索支撑桥-复习

斜拉桥和悬索桥_复习1斜拉桥

(Cable-stayedbridge

)定义：由梁、索、塔及边墩等构件组成，是一种桥面体系以主梁受压（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。

内容:

1）、斜拉桥的总体布置和结构体系；2）、斜拉桥的构造；3）、斜拉桥的施工；

4）、斜拉桥的设计与计算。一、总体布置及结构体系总体布置跨径布置索塔布置拉索布置主梁布置1、总体布置跨径布置双塔三跨边跨l1/中跨l2=0.25~0.5独塔双跨边跨l1/中跨l2=0.5~1.0索塔布置索塔的形式顺桥方向横桥方向索塔高度主跨跨径索面形式（辐射式、竖琴式或扇式）拉索的索距拉索的水平倾角双塔：H/l2=0.18~0.25单塔：H/l2=0.30~0.45索塔高度(一般应从桥面以上算起，不包括由于建筑造型或观光等需要的塔顶高度)拉索布置空间布置形式单索面双索面竖直双索面倾斜双索面斜拉索横向布置拉索在平面内的布置型式辐射式竖琴式扇式拉索间距早期：稀索混凝土达15m~30m钢斜拉桥达30m~50m现代：密索混凝土达4m~12m钢斜拉桥达8m~24m稀索特点：主梁间距大，梁的弯矩及剪力较大，需要较高的梁高；斜索的内力与截面尺寸相对也较大，因此对架设和施工带来较多困难；斜索锚固点的构造细节也较复杂，其附近常需作大规模补强，耗料也多。但稀索结构体系的超静定次数较少。密索特点：密索主梁间距短，主梁中的弯矩较小；每索的拉力较小，索截面尺寸小，锚固点构造简单，补强范围也小；悬臂施工所需辅助支撑少，甚至可不要；斜索更换容易。但端锚索（与端支点连接的斜索）刚度较小，边跨主梁可能产生较大的负弯矩。主梁的布置Ayunose

日本

连续体系非连续体系2、斜拉桥的结结构体系按梁、索、塔塔和墩的不同同结合方式可可分为(索塔的支承体体系不同)：漂浮体系（塔墩固结、、塔梁分离））斜拉桥是由上上部结构的主主梁、拉索、、索塔及下部部结构桥墩、、桥台等基本本构件组成的的组合体系。。斜拉桥的结结构体系可以以根据主梁、、拉索、索塔塔和桥墩的不不同结合方式式形成不同的的结构体系，，也可以根据据拉索的锚拉拉体系来形成成斜拉桥的不不同结构体系系。半漂浮体系（塔墩固结、、塔梁分离，，塔墩处主梁梁下设置竖向向支承）塔梁固结体系系（塔梁固结、、塔墩分离））刚构体系（主梁、塔和和墩三者为固固结）铰支桥塔体系系（塔柱底部在在纵桥向采取取铰支形式））一般将塔柱下下端的支承铰铰设在墩顶上上；有时也可可以设在主梁梁顶上，形成成塔梁铰接、、梁墩分离。。梁体的支承体体系斜拉桥的梁体体除了用斜拉拉索以弹性支支点的形式支支承外，其纵纵、横和竖三三个方向均应应在边墩及塔塔墩上有所支支承，塔梁墩墩固结也是一一种支承形式式，除此之外外还可以采用用活动支座（（M），固定支座座（F）、铰（H）阻尼减震支支座（D）和弹性支点点等多种方式式的支承。1、竖向的支承承2、横向的支承承3、纵向的支承承(纵桥向支承条条件要考虑地地震力、温度度变化、制动动力和风力等等)按拉索的锚拉拉体系分类自锚式斜拉桥桥地锚式斜拉桥桥锚拉体系与主主梁轴力的关关系部分地锚式斜斜拉桥郧阳汉江桥斜拉桥主梁内内的轴力随斜斜拉桥的斜索索锚拉体系及及梁体支承条条件不同而变变化。二、混凝土斜斜拉桥的构造造拉索种类与构构造1、拉索的种类类、构造及防防护每一根拉索都都包括钢索和和锚具两大部部分。钢索承承受拉力，设设置在钢索两两端的锚具用用来传递拉力力。