铁路悬索桥重要技术指标兼议悬索桥加劲梁选型

铁路悬索桥的几个重要技术指标探讨兼议悬索桥加劲梁选型报告人：万田保二○一○年十月热烈欢迎各位领导、各位专家、各位同仁！汇报内容

铁路悬索桥1适合于通行铁路的认识2加载模式3竖向刚度的判别指标4横向刚度的判别指标5主缆强度安全系数主缆与鞍座间抗滑移安全系数

加劲梁选型7悬索桥加劲梁的发展历史8我院设计的众多悬索桥的主梁选型9国内某大跨度悬索桥主梁选型的教益1.1古老的桥型：历史的回顾1.2布鲁克林桥1.3悬索桥刚度的来源1.4重力刚度的实质物理意义数学表表达1.5著名的公铁两用悬索桥—濑户大桥著名的公铁两用悬索桥—4月25日桥著名的公铁两用悬索桥—青马大桥

著名的公铁两用悬索桥—墨西拿大桥1.6我国铁路悬索桥建设的序幕已经拉开（必要性、基于受力特性、基于建设技术）1.7我院应当成为铁路悬索桥建设的先行者1.大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识1.大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识1.1古老的桥型：历史的回顾

就像“横木为梁”一样，悬索桥源于热带地区的藤类植物。以树为塔、以藤为索、以木为梁、以石块为锚，就成了古老的悬索桥。1.1古老的桥型：历史的回顾1.大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识

我国的泸定铁索桥是世界最早的金属材料建成的悬索桥。该桥长102．6米，宽2．97米，高16．5米，以9根铁链作底索，上铺木板，形成桥面。1935年5月29日，22位红军勇士在这里“飞夺泸定桥”。1.大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识1.1古老的桥型：历史的回顾1935年5月29日，22位红军勇士在这里“飞夺泸定桥”。

布鲁克林桥建成于1883年，与帝国大厦和昔日的世贸中心双子塔楼一道，一直是纽约的标志性建筑。主跨1596英尺、126岁的布鲁克林桥至今使用良好。“基地”组织曾密令割断纽约布鲁克林大桥上的悬索，同时阴谋颠覆旅客列车，制造大规模恐怖行动1.大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识1.2布鲁克林桥

J.A.Roebling在设计世界第一座长大跨度悬索桥Niagara桥时，认识到重力刚度的重要性，该桥跨度821英尺，建成于1855年，平稳通过了铁路机车。见证了悬索桥通行铁路的历史。布鲁克林桥的设计者J.A.Roebling在1855年给桥梁公司的信中写道：“自重是一项重要的影响因素，对悬索桥的刚度影响尤其大”，这种来源于自重恒载的主缆的几何刚度被称为重力刚度。1.大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识1.3悬索桥刚度的来源重力刚度（GravityStiffness）实际上反映主缆的拉力，直观的表达式为HL2，反映到结构刚度矩阵上是轴力与单元长度的比值N/L（受拉为正，受压为负）。

主缆拉力越大，绷得越紧，受荷载作用抵抗变形的能力越强，这就好比拧紧后二胡的琴弦，用手指拨动感受其拉力，发出的音反映其源于几何刚度的振动频率。1.大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识1.4重力刚度的实质物理意义数学表表达式1.大跨度悬索桥适合于通行铁路的认识1.5著名的公铁两用悬索桥—濑户大桥濑户大桥下层桥面布置四线铁路（实际只通行两线），包括主跨1100米的南备赞桥和主跨990米的北备赞桥，专门开发了将梁端转角和梁端纵向位移分开的伸缩调节器，列车行驶速度160Km/h，运行情况良好。1.大跨度悬索桥桥适合于通行行铁路的认识识1.5著名的公铁两两用悬索桥—4月25日桥公铁两用悬索索桥，主跨跨跨度1013m，上层桥面六六车道公路，，下层桥面通通行两线客车车。梁端转角角达到25‰，致使列车行行驶速度限制制在60Km/h。1.大跨度悬索桥桥适合于通行行铁路的认识识1.5著名的公铁两两用悬索桥—青马大桥主跨1377米公铁两用桥桥梁，两线铁铁路、六车道道公路。主梁：钢桁梁梁为主体受力力结构。大风风时，汽车在在箱内通行。。1.大跨度悬索桥桥适合于通行行铁路的认识识1.5著名的公铁两两用悬索桥—墨西拿大桥世界最大跨度度桥梁，主跨跨3300米，通行两线线重载铁路和和六车道公路路。主缆直径径超过1.2m（按4根算），梁端端转角和纵向向位移都达到到创纪录的数数值。主梁采用了抗抗风性能极好好的断面形式式，保障了超超大跨度悬索索桥的抗风安安全。1.