续梁法 将斜拉索和主梁锚固点处作为刚性支承点（零挠度）进行分析，计算出各支点反力。利用斜拉索索力的竖向分力与刚性支点反力相等的条件确定斜拉索的成桥状态索力，主梁的恒载内力图即为刚性支承连续梁的弯矩及支承反力产生的轴力图。 第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整1453.可行域法 从控制主梁应力的角度看，索力的过大或过小都有可能造成主梁上、下缘拉应力或压应力超限，因而期间必定存在一

54、个索力可行域，使主梁在各种工况下各截面应力均在容许范围之内。第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整146 主梁截面的应力控制条件可按如下公式表示：（1）拉应力控制条件(拉压） 主梁截面上、下缘在恒载和活载共同作用下的上下缘最大拉应力应满足： （上缘）（下缘）第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整147（2）压应力控制条件 主梁截面上下缘在恒载和活载组合作用下的上下缘最大压应力应满足： （上缘）（下缘）第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整148（3）主梁恒载弯矩的可行域第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整149令 （控制恒载正弯矩） （控制恒载负弯矩）则主梁恒

55、载弯矩可行域为： 第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整150图4-3-5 弯矩可行域 主梁上施加预应力可增大可行域的范围，调索最终的结果不仅应使主梁恒载弯矩全部进入可行域，而且索力分布应较均匀。 第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整151（4）恒载弯矩计算的影响矩阵法第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整152第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整153第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整154第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整155图4-3-6主梁恒载弯矩可行域及调索后的恒载弯矩图第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整156三

56、、悬臂施工时施工状态的计算斜拉桥采用悬臂法施工时，随着梁体的伸长，拉索的数量逐渐增加，后期梁体悬挂和拉索张拉必然对前期各拉索的索力、梁体标高和应力产生影响。因而在确定了合理成桥状态的索力(如式（4-3-19）所示)及成桥状态梁体标高之后，必须以此为目标确定相应的施工阶段各索的初张力和梁段初始安装标高。第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整157第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整158第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整159第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整160第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初拟和调整161第三章 斜拉桥的计算 第三节 索力的初

57、拟和调整162第四节 温度和徐变次内力计算一、 温度次内力计算（1）年温差（2）日照温差第三章 斜拉桥的计算 第四节 温度和徐变次内力计算163二、徐变次内力计算弹性变形e与徐变变形c的总和为： （4-3-24）便是加载龄期、其中 观察时刻t的混凝土徐变系数。第三章 斜拉桥的计算 第四节 温度和徐变次内力计算164第五节 非线性问题的计算建立以杆系结构有限元有限位移理论为基础的大跨度桥梁结构几何非线性分析总体方程时，应考虑三方面因素的几何非线性效应：（1）单元初始内力对单元刚度矩阵的影响。包括单元轴力对弯曲刚度的影响以及弯矩对轴向刚度的影响，通过引入单元初应力刚度矩阵的方法来考虑。第三章 斜拉

58、桥的计算 第五节 非线性问题的计算165（2）大位移对结构平衡方程的影响。对于这个问题，有T.L列式法和U.L列式法等各种不同的处理方法。前者将参考坐标选在未变形的结构上，通过引入大位移刚度矩阵来考虑大位移问题；后者将参考坐标选在变形后的位置上，让节点坐标跟结构一起变化，从而使平衡方程直接建立在变形后的位置上。（3）拉索垂度的影响。斜拉索刚度中计入垂度的影响，按前述方法引入Ernst公式，通过等效模量法来考虑垂度效应。第三章 斜拉桥的计算 第五节 非线性问题的计算166第四章 斜拉桥的施工第一节 主梁施工方法第二节 索塔施工要点第三节 拉索施工第四章 斜拉桥的施工 第五节 非线性问题的计算16

59、7第一节 主梁施工方法 前面所介绍的关于梁式桥和拱式桥的施工方法中，大体上可以归纳为：有支架施工法；悬臂施工法；顶推施工法和转体施工法等四种。虽然这几种方法同样可以用在斜拉桥的建造上，但是最适宜的方法是悬臂施工法，其余三种方法一般只能用在河水较浅或者修建在旱地上的中、小跨径斜拉桥上，主要有以下两个原因：第四章 斜拉桥的施工 第一节 主梁施工方法168第一、斜拉桥的跨径一般较大，常在200m以上，其主跨一般要跨越的河水较深、地质情况较复杂的通航河道上。如果不采用悬臂施工法，而采用其它三种方法都会给施工带来更大的困难，增大施工临时设施费用，甚至影响到河道的通航。第二、在斜拉桥上采用悬臂施工法要比在

60、T形刚构桥，连续梁桥和连续刚桥上采用更为有利。第四章 斜拉桥的施工 第一节 主梁施工方法169悬臂拼装法主要用在钢主梁（桁架梁或箱形梁）的斜拉桥上。钢主梁一般先在工厂加工制作，再运至桥位处吊装就位。钢梁预制节段长度应从起吊能力和方便施工考虑，一般以布置1-2根斜拉索和2-4根横梁为宜，节段与节段之间的连接分全断面焊接和全断面高强螺栓连接两种，连接之后必须严格按照设计精度进行预拼装和校正。常用的起重设备有悬臂吊机、大型浮吊以及各种自制吊机。这种方法的优点是钢主梁和索塔可以同时在不同的场地进行施工，因此具有施工快捷和方便的特点。一、悬臂拼装法第四章 斜拉桥的施工 第一节 主梁施工方法170图4-4