钢索作为为斜拉索的主主体主要有如如下几种形式式：平行钢筋索、钢丝索（平行钢丝股股索Parallel-Wire-Strand、平行钢丝索索PWC、半平行钢丝丝索）、钢绞线索（平行钢绞线线索、半平行行钢绞线索））、封闭式钢缆、单股钢绞缆。将7丝钢绞线平行行排列，布置置成六脚形截截面平行钢筋索：：高强钢筋平行行布置组成，，标准强度不不低于1470MPa钢丝索平行钢丝股索索PWS平行钢丝索PWC半平行钢丝索索采用镀锌高强强钢丝，其标标准强度不低低于1600MPa，常采用5或7镀锌钢丝制制造钢绞线平行钢绞线索索：半平行钢绞线线索，标准准强度不低于于1860MPa封闭式钢缆单根钢缆施工操作过程程繁杂，索中中钢筋都有接接头，目前很很少使用拉索端部的锚锚具热铸锚墩头锚冷铸锚夹片式群锚锚具的主要构构造为：锚环环、锚圈、锚锚垫块、填充充固化料、防防漏板及夹片片等，为便于于穿索、张拉拉，在锚具的的尾部须设置置张拉连接器器及引出杆连连接等附属构构造。拉索的防护拉索防护分为为钢丝防护和和拉索防护两两个方面。2、拉索锚固结结构拉索与主梁的的锚固构造在主梁顶板设设置锚固构造造（适用于单索面面有加劲斜杆杆的整体箱梁梁）在箱梁内锚固固构造在梁体两侧和和梁底设锚固固拉索与混凝土土塔的锚固构构造拉索在塔上交交叉锚固拉索在塔柱上上对称锚固直直接锚固以及及钢锚梁锚固固利用钢锚箱对对称锚固3、主梁构造特特点主梁的总体布布置1)主梁的边跨和和主跨比2)主梁端部处理理3)主梁高度沿跨跨长的变化主梁的立面布布置混凝土主梁横横截面形式1）实体双主主梁截面；2）板式边主主梁截面；3）分离双箱箱截面；4））整体箱形截截面；5）板板式梁截面双索面钢主梁梁横截面形式式双主梁、单箱箱单室钢梁、、两个单箱单单室钢梁、多多室钢梁和钢钢桁梁主要尺寸拟定定主梁高度h：h/l=1/50~1/200主梁宽度B:主梁宽与主跨跨的比值宜大大于1/30，与主梁高的比宜大于8横梁、桥面板板尺寸：局部部荷载截面调试：强强度、刚度和和稳定性；单单索面需考虑虑抗扭刚度主梁细部尺寸寸：主要根据据轴力来确定定3、主梁构造特特点（续）混凝土主梁中中钢筋的布置置普通钢筋的配配置纵向预应力筋筋：分段布置置，一般在主主跨跨中和边边跨端部横向预应力筋筋、竖向预应应力筋配置预应力度(单索面箱形主主梁为了防止止混凝土开裂裂降低抗扭刚刚度，宜采用用全预应力结结构，双索面面可采用部分分预应力结构构)3、主梁构造特特点（续）钢—混凝土结合梁梁的构造特点点总体布置1）结构体系；；2）边跨设置辅辅助墩及过渡渡孔；3）结合梁节段段布置；4）结合梁横截截面布置；5）桥面板结合梁截面中中混凝土桥面面板与钢梁的的联接构造拉索在结合梁梁上的锚固构构造4、索塔的构造造和截面尺寸寸索塔的组成1）矩形截面2)非矩形截面索塔的截面形形式和截面尺尺寸混凝土索塔的的截面形式钢索塔的截面面形式索塔的截面尺尺寸横梁与塔柱的的连接构件的的截面尺寸索塔的截面尺尺寸应根据塔塔柱受力、拉拉索锚固区构构造位置以及及张拉设备所所需空间等因因素决定。塔柱之间的横横梁截面形式式由塔柱截面面尺寸决定，，应注意与塔塔柱截面尺寸寸相配合，并并考虑与塔柱柱的连接及施施工方法等问问题。三、斜拉桥的的施工斜拉桥施工方方法的选择需需要考虑如下下一些因素：：施工现场自自然条件、桥桥梁规模、结结构形式、主主梁截面形式式、桥塔的形形状和斜索的的构造和布置置形状等。混凝土斜拉桥桥可先施工墩墩、塔。然后后施工主梁和和安装拉索；；也可按索塔塔、主梁、拉拉索三者同时时并进。分别按：主梁梁、索塔、斜斜索以及施工工管理与控制制四个方面给给予介绍。