大跨度悬索桥桥适合于通行行铁路的认识识1.6我国铁路悬索索桥建设的序序幕已经拉开开我国是悬索桥桥的故乡，一一般认为：用用金属材料做做主缆的悬索索桥发源于我我国西藏，始始建于1632年。我院独立设计计了国内第一一座现代悬索索桥——广东汕头海湾湾大桥；我院院设计的悬索索桥形式各异异，具有根据据不同的建设设条件灵活设设计悬索桥的的传统。1.大跨度悬索桥桥适合于通行行铁路的认识识1.6.1建设的必要性性在长江中下游游、海峡、海海湾，通航要要求的宽度越越来越高，通通航管理部门门在批准通航航净空时，参参照公路桥的的标准，客观观要求建设跨跨度超过1000的悬索桥，形势紧迫！悬索桥具有相相当程度的比比较优势。基基于减少桥梁梁墩台的阻水水比列，减少少建桥对河势势、水文的变变化，要求在在合适的桥位位建设铁路悬悬索桥。1.大跨度悬索桥桥适合于通行行铁路的认识识1.6.2发展的可行性性——基于受力特性性由高强度钢丝丝编织而成的的主缆是受拉拉结构，没有有受压失稳的的问题；主缆缆全长范围内内没有截面削削弱；主梁称之为加加劲梁，基本本不受轴向力力，主梁的受受力与跨度没没有必然联系系；主塔纵向受到到主缆强劲的的约束，稳定定问题不突出出，高度的选选择范围大；；锚碇可以设计计成重力式结结构；吊索是竖直拉拉索，没有弹弹性模量折减减问题，风振振问题不突出出；1.大跨度悬索桥桥适合于通行行铁路的认识识1.6.2发展的可行性性——基于建设技术术进入新世纪以以来，我国材材料工业取得得长足进展，，主缆高强度度钢丝在极限限强度、韧性性、质量保证证率、大规模模工业化制作作方面上了新新的台阶；结构钢的材材料、制造造技术取得得突破；相关实验、、研究先进进；1.大跨度悬索索桥适合于于通行铁路路的认识1.7我院应当成成为铁路悬悬索桥建设设的先行者者作为铁路桥桥梁设计单单位，同时时独立设计计了形式各各样悬索桥桥的中铁大大桥设计院院，理应先先行一步，，推动铁路路桥梁向更更大跨度、、更好的适适应性发展展；是实践科学学发展观、、加快转变变发展方式式、统筹交交通建设发发展对我院院的要求；；我院在芜湖湖桥、天兴兴州桥方案案研究中进进行了有益益的探索，，有一定技技术基础。。1.大跨度悬索索桥适合于于通行铁路路的认识1.7我院应当成成为铁路悬悬索桥建设设的先行者者综上所述：：铁路悬索索桥建设具具有紧迫性性，也是完完全可行的的。结合琼琼州海峡跨跨海通道和和淮扬镇铁铁路五峰山山公铁两用用大桥的研研究，实现现突破，我我院年轻技技术人员要要勇于担当当。当前，迫切切需要深入入研究铁路路悬索桥的的关键技术术，基于铁铁路建设遵遵循的“安安全适用、、技术先进进、经济合合理”原则则，编制““铁路悬索索桥设计计计算补充规规定”；为了编制““铁路悬索索桥设计计计算补充规规定”，提提出探讨““铁路悬索索桥的几个个重要技术术指标”。。2大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之一—加载模式2.1基本要求2.2牵引定数、、到发线长长度2.3旅客列车的的加载长度度2大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之一——加载模式2.1基本要求货车按照技技术标准规规定的牵引引定数（牵牵引质量））加载，客客运专线按按ZK荷载的荷载载集度加载载，规定ZK荷载加载的的最大长度度不超过450m。以前的加载载模式不限限长度、不不限重量，，按影响线线长度加载载。大跨度度铁路悬索索桥某些影影响线的长长度（如主主缆拉力、、主梁挠度度）大于火火车的长度度。2大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之一——加载模式2.2牵引定数、、到发线长长度牵引质量作作为铁路设设计的技术术标准，系系由运输需需求决定，，与限制坡坡度、机车车类型，到到发线长度度密切相关关，是整条条线路的标标准，桥梁梁设计中当当贯彻执行行。货运列车的到发发线有效长度也也是整条线路的的技术标准，与与列车长度（包包括机车长度和和车辆长度），，安全停车附加加距离，邻近线线路的到发线长长度，车站间的的距离相关。到发线长度=站台长度+2x(测速视距误差的的安全防护距离离约95m+警冲标记到绝缘缘节的距离约5m），站台长度=列车长度+2x停车余量。2大跨度铁路悬索索桥技术指标之之一——加载模式2.2牵引定数、到发发线长度当牵引机车的类类型、机车台数数、足坡站间距距离确定后，牵牵引质量与到发发线长度存在对对应关系。对桥梁加载而言言，牵引质量较较之到发线长度度意义更明确。。同一条线上前后后两列列车有追追击距离的要求求，追击距离必必然大于桥跨的的联长，可以认认为全桥每线仅仅可能有一列列列车荷载。