《现代斜拉桥》课程读书笔记

1、16/16现代斜拉桥课程读书笔记王晖 0级桥梁与隧道工程参考文献:【】严国敏现代斜拉桥西南交通大学出版社199年;【2】林元培.斜拉桥。人民交通出版社.1994年。1 斜拉桥的历史与发展。1 斜拉桥的定义斜拉桥的上部结构由梁、塔、索三类构件组成,它是一种桥面体系以加劲梁受压(密索)或受弯(稀索)为主,支承体系以斜拉索受拉及桥塔受压为主的桥梁。1。2 发展的原因与条件）合适的经济跨径2）高强度钢丝的出现3）设计理论和计算理论的进步4)施工技术的进步）景观效果好1。3 斜拉桥的现状密索取代稀索-稀索体系,梁的弯矩及剪力相当大而需要有较大的梁高,斜拉索锚固点构造细节也复杂预应力混凝土斜拉桥的兴起斜拉

2、桥种类的多样化1技术上尚待改进的主要问题抗风设计-大跨度斜拉桥常由风荷载来决定其构件截面抗震设计斜拉索的使用寿命防腐和抗疲劳总体布置与结构体系21 孔跨布置2。1双塔三跨式主孔跨径较大，一般可适用于跨越较大的河流、河口及海面。在双塔三跨斜拉桥中,当主跨作用有活载时端锚索中产生正轴力，边跨有活载时端锚索中又产生负轴力，由此会产生疲劳问题。研究结果表明：主跨/边跨值要比2。0大得多才能将端锚索的应力变幅控制在一定范围。改善方法:）将边墩向桥塔方向挪动，并将主梁与引桥的上部结构做成连续梁来改善，这样既可减小端锚索的应力集中，又能缓和端支点的负反力问题，但由于与前后引桥相连接的缘故，在地震时将增加水平

3、惯性力，于抗震不利；b）边跨内增设一些中间辅助墩，则也可缓和端锚索的应力集中或减小边跨主梁的弯矩,并能增大桥梁的总体刚度.2.1。2独塔双跨式独塔双跨式斜拉桥可以布置成双跨不对称的形式,也可以布置成等跨形式。两等跨形式由于一般没有端锚索的关系，不能有效约束塔顶位移，在受力和变形方面不能充分发挥斜拉桥的优势，可加大桥塔刚度来减小塔顶变位，但不够经济。2.1单跨式单跨式斜拉桥一般只需要一个桥塔,由于不存在边跨的关系，塔后斜索只能采用地锚形式，梁体的水平轴力由下部结构承受。2.1.4 多塔多跨式由于多塔多跨式中的中间塔顶没有端锚索来有效限制其变位,通常很少采用。必须采用多塔多跨式斜拉桥时，可将中间塔

4、作成刚性桥塔，但通常不经济。2。2 斜索布置.2.1 斜索在空间内的布置形式1）单索面斜拉索对抗扭不起作用,因此主梁需采用抗扭刚度较大的截面。而主梁抗扭刚度与跨径成反比，因此单索面斜拉桥的跨径不宜过大.2）竖向双索面3)斜向双索面2。2 斜索在索面内的布置形式1）放射形2)扇形3)竖琴形从力学观点来看放射形较优，其理由如下:a)斜索与水平面的平均交角大，斜索垂直分力对梁的支承效果较大，而对主梁产生的轴力较小；b)塔的弯矩较小,因为索的水平分力在塔顶基本平衡；c）相对来说塔的高度可以比别的形式做的小些.但放射形的斜索集中交于塔顶上，塔顶的构造细节较为复杂.2.2.3 索距布置密索体系的优点：1）

5、索间距较短,主梁中的弯矩小；2)每索的拉力较小,锚固点的构造简单;3）锚固点附近的应力流变化较小，补强范围也小；4）伸臂施工时所需要的辅助支撑较少,甚至可以不要;5)每根斜索的截面较小,易工厂化制造；6）斜索更换容易；7)景观优美。密索体系的缺点：1）端锚索刚度较小；2)边跨主梁可能产生较大的负弯矩;3)每根斜索的刚度较小,可能产生风振问题.2。3 梁体布置连续体系:1）塔梁固结、梁墩分离2）塔墩固结、塔梁分离3)塔、墩、梁固结非连续体系1）跨中插入悬挂结构物简化结构受力，减少超静定，适应基础不均匀沉陷，但破坏了桥梁的整体性,施工麻烦；）跨中插入剪力铰-依结构内力所要求，可缓解温度内力，但破坏