1、主梁施工方方法介绍2、索塔施工3、斜拉索的制制作、挂索和和张拉4、斜拉桥的施施工控制与调调整1、主梁施工方方法介绍1)支架法施工斜拉桥主梁施施工方法的选选择需要考虑虑如下一些因因素：施工现现场自然条件件、施工设备备、结构体系系、索型、索索距和主梁截截面形式等。。2）悬臂法施工工(悬臂拼装、悬悬臂浇注)4）平转法施工工3）顶推法施工工典型的塔墩固固接混凝土索索塔的施工可可按上图施工工顺序进行。。2、索塔施工方方法1）混凝土索塔塔施工顺序2）塔柱的施施工方法塔柱混凝土一一般采用就地地浇注，模板板和脚手平台台的做法常用用支架法、滑模法、爬模模法和大型模板构件件法等。3）横梁施工工要点4）混凝土索索塔施工注意意事项制索工艺流程程：钢丝除锈———调直——应应力下料———防护漆———穿锚——镦镦头——浇锚锚——烘锚———拉索防护护——超张拉拉——标定。。索长计算：是为得出制作作拉索的钢丝丝下料长度，，首先求出每每一根拉索的的长度基数L0，然后对这一基基数进行若干干修正，即可可得到钢丝的的下料长度L。3、斜拉索的制制作、挂索和和张拉拉索可分为预预制索（成品品索）和现制制索。1）拉索的制制作2）挂索就是将拉索架架设到索塔锚锚固点和主梁梁锚固点之间间的位置上。。由于斜拉桥桥的结构特点点，挂索总是是从短索进行行到长索。3）拉索的张张拉如果斜拉桥竣竣工后，拉索索索力、主梁梁内力和线形形与设计相差差较大，就会会影响桥梁的的安全使用。斜拉桥的施工工控制与调整整主要包括两两个方面：a）对于选定施工工方法的每个个施工节段进进行详细的理理论计算，以以求得各施工工阶段的施工工控制参数；；b）对于实际施工工中因各种原原因实测值和和理论计算值值出现的不一一致问题，采采取一定的方方法在施工中中予以控制和和调整。1)、斜拉桥桥施工的理论论计算；2)、施工管管理和施工测测试；3)、施工控制制与调整4、斜拉索的施施工控制与调调整斜拉桥施工的的理论计算方方法主要有以以下几种：1、倒拆法；；2）正算法法1）斜拉桥施施工的理论计计算倒拆法从斜拉桥成桥桥状态出发（（即理想的恒恒载状态出发发）用与实际际施工步骤相相反的顺序，，进行逐步倒倒退计算来获获得各施工节节段的控制参参数，根据这这些参数对施施工进行控制制与调整，并并按正装顺序序施工。正算法是按斜拉桥的的施工顺序，，依次计算出出各施工节段段架设时的内内力和位移。。并依据一定定的计算原则则，选定相应应的计算参数数作为未知变变量，通过求求解方程得到到相应的控制制参数。2）施工管理理和施工测试试（1）施工管管理a)正确计算恒载载重力；b）对施工人员的的要求；c）严格按照设计计要求施工；；d）严格进行各节节段的各项测测试；e)实测值与设计计值的比较。。（2）施工测测试a)变形测试；b）应力测试；c）温度测试。3）施工控制制与调整（1）施工控控制与调整原原则施工控制通常常是指对拉索索张拉力的控控制调整和主主梁标高的控控制，以使成成桥后结构内内力及外形达达到设计预期期值。（2）施工控控制与调整方方法a）一次张拉法；；b）多次张拉法；；c）设计参数识别别法；d）卡尔曼滤波法法四、斜拉桥的的设计与计算算一、斜拉桥静静力分析(整体分析、局局部分析及稳稳定分析)二、斜拉桥动动力分析（风振分析和和地震分析等等）1）斜拉桥的结结构体系及受受力特点2）斜拉桥计算算方法概述3）斜拉索的结结构特性——索垂度效应4）平面杆系有有限元法（直直接刚度法））计算斜拉桥桥内力和变形形5）斜拉桥的的恒载计算6)斜拉桥桥的活载内力力分析7)斜拉桥的温度度内力计算和和考虑收缩徐徐变影响的恒恒载内力计算算8)斜拉桥的稳定定性及局部应应力第一节斜拉拉桥