2大跨度铁路悬索索桥技术指标之之一——加载模式2.3旅客列车的加载载长度对于客货分线桥桥梁，不存在特特殊情况下火车车借道客运线的的情况，客车按按实际可能的客客车最大重量加加载。依据《高速铁路设计规规范》条文说明（TB10621-2009）：认为ZK荷载用于高速客客运列车，有合合理的余量，不不是考虑特殊情情况下重载列车车通行的结果。。条文说明还规定定：客运专线的的加载长度为16列编组的CRH1型，长2x214=428m，站台长度考虑虑停车余量后取取450m，对应的到发线线长度为650m；客运专线的加载载长度不应超过过站台长度，按按留有余量取450m3大跨度铁路悬索索桥技术指标之之二——竖向刚度指标3.1基本要求3.2我国铁路钢桥设设计规范的使用用范围3.3挠跨比的本质认认识3.3.1大跨度铁路悬悬索桥与中小小跨度桥的不不同点3.3.2我国客运专线线设计暂行规规定3.3.3欧洲规范的规规定3.3.4源于挠度曲线线切线角的最最大纵坡3.3.5挠度曲线形成成的波长3.3.6列车爬坡能力力3.3.7墨西拿大桥的的规定3.4梁端转角与伸伸缩量3.4.1规范的规定3.4.2梁端转角对行行车的影响3.4.3减小梁端转角角的措施3大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之二——竖向刚度指标标3.1基本要求基于车—桥耦合振动的的动力响应和和梁端转角，，活载和温度度变形引起的的纵向连续坡坡度进行规定定，不把主梁梁挠跨比和结结构自振频率率作为强制性性指标。车桥耦合振动动的动力响应应：按技术标标准规定的行行车速度、桥桥面形式，满满足相应现行行规范规定的的脱轨系数、、轮重减载率率、轮对横向向水平力、车车体振动加速速度、斯佩林林系数的要求求。梁端转角：按按技术标准规规定的行车速速度、桥面形形式，满足相相应现行规范范规定梁端转转角的要求。。3大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之二——竖向刚度指标标3.2我国铁路钢桥桥设计规范的的使用范围《铁路桥涵设计计基本规范》（TBJ10002.1——2005）总则1.0.2条规定本规范范适用跨度：：混凝土梁跨跨度小于或等等于96m，钢梁跨度小小于或等于168m。我国客运专线线铁路设计暂暂行规定：桥桥梁跨度不大大于96m。特大跨度桥梁梁适应列车行行驶、满足使使用要求对于于结构刚度指指标的要求与与中小跨度桥桥梁有本质的的区别，有必必要基于现行行规范的精神神，对大跨度度铁路悬索桥桥的刚度指标标进行规定。。3大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之二——竖向刚度指标标3.3挠跨比的本质质认识《铁路桥涵设计计基本规范》对于挠跨比的的规定源于通通过挠跨比限限制梁端转角角，采用假定定的挠度曲线线方程推导，，其本质是规规定主梁的梁梁端转角，通通过转换借用用挠跨比这一一直观的参数数；多个等跨、中小跨跨度的简支梁挠度度曲线会形成短波波长的竖向不平顺顺，动力响应上得得到反映；挠跨比相同时，大大跨度悬索桥挠度度曲线的曲率半径径远大于中小跨度度桥，可直接反映映到轨道挠曲应力力和车体竖向加速速度。3.3.1大跨度铁路悬索桥桥与中小跨度桥的的不同点3大跨度铁路悬索桥桥技术指标之二——竖向刚度指标3.3挠跨比的本质认识识3.3.2挠跨比的本质认识识——我国客运专线设计计暂行规定《高速铁路设计规范范》（TB10020-2009）基于小跨度和中中等跨度的单跨简简支梁和多跨等跨跨简支梁研究了主主梁挠跨比与包括括脱轨系数、轮重重减载率、轮对横横向水平力、桥面面板加速度的关系系，以动力特性、、通过对比得出了了对于主梁挠跨比比的规定，以挠跨跨比这一简明扼要要的参数实现对动动力指标的规定3大跨度铁路悬索桥桥技术指标之二——竖向刚度指标3.3挠跨比的本质认识识3.3.3挠跨比的本质认识识——欧洲规范的规定欧洲规范基于多跨跨简支梁得出速度度与挠跨比的曲线线，跨度越大，允允许的挠跨比越大大。该规范同时指指出：对跨度大于于120米的桥梁，，应该专门门研究；对对连续梁，，则可以在在查表的基基础上乘系系数。规范同时规规定：如果果表示动力力响应的车车体竖向加加速度要求求可以降低低，挠跨比比的要求按按统一比例例降低，可可见本质上上还是动力力响应。3大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之二——竖向刚度指指标3.3挠跨比的本本质认识3.3.4挠跨比的本本质认识——源于挠度曲曲线切线角角的最大纵纵坡对大跨度钢钢桥，静荷荷载挠度较较大还体现现在列车运运行过程中中，结构可可能在某一一点（不一一定是梁端端或中间支支座处）出出现瞬时稍稍大的、由由挠度曲线线切线角引引起的线路路纵坡。