6、了桥面的连续性与桥梁的整体性.2。4 桥塔的形式和布置2.4.塔架的形式桥梁纵向的形式1)单柱形2)倒形只宜于放射形索面3）倒Y形桥梁横向的形式1)单索面的塔架形式2）双索面的塔架形式。4. 桥塔的有效高度由桥面以上算起，因为它与斜索的倾角有关。有效高度越高,斜索的倾角越大,斜索垂直分力对主梁的支承效果也越大，但桥塔与斜索的材料用量也要增加.因此，桥塔的有效高度要由经济比较来确定。5 锚拉体系与支承体系2.5.1 斜索的锚拉体系）自锚式端锚索锚固在端支点处的最后一根斜索，一般具有较大的截面，索力最大,对控制塔顶变位起重要作用。)地锚式3）部分地锚式2。52 桥塔的支承体系1)塔墩固结，塔梁分离

7、2）梁固结，梁墩分离优点：可以减小塔柱弯矩缺点:一是主跨满载时，桥塔将随主梁挠角发生倾斜，使主跨梁体挠度与边跨梁体负弯矩显著增大；二是支座承受很大的恒活载压力，设计、养护及更换困难。3）铰支桥塔可减小塔柱的弯矩和降低结构的超静定次数，适应恶劣地基支承条件,避免基础承受较大弯矩.4）塔、梁、墩固结对中小跨径的独塔双跨式的斜拉桥比较适用，对双塔三跨式斜拉桥由于温度内力较大的关系一般较小使用。该形式对塔墩的抗震不利.2。.3 梁体的支承体系1）竖向支承一般是边墩和中间塔墩处设支座。)横向支承一般在端支点和中间塔墩处设有横向支座来共同抵抗横向水平力。3)纵向支承纵向支承条件的决定要考虑地震惯性力、温度

8、变化、制动力和风力等引起的纵向移动量。当纵向无支承而成为悬浮体系时，对抗震有利，但也有塔柱应力较大和主梁移动量较大的缺点，再就是对桥塔的压屈稳定不利。3 主梁截面1 钢梁. 双索面体系的钢梁截面形式1）双主梁2)单室单箱钢梁）2个单室单箱钢梁4）多室钢箱梁及流线型扁平钢箱梁)钢桁架3.12单索面体系的钢梁截面形式1）矩形钢箱梁）倒梯形钢箱梁3）扁平钢箱梁3.2混凝土梁. 双索面体系的混凝土梁截面形式1)双主梁2)板式边主梁3)双箱梁单箱梁5）板式梁截面3.2. 单索面体系的混凝土梁截面形式)单室箱梁截面2）三室箱梁截面)多室箱梁截面4)准三角形混凝土三室箱梁截面5）双箱横联截面3.3 结合梁3

9、4 混合梁 斜索的构造与锚固4。1 斜索所用的材料4.2 斜索的要求与种类要求：1）高强度)稳定的高弹性模量3）紧密的横截面4）抗疲劳5)易防腐6）容易操纵和安装）价格便宜种类：1)封闭式旋扭钢缆2）螺旋形钢缆3)平行钢丝股索4）平行钢丝索)超长节距索6)螺旋形钢绞线索7）平行钢绞线索8）平行粗钢筋索4。斜索的防腐1）涂料保护2）卷带保护3）套管保护4）施加塑料保护层4. 斜索端部的配件(锚头）4。4。1 注锌的锚头(热铸锚）可以充分发挥钢材的破断强度，但不能充分发挥疲劳强度。4。4 高疲劳强度锚头1）HAm锚头（镦头锚）2）NS锚头（热铸锚)3）DIA锚头（冷铸镦头锚)4。3 由后张体系演变

10、的斜索锚头夹片锚4。5 斜索的锚固构造5 桥塔5。 桥塔与桥梁景观的关系5.2 各种桥塔形式的特点。1 单柱形桥塔适用于单索面斜拉桥。外观简洁、结构简单，但占用桥面宽度较大，塔的横向刚度和抗扭刚度均较小。5.2.2 双柱形桥塔适用于双索面斜拉桥.外观简洁轻巧，缺点是对扭曲振动不利.当两根塔柱的塔顶水平变位为反向时会增大梁体的扭曲振幅。52。3 门形桥塔塔顶横梁对两柱顶产生的反向水平变位起到一定的约束作用，发生扭曲振动时，较双柱式桥塔有利。52。4 形桥塔景观效果较门形桥塔好。52。5 梯形桥塔梯形桥塔的横向刚度大于门形及H形桥塔,塔柱的横向压屈自由长度也减小不少。52。6 A形或倒V形桥塔对单