的静力分分析主梁飘浮体系：相相当跨内具有有弹性支承的的单跨梁半飘浮体系：：相当跨内具有有弹性支承的的连续梁梁塔梁固结体系系：相当于配配置体外索的的连续梁刚构体系：相相当于配置体体外索的连续续刚构（压弯构件））索（受拉）：为主梁提供弹性支承塔（受压为主）：承受索力1）斜拉桥的结结构体系及受受力特点1、斜拉桥的静静力分析分析方法一般简化为平平面结构，采采用杆系有限限元计算直接采用空间间杆系有限元元方法考虑因素几何非线性中小跨度索的垂度效应应P－效应大跨度：大变变形理论收缩、徐变、、温度等引起起的变形和内内力重分布锚下局部应力力计算:先进行整体分分析，然后按按圣维南假定定，取出局部进行行局部应力分分析施工过程计算算非常重要2）斜拉桥计算算方法概述混凝土斜拉桥桥的拉索一般般为柔性索，，高强钢丝外外包的索套仅仅作为保护材材料，不参加加索的受力，，在索的自重重作用下有垂垂度，垂度对对索的受拉性性能有影响，，同时索力大大小对垂度也也有影响。3）斜拉索的结结构特性——索垂度效应为了简化计算算，在实际计计算中索一般般采用一直杆杆表示，以索索的弦长作为为杆长。关健健问题是考虑虑索垂度效应应对索的伸长长与轴力的关关系影响，这种影响采采用修正弹性性模量来考虑虑。等效弹性模量量实际上在应力力索索的轴向变变性由两部分分组成（1）索自身的弹弹性变形；；（2）垂度效应:则结构的等效效弹性模量可可表示为：4）有限元法（（直接刚度法法）计算斜拉拉桥内力和变变形国内对于中小小跨度斜拉桥桥一般采用平平面杆系有限限元计算斜拉拉桥的恒载、、活载下的内内力和变形等等，分析时主主梁和塔采用用梁单元，而而索采用直杆杆单元，杆单单元的弹性模模量采用前面面推导的修正正弹性模量考考虑垂度效应应。进行稳定定及动力计算算时，大多采采用空间杆系系有限元分析析模型进行。。对于大跨径径斜拉桥，通通常必须考虑虑主梁、塔柱柱几何非线性性及其对结构构的影响，对对于平面模型型，杆（索））单元和梁单单元的单刚矩矩阵分别为：：5）斜拉桥的的恒载计算索力优化概念念成桥状态内力力的初步确定定斜拉桥施工的的理论计算斜拉桥索力优优化方法归结起来分为为三大类：指定受力状态态的索力优化化，无约束的的索力优化以以及有约束的的索力优化，，具体方法分分别有：1)指定受力状态态的索力优化化方法：刚性性支承连续梁梁法和零位移移法等；2)斜拉索力的无无约束优化法法：弯曲能量量最小法和弯弯矩最小法等等；3)索力的有约束束优化：用索索量最小法和和最大偏差最最小法（2）成桥状态内力力的初步确定定问题提出：斜拉索是可以以主动张拉的的，因此索力力可以认为指指定，索力不不同，结构的的内力分布会会产生极大差差异，因此需需要对拉索索索力进行优化化，使斜拉桥桥在施工完成成后在恒载状状态下获得一一种合理的内内力状态。因此，选择一组组最优的索力是是斜拉桥设计的的首要问题，获获得最优的索力力方案可从两方方面着手：a)从力学概念上判判别最优;b)通过数学上的优优化理论获得最最优状态。成桥索力确定_基于数学优化理理论的方法：1）通过数学方法法建立一个优化化方程，通过优优化方程的求解解得到最优索力力，如：建立索索力与主梁的弯弯矩、材料用量量或其它指标函函数之间的关系系（势能最小或或材料最省等）），采用数学优优化算法求解索索力，使指标函函数达到最小值值；2）优化方法可以以适用于任意形形式的斜拉桥。。刚性支承连续梁梁法所谓刚性支承连续梁梁法就是求一组组恒载索力值，，使主梁在恒载载和索力作用下下，成桥后索梁梁连接点处的位位移为零。这时主梁的恒载载弯矩即为刚性性支承连续梁的的弯矩。