计算同时表表明，出现现这种情况况是特定荷荷载作用下下，个别点点瞬态下的的特征，也也不一定在在列车加载载的区域，，与路基上上线路纵坡坡有本质区区别。3大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之二——竖向刚度指指标3.3挠跨比的本本质认识3.3.4挠跨比的本本质认识——挠度曲线形形成的波长长短波不平顺顺引起簧下下质量与钢钢轨间的冲冲击振动，，产生较大大的轮轨作作用力，其其周期性的的成分可能能引起机车车车辆的谐谐振。速度120Km/h以下，轨道道不平顺的的波长范围围多在30m以内，随着着行车速度度的提高，，轨道不平平顺的影响响波长相应应增长，速速度为350KM/h时，有影响响的波长可可超过100m，波长越长长、影响越越小，波长长超过150m时，则基本本没有影响响。大跨度悬索索桥挠度曲曲线远超出出影响动力力响应的波波长范围。。特别是，，对多线铁铁路或多线线铁路、公公路两用的的大跨度钢钢桥，出现现最大挠度度的概率较较中小跨度度桥梁低得得多。3大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之二——竖向刚度指指标3.3挠跨比的本本质认识3.3.5列车爬坡能能力《铁路线路设设计规范》规定线路的的最大限制制纵坡（非非加力坡））如下表：：挠度曲线形形成的纵坡坡与线路的的纵坡有本本质区别，，最大纵坡坡指挠度曲曲线的切线线斜率，只只在个别点点产生，是是瞬时的坡坡度，其他他区域的坡坡度逐渐减减小至零乃乃至反向坡坡度，不会会因机车牵牵引功率不不足影响行行车速度，，或列车制制动时造成成车钩断钩钩或脱钩。。3大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之二——竖向刚度指指标3.3挠跨比的本本质认识3.3.6墨西拿大桥桥的规定墨西拿桥对对铁路要求求的刚度规规定参考了了“美国铁铁路工程师师协会”和和印度国家家铁路的规规定：专门针对该该桥制定的的“设计基基准”不对对挠跨比做做硬性规定定，也没有有规定最大大纵坡，但但规定纵坡坡的变化；；由于竖向挠挠度引起的的主梁100米范围内纵纵坡坡度的的变化不超超过0.05%，相当于规规定了挠度度曲线的竖竖曲线半径径；3大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之二——竖向刚度指指标3.4梁端转角与与伸缩量3.4.1规范的规定定①我国铁铁路规范对对列车活载载作用下梁梁体的转角角进行了规规定。我国《铁路桥涵设设计规范》（TB10002.1-2005）（适用于于旅客列车车速度160Km/h，虽没有对对梁端转角角限值进行行规定，但但限制主梁梁的挠跨比比，其本质质是规定主主梁的梁端端转角。简简支梁挠跨跨比不大于于1/900对应的梁端端转角3.5‰（单侧，按按有砟轨道道考虑）；；我国高速铁铁路设计规规范对于梁梁端转角的的规定如下下：3大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之二——竖向刚度指指标3.4梁端转角与与伸缩量3.4.1规范的规定定对有砟轨道道，列车行行驶速度250KM/h以上时，梁梁端转角不不大于2‰，无砟轨道道减半。1.日本新干线线采用无砟砟轨道，跨跨度大于30m的梁端转角角的规定为为：3大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之二——竖向刚度指指标3.4梁端转角与与伸缩量3.4.1其他的规定定可见新干线线梁端转角角的规定与与行车速度度对应，速速度越高、、限值越严严格。香港青马大大桥规定梁梁端竖向转转角不大于于±0.33度，合5.75‰‰3大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之二——竖向刚度指指标3.4梁端转角与与伸缩量3.4.2梁端转角对对行车的影影响梁端转角一一则影响线线路的平顺顺，二则影影响轨道扣扣件的使用用，按现行行规范规定定限制。3大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之二——竖向刚度指指标3.4梁端转角与与伸缩量3.4.3减小梁端转转角的措施施大跨度悬索索桥梁端转转角与主梁梁刚度的关关联性不如如梁桥密切切，可以采采取诸多措措施减小梁梁端转角；；梁端转角由由两部分构构成，其一一为主梁或或者桁架杆杆件端部在在总体加载载效应出现现的总体转转角，其二二为桥面系系在列车轮轮对荷载作作用下的局局部转角。。让主梁连续续伸出边跨跨以外，并并采用合理理的伸出跨跨跨度，可可以有效控控制梁端总总体转角；；通过采用用适宜的桥桥面系结构构形式，大大幅度减小小梁端桥面面系纵向受受力结构的的跨度，可可以有效控控制梁端局局部转角。。