11、索面及双索面均适用。5。7 倒Y形桥塔适用双索面或单索面跨度很大的斜拉桥。当用于双索面时,斜索成双向倾斜，对抗风和增加桥梁的横向刚度有利。5。3桥塔构件的截面5.4 桥塔的附属建筑与设备1）上下交通梯)照明与信号标志3）避雷装置4）各类管线6）观光厅等旅游设施6 设计计算中的一些问题。1计算图式与结构分析初步设计通常采用线性分析方法进行平面分析.如果需要再采用有限元法来进行有限变位理论的非线性分析或局部应力状态的分析。由于大多数斜拉桥属于柔性结构，必须进行有关风荷载和地震引起的振动分析,首先要计算结构的固有频率.在详细设计阶段,由于有斜索抵抗扭转，采用平面分析对索力有偏差。另外，对于横向偏心荷

12、载也应采用空间分析方法。考虑温度荷载和纵向静态地震力的影响时可采用平面分析方法，考虑横向风力及横向静态地震力的影响时,可忽视竖索面斜索的存在，将主梁作为连续梁来处理,但要考虑桥塔及桥墩弹性变形的影响。6.2 荷载与荷载组合.。1荷载种类主荷载(P)）恒载D)活载L3）冲击I)预应力PS5)斜索调整力P6）混泥土徐变CR7）混凝土收缩SH附加荷载（S）8)风荷载W9)温度荷载0）地震影响E特殊荷载(PA)11）撞击荷载CO1）施工荷载ER3）施工误差6.2.荷载组合设计荷载作用时的荷载组合-容许应力系数极限荷载作用时的荷载组合6.非线性分析斜拉桥的主梁与主塔一般都是以受压为主的构件，考虑非线性影

13、响时弯矩将有增大趋势,一般对设计荷载来说计算时以微小变位理论的线性分析为主，对一些特定的荷载状态来说则要用有限变位理论来计算其非线性影响。对于较大跨度或刚度较小的斜拉桥必须考虑非线性影响。6。 斜索垂度的影响考虑斜索垂度影响时的斜索有效弹性模量,由Enst公式来进行修正式中:-Ens修正弹性模量 -斜索钢材的弹性模量 斜索的单位体积重量 -斜索的应力 斜索的水平投影长度上式为切线弹性模量，如用割线弹性模量时式中,为斜索变形前的应力;为斜索变形后的应力.65 冲击系数对于稀索体系可采用索距作为冲击系数计算跨径,对于密索体系可采用边跨跨长或者中跨跨长来作为计算跨径。但应注意到冲击系数与桥面的平整性

14、有很大关系，但未能在规范中考虑.在我国,一般只对梁与索考虑冲击力，而对桥塔视同下部墩台，不计冲击力.66 斜索预应力与主梁内力的关系可将斜索与主梁的连接点作为连续梁的支点来求斜索的垂直分力，并以此确定索力值.确定的斜索内力值一般应使主梁中的弯矩分布情况比较合适，否则可加以调整。主梁内预应力筋产生的弯矩应尽量与在斜索索力作用下的主梁恒载弯矩反号重合。.7塔的稳定和有效压屈长度有效压屈长度与荷载条件有关,对于密索体系由于多点受到轴压力，以及塔柱通常变截面,通常很难确定有效压屈长度。比较合理的做法应采用有限变位理论对极限荷载状态进行非线性分析.6。 有效宽度斜拉桥的主梁是压弯构件，不完全满足平截面假

15、定,通常采用有效宽度的方法进行修正。有效宽度一般只用于计算挠曲应力而不用于计算轴力产生的应力,但由于轴力是通过斜索水平分力以集中力的方式不连续地作用于主梁，在传力点附近的力流必然是不均匀的,也有局部挠曲和有效宽度的问题。有效宽度与弯矩的分布图形有关，因此各截面的有效宽度各不相同，较精确的有效宽度计算方法要用有限元法来解决。一般来说，在斜拉桥全桥结构的分析中,可以假定全截面宽度都有效。.9 主梁斜索锚固点附近的应力集中10疲劳验算斜拉桥的疲劳方面的特殊问题只是斜拉索，疲劳受应力振幅控制，边跨端锚索的活载应力变化幅度最大，其疲劳现象最为严重。斜索钢丝应力变化原因有一下三个方面:1）活载引起的斜索轴