具体计计算过程如下：：首先根据一次次落架，计算在在恒载作用下（（索力为零）索索梁连接点处的的垂直位移和塔塔顶水平位移i=1,2,3…）然后依次计算算出拉索为单位位力时对这些点点的影响量，，k为节点编号，i为拉索边号。于于是在恒载和索索力共同作用下下，以使各节点点竖向位移为零零为条件可以写写出如下线性方方程组：成桥状态内力的的初步确定目前前有多种方法，，这里以刚性支支承连续梁法进进行简要描述：：该方法只能提供供成桥索力的参参考值，在实际际桥梁中通常不不易实现。若索索距有变化，对对应连续梁可能能出现负反力而而索力不能为负负值；只有边跨和中跨跨索距均相同，，边跨的跨径约约为中跨0.5倍时，上述方法法的计算结果才才可使用；如果主梁有竖曲曲线，拉索索力力的水平分力将将会产生很大的的弯矩；没有考虑塔的受受力。刚性支承连续梁梁法（续）_特点（2）成桥状态内力的的初步确定（续续）成桥索力确定_基于数学优化理理论的方法_弯曲能量最小法法合理状态下主梁梁结构应最接近近轴向受力状态态，弯曲能量是是表达结构弯矩矩整体水平的重重要指标，可通通过优化计算减减小弯曲能量。。(3)斜拉桥施工理论论计算施工受力状态问问题提出指各施工阶段结结构的受力状态态，必须面临两两方面的要求：：其一为施工过过程中受力安全全；其二为成桥桥后满足合理成成桥状态要求。。当施工工序已已确定好后，控控制施工受力状状态的参数主要要就是斜拉索各各次张拉力和各各粱段立模(或安装定位)标高。斜拉桥主要施工工工况包括（施施工方案拟定和和施工荷载确定定）：1）结构构件的安安装；2）临时构件的拆拆除；3）斜拉索的张拉拉与索力调整；；4）施加各种集中中或均布力；5）预应力张拉、、收缩和徐变等等因素。软件应具备考虑虑上述工况的功功能，通过前处处理把上述工况况变为计算模型型的变化、体系系转换、作用施施加等等。斜拉桥合理状态态包括：合理成桥状态和合理施工状态。斜拉桥合拢后后，还可以通过过张拉或者放松松拉索调整成桥桥内力状态。一一般是先确定合合理成桥状态，，再反推出合理理施工状态。(3)斜拉桥施工理论论计算（续）斜拉桥施工状态态的确定斜拉桥的施工过过程是复杂的，，为了使施工过过程中的受力合合理，同时又能能满足成桥受力力和线形的要求求。就必须根据据施工方案确定定好施工过程中中的控制参数，，对于采用悬臂臂法施工的情况况控制参数为各各粱段施工时的的立模(或定位)标离和斜拉索的的张拉索力。斜斜拉桥施工状态态确定基本理论计算方方法有：倒拆法法、正装——倒拆迭代法、正正算法和无应力力状态控制法等等。a）倒拆法（倒退退分析，计算施施工时张拉索力力、及施工时梁梁段标高、预拱拱度确定）倒拆法是从斜拉拉桥成桥状态（（初始恒载状态态）出法，按照照与实际施工次次序相反的顺序序，进行逐步倒倒退计算而得到到各施工阶段的的控制参数。结结构据此数据按按正装顺序施工工完毕，在理论论上斜拉桥的恒恒载内力和变形形便可达到预定定的成桥状态。。b)正算法（前进分分析，根据施工工过程计算恒载载〕(3)斜拉桥施工理论论计算（续）正装法也称前进进分析法：1）拟定理想的成成桥状态；2）建立施工张拉拉索力与成桥索索力之间的影响响关系，从任意意施工初值索力力开始，通过数数学优化理论和和迭代计算，求求得最接近理想想成桥状态的施施工索力。