4大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之三——横向刚度指指标4.1基本要求4.2现行规范规规定的适应应范围4.3现行规范规规定的本质质——条文说明4.4本建议指标标体现了规规范的精神神4大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之三——横向刚度指指标4.1基本要求基于风—车—桥耦合振动动的动力响响应和梁端端侧向转角角，风载作作用下主梁梁侧向挠曲曲对行车的的影响进行行规定，不不把主梁侧侧向挠跨比比和主梁宽宽跨比作为为强制性指指标。风—车—桥耦合振动动的动力响响应：满足足相应现行行规范规定定的脱轨系系数、轮重重减载率、、轮对横向向水平力、、车体振动动加速度、、斯佩林系系数的要求求。梁端转角：：按技术标标准规定的的行车速度度、桥面形形式，满足足相应现行行规范规定定梁端转角角的要求。。侧向挠度曲曲线的曲率率：参考国国内外已有有特大跨度度铁路桥规规定侧向挠挠曲曲率半半径与行车车速度的关关系。4大跨度铁路路悬索桥技技术指标之之三——横向刚度指指标4.2现行规范规规定的适应应范围梁体的横向向刚度应按按梁体的横横向自振频频率和梁体体的水平挠挠度进行控控制。不同同类型桥梁梁的横向自自振频率f的要求如下下表：《铁路桥涵设设计基本规规范》规定如下：：在列车摇摆摆力、离心心力和风力力作用下，，梁体的水水平挠度应应小于或等等于梁体计计算跨度的的1/4000。钢梁的横向向刚度除满满足上表规规定外，梁梁的宽跨比比：下承式式简支和连连续桁梁边边跨应不小小于1/20；连续桁桁梁除边边跨以外外其余各各跨应不不小于1/25。4大跨度铁铁路悬索索桥技术术指标之之三——横向刚度度指标4.3现行规范范规定的的本质——条文说明明《铁路桥涵涵设计基基本规范范》条文说明明：为了了保证车车辆以规规定的高高速安全全通过桥桥梁，既既有铁路路桥梁是是以横向向振幅行行车安全全限值为为检验标标准，实实桥测试试横向自自振频率率与横向向振幅相相关性良良好，在在设计中中采用横横向自振振频率能能较好反反映列车车运行状状态；为了保证空载载货车通过时时车轮抗脱轨轨的安全度，，同样规定桥桥跨结构横向向自振频率；；从控制梁端转转角的角度，，按假定横向向挠度曲线为为圆曲线，得得出横向挠跨跨比与梁端转转角的关系，，以横向挠跨跨比直观指标标作为梁端横横向转角的控控制。4大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之三——横向刚度指标标4.3现行规范规定定的本质——条文说明由规范的条文文说明可知：：针对的是中小小跨度桥梁，，对大跨度桥桥梁和特大跨跨度桥梁没有有成熟的研究究基础；规定桥跨结构构横向自振频频率的目的是是列车按设计计速度安全行行驶，基于对对振幅的限值值，根据自振振频率与振幅幅的相关性，，得出对自振振频率的限制制值；以自振频率反反映空车的脱脱轨安全；以横向挠跨比比这一直观指指标反映对于于梁端横向转转角的本质规规定4大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之三——横向刚度指标标4.5本建议指标体体现了规范的的精神以风—车—桥耦合分析得得出的动力响响应指标本身身就是为了反反映列车运行行的安全性和和平稳性，以以不同的车辆辆按不同的速速度进行分析析，更有针对对性，较之简简单限制横向向自振频率更更加科学。由于大跨度桥桥梁梁端转角角与挠跨比的的关系不同于于传统的小跨跨度桥，梁端端转角由边跨跨跨度、边跨跨支承体系、、索面的形式式等多种因素素决定，直接接规定梁端转转角更加明确确。大跨度桥梁当当采用连续结结构，各跨受受风荷载作用用时，在连续续支承处横向向挠度曲线会会形成两个反反弯点，该处处虽然挠度曲曲线是连续的的，但挠度曲曲线的切线角角改变比较快快，列车高速速行驶成蛇形形运动，需要要限制挠度曲曲线的曲率半半径。4大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之三——横向刚度指标标4.5本建议指标体体现了规范的的精神《高速铁路设计计规范》条文说明（TB10621-2009）给出了在摇摇摆力、离心心力、风力作作用下，水平平弯曲引起的的最大转角和和最小曲线半半径的规定如如下表：表中“最大折折角变化”相相当于梁端两两孔梁转角之之和，最小水水平半径适用用于主梁上任任意点香港青马大桥桥规定侧向转转角的限值为为0.1度，合1.75‰‰5大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之四——主缆强度安全全系数5.1基本要求5.2钢材允许应力