16、力变化；2）轴力变化产生的同时,斜索垂度的变化产生挠曲应力，另外斜索在梁上的锚固点的变位使斜索倾角发生变化而引起的挠曲应力；3)风致振动。通过限制斜拉索的张拉应力，在防止疲劳.6.1应力验算主梁应力：1）锚固点局部应力2）截面应力正应力:轴力产生的压应力、弯矩应力（考虑有效宽度)、扭转翘曲应力、畸变翘曲应力;剪应力：弯曲剪应力、圣维南扭转剪应力、翘曲扭矩引起的剪应力。主塔应力局部应力、截面应力、稳定、补强结构的稳定斜索应力7 斜拉桥的抗风7 由风引起的结构物的行为7。1.1 静态的行为风的“三分力”作用于流动方向的阻力、作用于垂直流动方向的升力，以及使物体转动的气流力矩流动方向的阻力计算得过小

17、,由阻力会产生风方向的滑动，或使结构物产生较大的变形。垂直流动方向的升力计算得不足，桥梁可能因支点产生负反力而需要加平衡重。气流力矩的作用使平板倾角增大,倾角加大后力矩又随之加大，可能会导致气流力矩发散，需进行验算。7。1. 动态的行为振动分类:1）涡振有限振动;)自激振动-发散振动；）抖振有限振动;）气流力干扰振动.1 涡振同期现象:在某个风速范围中，后流涡与钝体(非流线型物体)的自振频率相同的现象，称为同期现象。为了判断所观测的的振动是否为涡振,必须要看其后流涡的振动频率是否与物体的振动频率一致。发振风速其中：为物体的固有振动频率 为物体的代表尺寸 -截面形状固有的斯多哈尔数 自激振动在发

18、生反应变位之前有力产生，由此力而加大反应变位，再由此变位进一步加大力，以此形式反应变位逐渐越来越大的现象称为自激振动。考虑单质点体系上作用有变动的空气动力.假设为振动体系的质量，为结构阻尼，为弹簧常数,为变位,为变动空气动力的绝对值，为力的振动频率,为力对变位的相位差，则此体系的振动方程式为推导变形可得当，即发生自激振动。自激振动一旦发生后,就可能发生振幅能破坏结构物的振动,因此在抗风设计上规定不能发生自激振动。自激振动的分类：1）驰振-一种挠曲振动的自激振动;）剥离流颤振结构物前缘的剥离流引起的一种自激振动，其现象是自由度的扭转的自激振动；3）耦合颤振流动没有剥离的状态下，由挠曲振动和扭曲振

19、动耦合而成的一种自激振动。3 抖振当作用结构物上的风有乱流时，对乱流风引起的不规则强迫振动称为抖振。 气流力干扰振动两个以上的物体并列或直列于流场中，或分置在某一角度时，因互相受到对方造成的流动影响而产生一种综合的振动现象称为气流力干扰振动.7。 斜拉桥的风振7。1 梁体的风振扁平截面不易产生挠曲发散振动，箱形截面由于抗扭刚度大,扭振频率高，产生扭曲发散振动所需的风速也较高。涡振能在较低的风速下发生,发生机遇率较高，会使结构产生疲劳、行车障碍以及诱发过桥者的不安全感。仅依靠增大结构刚度来防止发生涡振比较困难，因此首先是选好梁体的截面。7。.2桥塔的风振由于斜拉桥桥塔的塔柱常采用矩形截面,故要考

20、虑涡振与挠曲驰振的问题。7.2 斜索的风振分类:1)涡振一次振型的涡振发生风速非常低，但通常发生的大多为高次涡振。然而涡振力很小，只要在斜索上附加一定的阻尼，就可以不考虑它的发生。2)尾流驰振2根索并列布置时，由上风侧斜索的尾流引起下风侧斜索发生的振动称为尾流驰振。尾流驰振与并列斜索的间距有关。）雨振下雨时当风的作用方向与斜索的下坡一致时，在斜索的表面就会形成上下两条流水通道，雨振即为由于这些流水通道形成,使斜拉索的截面变为对空气动力不稳定时所发生的振动。73 抗风设计的顺序和基本考虑73。1 抗风设计顺序和基本考虑1）静力设计，拟定各部分截面尺寸)结构特性分析,固有频率、阻尼3）由现场风力特

21、征，进行动力反应判定4）对反应结果，结合风振容忍限度进行反应评价5）通过则结束,反之变更设计7.3.2 风洞实验通过模型试验求出各种攻角下的风速与振动反应的关系。7。3 抗风性能评价）自然风紊流-用格栅模拟2）架桥地点的风力特征3)结构物阻尼4)容许振幅的规定7. 斜拉桥的抗风措施7。4梁体的抗风构件包括：翼板、导流器、导风角、分流板、裙板及扰流器等。7. 桥塔的抗风措施塔柱截面优化切角、MD74. 斜索的抗风措施改变截面形状、用减振器、用不锈钢丝绳将各道索连接在一起。 斜拉桥抗震8. 抗震设计概要在抗震设计计算中，以震度法为基础，并用动态分析法来进行验算。1. 新的震度法震度-结构设计中采用