力的一般规定定5.3长期以来约定定俗成的主缆缆安全系数5.4主缆钢丝的伸伸长量控制5.5主缆的破坏机机理5.6主缆钢丝的疲疲劳5.7基于加载出现现的几率5.8工程实例5大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之四——主缆强度安全全系数5.1基本要求同时满足下列列三项规定：：①按允许应应力法计算：：主缆钢丝极极限破断拉力力总和与主缆缆在（恒载+活载）作用下下最大截面拉拉力的比值：：K≥2.2；②按极限状状态法计算：：参照现行公公路规范，对对恒载、活载载去用不同的的荷载系数，，考虑材料系系数，按钢丝丝的屈服强度度控制；③采用合适适的主缆二次次应力的分析析方法，按考考虑二次应力力后K≥1.7；5大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之四——主缆强度安全全系数5.2钢材允许应力力的一般规定定我国铁路桥梁梁与公路桥梁梁的钢结构设设计规范，都都采用允许应应力法，对于于有明显屈服服台阶的钢材材，按屈服极极限除以1.7作为使用应力力的限值；对对于没有明显显屈服极限的的钢材，按极极限强度除以以2.5作为使用应力力；我国建筑钢结结构设计规范范采用极限状状态法；欧、美钢结构构设计采用极极限状态法。。5大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之四——主缆强度安全全系数5.3长期以来约定定俗成的主缆缆安全系数①美国早期修修建的悬索桥桥，按主缆钢钢丝破断拉力力总和除以2.5作为使用应力力限值，其后后为其他悬索索桥广泛采用用，作为约定定俗成的内容容；②当时对于主主缆强度安全全系数的取值值，并没有进进行太多的研研究，所生产产的主缆钢丝丝性能，包括括韧性、塑形形和均匀性远远不如现在的的钢丝。主缆缆架设采用空空中编丝法，，受力均匀程程度不如现今今成熟的预制制平行丝股法法，特别是空空中编丝法在在靴根处主缆缆钢丝弯折。。③主缆钢丝的的力学性能、、主缆架设工工艺的额提高高为采用低于于2.5的强度安全系系数提供了保保障。5大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之四——主缆强度安全全系数5.4主缆钢丝的伸伸长量控制相对于预应力力钢丝、钢绞绞线，主缆钢钢丝使用应力力比较低的，，主缆钢丝一一般不需考虑虑松弛因素，，（恒载+活载）作用下下最大截面拉拉力的强度安安全系数采用用2.2，恒载作用的的安全系数更更高，主缆钢钢丝在弹性范范围内工作，，松弛则可以以或略不计；；5大跨度铁路悬悬索桥技术指指标之四——主缆强度安全全系数5.5主缆的破坏机机理曼哈顿悬索桥桥和威廉斯堡堡悬索桥在使使用140年后，发现部部分主缆钢丝丝断裂，究其其原因，认为为钢丝在制作作过程中经过过盐浴、酸洗洗，留下微小小点坑，加之之钢丝伸直性性不够好，初初始应力高，，主缆内部潮潮湿环境，经经过多年后，，钢丝断裂，，表现为耐久久性问题；钢丝在索夹、鞍座座、锚固处存在应应力集中，促使钢钢丝受力不均匀；；改善耐久性、降低低主缆钢丝受力不不均匀程度为采用用小于2.5的强度安全系数提提供了可能。5大跨度铁路悬索桥桥技术指标之四——主缆强度安全系数数5.6主缆钢丝的疲劳①大跨度铁路悬索索桥主缆恒载拉力力是主缆总拉力的的最主要构成，活活载拉力仍然只占占较小的比列，仅仅从活载引起的主主缆拉力变化考虑虑，由于活载加载载引起的主缆疲劳劳问题不会成为控控制因素；②与斜拉索、吊索索不同，悬索桥主主缆不会因为风振振和车振产生可观观的次应力。③由于主缆钢丝受受力不均匀、存在在局部应力、弯曲曲二次应力、鞍座座转角处次应力，，设计中应着力优优化结构细节，减减小二次应力。5大跨度铁路悬索桥桥技术指标之四——主缆强度安全系数数5.7基于加载出现的几几率①考虑到铁路荷载载即为技术标准规规定的牵引质量，，对大跨度公铁两两用桥梁，铁路荷荷载的长度小于悬悬索桥主跨跨度；；②公路荷载虽然没没有规定最大加载载长度，但实际上上要出现全跨满载载的可能性毕竟不不大，其与铁路组组合同时出现的可可能性则更低；③铁路荷载与公路路荷载组合后的总总活载与恒载比仍仍然不大，借用极极限状态法的概念念，可以采用更加加合适的、比2.5稍小的强度安全系系数。5大跨度铁路悬索桥桥技术指标之四——主缆强度安全系数数5.8工程实例①日本明石海峡大大桥考虑到活载比比列较低的原因，，主缆强度安全系系数采用2.2；②明石桥采用极限限状态法分析公式式为：式中：恒载与活载载采用了不同的分分项安全系数，Tb为破坏强度。③国内在泰州长江江公路大桥、南京京长江第四大桥的的设计中也针对主主缆强度安全系数数做过探讨，均认认为可以采用比2.5稍小的系数。6大跨度铁路悬索桥桥技术指标之五——主缆与鞍座间抗滑滑安全系数6.1多塔悬索桥的受力力特点6.2基本要求6.3相关测试结果6.4泰州长江公路大桥桥试验研究6.5相关三塔悬索桥设设计采用值6.6欧洲规范的规定6.7结论6大跨度铁路悬索桥桥技术指标之五——主缆与鞍座间抗滑滑安全系数6.1多塔悬索桥的受力力特点多塔悬索桥的中间间主塔，在不对称称加载情况下，塔塔顶两侧主缆拉力力相差较大；两塔塔悬索桥的边塔，，当两侧主缆的切切线角相差较大时时，也可能出现。。6.2基本要求主缆与鞍座间抗滑滑移检算的计算公公式为：K=μαs/Ln(Fct/Fcl)K=式中，μ：主缆与鞍座鞍槽槽间摩擦系数，Fct：拉力较大一侧的的主缆力，Fcl：拉力较小一侧的的主缆力，αs：主缆在鞍座上的的包角。主缆与鞍座间的摩摩擦系数μ=0.2，抗滑移安全系数数K≥1.5。6大跨度铁路悬索桥桥技术指标之五——主缆与鞍座间抗滑滑安全系数6大跨度铁路悬索桥桥技术指标之五——主缆与鞍座间抗滑滑安全系数6.3相关测试结果①美国对Washington桥、英国对ForthRoad桥进行了鞍座摩擦擦系数的测定，根根据测试的结果,两座桥鞍座与主缆缆间的摩擦系数值值为0.3；②美国Delaware桥摩擦系数的测试试结果为0.19-0.21；③日本的众多测试试结果μ=0.3～0.32；④阳逻长江公路大大桥测试结果为μ=0.286～0.328；6大跨度铁路悬索桥桥技术指标之五——主缆与鞍座间抗滑滑安全系数6.4泰州长江公路大桥桥试验研究泰州长江公路大桥桥进行了较全面的的主缆与鞍座间抗抗滑移试验。试验验包括两个工况，，工况一试验束股股10根，每根束股37根钢丝、钢丝直径径5.25mm，三组试验测试的的鞍座与索股之间间的摩擦系数分别别为0.521、0.535和0.535；工况二采用一根束束股：三组试验测测试得到鞍座与索索股之间的摩擦系系数分别为0.302、0.326、0.391；6大跨度铁路悬索索桥技术指标之之五——主缆与鞍座间抗抗滑安全系数6.5相关三塔悬索桥桥设计采用值国内对于悬索桥桥主缆与鞍座间间的抗滑移验算算的规定仅有尚尚停留在报批阶阶段、并且业已已明确不会批准准。①泰州长江公路路大桥三塔悬索索桥设计中曾针针对中塔制订了了主缆与鞍座间间摩擦系数μ=0.2，抗滑移安全系系数K≥2.0的补充规定，得得到行业主管部部门的认可；②智力查考桥初初步设计说明书书中指出：主缆缆与鞍座鞍槽间间摩擦系数为0.2，抗滑移安全系系数K＝2.0；③福州市螺州大大桥在泰州长江江公路大桥三塔塔悬索桥研究的的基础上，结合合国内规范关于于稳定安全系数数的取值，取用用μ=0.2，K＝1.65。6大跨度度铁路路悬索索桥技技术指指标之之五——主缆与与鞍座座间抗抗滑安安全系系数6.6欧洲规规范的的规定定①欧洲洲钢结结构设设计规规范（（Eurocode3——Designofsteelstructures）规定定特大大桥的的摩擦擦系数数μ由实验验确定定，抗抗滑滑移安安全系系数K≥1.65。②由众众多试试验可可知，，摩擦擦系数数当不不会小小于0.2。6大跨度度铁路路悬索索桥技技术指指标之之五——主缆与与鞍座座间抗抗滑安安全系系数6.7结论对大跨跨度公公铁两两用三三塔悬悬索桥桥，中中塔主主缆与与鞍座座间抗抗滑移移稳定定的控控制工工况为为：一一个主主跨铁铁路和和公路路满负负荷、、另一一个主主跨空空载，，相对对于国国内外外其他他三塔塔悬索索桥，，出现现这种种工况况的几几率更更低；；在此此基础础上，，结合合摩擦擦系数数的裕裕量，，在μ和K两个方面留出合理理的安全保障，取取用μ=0.2，K＝1.50。对比欧洲规范，，相当于μ=0.22，K＝1.65。7悬索桥加劲梁的发发展历史7.1悬索桥加劲梁选型型的因素7.2悬索桥加劲梁历史史沿革7.1悬索桥加劲梁选型型的因素①桥面布置：需要要的桥面宽度、单单层桥面或双层桥桥面、是否通行铁铁路；②恒载重量：恒载载越大，悬索桥的的重力刚度越大，，造价也越高，因因为主缆、锚碇的的造价几乎与恒载载成正比关系；③抗风：不同的主主梁结构形式，抗抗风性能差别很大大；④运输条件：是否否具备水运大型节节段的条件、或公公路运输钢梁快件件的条件；⑤养护因素：养护护的工作量、养护护条件。