22、的地震力与结构重量的比值。设计水平震度在标准设计水平震度的基础上,考虑不同地区、地基种类、重要程度以及结构的固有周期进行修正。设计振动单位指地震时作用相同振动的桥体单位,全桥可以划分成若干的设计振动单位,分别计算各设计单位的惯性力.设计振动单位一般由一个下部结构极其支承的上部结构物所组成。.1.2 动态分析法动态分析原则上采用反应谱法，即用能反映桥梁弹性区域动态特性的分析图示来分析。历时反应分析中所用的地震波输入，在考虑地基条件和斜拉桥动力特性的基础上，从过去的强震记录中选择其特性与加速度反应谱相近似的关系曲线作为参数资料.动态分析的结果(最大应力与最大变位），与抗震设计所用的容许应力和容许变

23、位进行比较，并以此来验算斜拉桥的安全度。8.2 从抗震设计的角度看斜拉桥的动力特性斜拉桥抗震特性主要有以下三点：1)基本固有周期长，结构阻尼系数小2）塔、索、梁与下部结构等的振动特性相差较大）地基一般较软弱地基与上下部结构体系的固有周期比较接近，通常要考虑耦合振动。8.3考虑地震反应的修正度法修正震度法结构按某一频率出现的振型，振动时将与该振型相当的地震力用静态方式作用于结构上来计算结构各部分截面尺寸与变位的一种计算方法.修正震度结构物中发生的最大反应加速度与重力加速度的比值。修正震度法与动态分析法的区别在于，动态分析输入只是地震波的波形，或由此所得特定阻尼系数计算的反应谱，而修正震度法的输入

24、震度为根据固有周期用修正系数修正过的反应谱。两者并不配合，其结果有时会有很大的差异.84动态分析输入地震波目前常用方法是根据设计震度值来决定输入强度，然后选择23种适当的波形来输入。例如:一是过去的代表性强震记录，另一是在桥位附近取得的波形记录。8.5 长周期地震振动斜拉桥上部结构的固有周期一般都较长,需要考虑如表面波一样的长周期波.由于上部结构的阻尼系数较小，共振曲线会在共振频率附近急速升起,反应会很强烈。8.6 大型基础结构的抗震性能动态分析法中假定的状态与实际的地震状态接近，地震时的地层与基础一起振动,但由于两者之间存在有振动差别而使前侧的地层产生应力。地下震度是根据震度法计算结果所得到

25、的前侧地基应力和动态法所得到结果相等的原则换算求得的。7 非线性影响在斜拉桥上部结构体系的振动反应中起非线性影响的因素有以下三个方面：）斜索垂度的变化引起的索力变化;2）由作用于桥塔或主梁中的轴力和弯矩的相配引起的刚度变化；3）几何学方面的非线性影响。研究的结果表明静态分析要考虑非线性影响和动态分析的非线性影响并不太大。9 斜拉桥的施工方法9。1 桥塔的施工9.1钢桥塔的施工塔墩顶部混凝土的修正加工方法：)混凝土表面研磨平整法2）压浆法3）埋置底座支架法桥塔架设方法：1）用浮吊架设塔柱）用移动式吊机架设塔柱3）由平卧状态作整体吊立9.12混凝土桥塔的施工模板及脚手平台的做法：1）满布膺架法)爬升模板法3）滑动模板法4）大型模板构件法。主梁的施工。1 钢主梁的架设架设方法：1)边孔的主梁利用膺架来架设，主孔伸臂架设2)对称伸臂架设3）中孔和边孔用浮吊整体架设在膺架上9.2.2 混凝土主梁的施工施工方法：1）膺架施工法-小跨度2)预制构件伸臂施工法3)现浇构件伸臂施工法9. 斜索的架设架设流程:1)设置锚固部件2）架设斜索）斜索的张拉和调整)清场处理斜索的张拉方法：)用千斤顶直接张拉2)用临时钢索将主梁前端拉起的方法）用千斤顶将塔顶鞍座顶起的方法4）将主梁先架设在高于设计标高位置上的方法5）在膺架上将主梁前端向上顶起的方法1 铁路斜拉桥0.1 斜拉