7悬索桥加劲梁的发发展历史7.2悬索桥加劲梁历史史沿革①挠度理论出现以以前，悬索桥跨度度不大，加劲梁的的刚度与主缆的重重力刚度共同成为为悬索桥悬索桥结结构刚度的来源，，美国早期修建的的悬索桥，主梁采采用钢桁梁，抗弯弯刚度大；②挠度理论出现以以后，认识到主缆缆重力刚度的重要要性，倾向于减小小主梁的刚度；③主梁刚度减小的的趋势到老塔科马马桥到达顶峰，该该桥采用开口式钢钢板梁，主跨853m，梁高2.45m，1940年被风吹垮，促使使业界认识到加劲劲梁抗扭刚度对悬悬索桥抗风稳定性性的认识；7悬索桥加劲梁的发发展历史7.2悬索桥加劲梁历史史沿革①挠度理论出现以以前，悬索桥跨度度不大，加劲梁的的刚度与主缆的重重力刚度共同成为为悬索桥悬索桥结结构刚度的来源，，美国早期修建的的悬索桥，主梁采采用钢桁梁，抗弯弯刚度大；②挠度理论出现以以后，认识到主缆缆重力刚度的重要要性，倾向于减小小主梁的刚度；③主梁刚度减小的的趋势到老塔科马马桥到达顶峰，该该桥采用开口式钢钢板梁，主跨853m，梁高2.45m，1940年被风吹垮，促使使业界认识到加劲劲梁抗扭刚度对悬悬索桥抗风稳定性性的认识；7悬索桥加劲梁的发发展历史7悬索桥加劲梁的发发展历史7.2悬索桥加劲梁历史史沿革主梁刚度减小的趋趋势到老塔科马桥桥到达顶峰，该桥桥采用开口式钢板板梁，主跨853m，梁高2.45m，1940年被风吹垮，促使使业界认识到加劲劲梁抗扭刚度对悬悬索桥抗风稳定性性的认识；7.2悬索桥加劲梁历史史沿革①20世纪六十年代，英英国在建设SEVEN桥的研究过程中，，发现扁平钢箱梁梁作大跨悬索桥加加劲梁的诸多优势势：优良的抗风颤颤振稳定性、较小小的静风阻力、较较小的建筑高度、、较小的恒载、较较少的材料用量；；7悬索桥加劲梁的发发展历史②随后，扁平钢钢箱梁作为大跨悬悬索桥的加劲梁被被广泛采用；时至至今日，对于单层层桥面的悬索桥，，扁平钢箱梁仍然然是大跨度悬索桥桥加劲梁的重要选选项；③双层桥和公铁两两用桥，多采用钢钢桁梁加劲梁。8我院设计的众多悬悬索桥的主梁选型型的技术考虑8.1西陵长江大桥8.2汕头海湾大桥8.3贵毕公路西溪大桥桥和落脚和大桥、、关胜公路北盘江江大桥8.4柳州红光大桥8.5新北盘江大桥8.6泰州长江公路大桥桥、马鞍山长江公公路大桥8.7鹦鹉洲长江大桥8.8哈尔滨三环西桥自自锚式悬索桥8.9悬索桥主梁选型的的综合考虑8.1西陵长江大桥是国内建成最早的的钢箱梁悬索桥，，1996年8月通车，经过多次次检测，使用情况况良好。该桥的建建成，充分体现了了扁平钢箱梁作大大跨悬索桥加劲梁梁的优势。8我院设计的众多悬悬索桥的主梁选型型的技术考虑8.2汕头海湾大桥国内首座现代悬索索桥，1995年12月28日通车。采用混凝凝土箱梁作悬索桥桥加劲梁，具有抗抗风性能好、维护护工作量相对较省省的特点，同时，，又因为跨度相对对不大，主缆造价价占总造价比列相相对不高，采用混混凝土主梁有一定定比较优势。8我院设计的众多悬悬索桥的主梁选型型的技术考虑8.3贵毕公路西溪大桥桥和落脚和大桥、、关胜公路北盘江江大桥主跨338m、278m、388m预应力板梁悬索桥桥，因桥面较窄，，跨度不大，采用用预应力板梁作加加劲梁，具有省维维护、造价低、无无需大件运输的特特点。8我院设计的众多悬悬索桥的主梁选型型的技术考虑8.4柳州红光大桥①主跨380m开口式钢板梁悬索索桥；②采用设计施工总总承包方式招标，，桥型方案造价上上必须节省；③桥址区不具有大大件运输条件，主主梁但具备分块运运输的条件；④钢板梁主梁适合合分块运输，自重重省，造价低；⑤采用裙板和中央央扣改善气动性能能，保障抗风稳定定性；⑥因为活载/恒载的比例达到0.348，采用阻尼器改善善行车条件。8我院设计的众多悬悬索桥的主梁选型型的技术考虑8.5新北盘江大桥①主跨576m钢桁梁悬索桥；②为了适应山区运运输、减小吊装重重量、同时保障抗抗风安全，采用钢钢桁梁；、③③正交异性钢钢桥面板支承在桁桁架上，竖向不共共同作用、横向部部分共同作用。8我院设计计的众多多悬索桥桥的主梁梁选型的的技术考考虑8.6泰州长江江公路大大桥、马马鞍山长长江公路路大桥泰州长江江公路大大桥因为为在中塔塔上设置置纵向弹弹性索，，加之吊吊索纵向向倾斜明明显，设设置厚度度为12mm、14mm的纵向直直腹板。。8我院设计计的众多多悬索桥桥的主梁梁选型的的技术考考虑8.8鹦鹉洲长长江大桥桥为改善路路面工作作条件，，采用结结合梁作作加劲梁梁；为方便钢钢梁制作作，节省省用钢量量，采用用了开口口式断面面；8我院设计计的众多多悬索桥桥的主梁梁选型的的技术考考虑8.9哈尔滨三三环西桥桥自锚式式悬索桥桥主跨248m自锚式悬悬索桥。。原本选选用钢箱箱梁做加加劲梁，，考虑到到哈尔滨滨低温达达-40°°，难于在在如此低低温环境境下保障障正交异异性钢桥桥面板上上路面的的实用条条件，采采用结合合梁桥面面。8我院设计的的众多悬索索桥的主梁梁选型的技技术考虑8.10悬索桥主梁梁选型的综综合考虑悬索桥的主主梁决定悬悬索桥的恒恒载、抗风风稳定性，，需结合桥桥跨、实用用要求、多多项建设条条件灵活选选取；我院设计的悬索桥桥主梁多种多样，，有预应力箱梁、、钢箱梁、钢板梁梁、预应力板梁、、钢桁梁、结合梁梁。8我院设计的众多悬悬索桥的主梁选型型的技术考虑9.国内某大跨度悬索索桥主梁选型的教教益9.1该桥的基本控制因因素9.2我院投标的方案及及其技术考虑9.3主梁的基本形式及及其构思9.4我院作为审核单