（1）刚性支承承连续梁法；（（2）五点（四四点）为零法；；（3）零弯矩矩悬拼法6)斜拉桥的的活载内力分析析斜拉桥活载内力力采用影响线加加载法计算，对对于小跨径斜拉拉桥可以不考虑虑几何非线性,索弹性模量仅考考虑恒载修正，，刚度矩阵的P-效应仅考虑恒载载；大跨径斜拉桥非非线性影响明显显增大，叠加原原理不再适用，，影响线加载法法也就不能使用用，最不利内力力只能通过力学学概念判断荷载载位置后，通过过非线性程序计计算；但为避免费时费费力，一般先用用影响线加载计计算不计非线性性因素的内力，，然后乘以非线线性修正系数；；桥面板及桥面系系构件的活载冲冲击系数一般仍仍可按规范规定定的计算；斜拉桥的主梁、、拉索和塔柱等等主要构件的冲冲击系数计算还还有待研究，故故在实际设计中中考虑的方法也也不一致。8)斜拉桥的稳稳定性及局部应应力稳定性斜拉桥平面稳定定塔墩面内稳定塔墩面外稳定7)斜拉桥的温度内内力计算和考虑虑收缩徐变影响响的恒载内力计计算杆件两边缘发生生均匀温度（年温差）杆件两边缘发生生不均匀温度（日照温差）考虑收缩徐变影影响_换算弹性模量法法主梁及塔柱、索索锚固区的局部部应力2、斜拉桥的动力力分析1）概述引起振动的主要要因素车辆引起振动地震风振雨振结构自振频率与与周期及振型2）斜拉桥的风振振问题风对桥梁的作用用机理与风的自自然特性，桥梁梁自身的动力特特性和风与桥梁梁结构相互作用用这三个因素相相关，风对桥梁梁的作用包括静静力作用和动力力作用两方面。。静力作用动力作用桥梁作为一个振振动体系，在近近地紊流风作用用下，产生的风风致振动可以概概括为5种类型:涡激共振：风流经各种断面面形态的钝体结结构时都有可能能发生旋涡的脱脱落，而出现两两侧交替变化的的涡激力。当旋旋涡脱落频率接接近或等于结构构的自振频率时时，将由此激发发出结构的共振振。抖振：大气中的紊流成成分所激起的强强迫振动，由于于阵风是断续的的，也称为抖振振。抖振是一种种随机性的限幅幅振动（不致于于发散），由于于抖振发生的频频度高，可能会会引起结构的疲疲劳。过大的抖抖振振幅会引起起人感不适，甚甚至危及桥上行行车的安全。发生涡振和抖振振的风速都在一一定的范围，其其振幅也是在一一定范围内，故故也称这两种振振动为有限振动动。驰振：驰振也是一种危危险性的自激发发散振动，由于于桥梁振动导致致气流相对攻角角增大，又由于于升力曲线的负负斜率，使升力力减小，相当于于又增加了一个个加剧振动的气气动力，而使桥桥梁产生像骏马马奔驰那样上下下舞动的竖向弯弯曲振动，同样样当达到临界风风速时，桥梁振振幅不断增大而而最终导致破坏坏。颤振：颤振是一种危险险性的自激发散散振动，当自然然风速达到桥梁梁的颤振临界风风速时，自然风风给桥梁输入的的能量大于桥梁梁本身的阻尼在在振动中所能耗耗散的能量，导导致振幅逐步增增大直至最后结结构破坏。颤振振有扭转颤振和和弯扭耦合颤振振两种形式。驰振主要发生在在斜拉索和非流流线型截面的主主梁上；颤振主主要发生在比较较扁平但还不够够扁平的主梁截截面上。斜拉索的风雨振振和尾流驰振：：下雨时，雨水沿沿斜拉桥拉索下下流时的水道改改变了原来的截截面形状，从圆圆形异化为类似似于结冰电缆的的三角形。在一一定的临界风速速下，拉索会出出现驰振。在并并排拉索的斜拉拉桥中，处在前前排拉索尾流区区的后排拉索如如果正好位于不不稳定的驰振区区，后排（下风风侧）拉索会比比前排（迎风侧侧）拉索发生更更大的风致振动动，这就是尾流流驰振现象。3）斜拉桥的地震震问题地震动地震响应计算分分析方法静力法反应谱分析方法法时程分析法定义：悬索桥也也叫吊桥，是以以悬索（大缆））为主要承重结结构,与桥塔、、吊杆、锚锭和和桥面结构（加加劲梁）组成的的缆索承重桥,悬索承受拉力,现在主要由高高强钢丝制成,是目前跨越能力力最大的桥梁结结构。悬索桥(SuspensionBridge)一、悬索桥结构构形式、构造和和布置二、悬索桥的施施工三、悬索桥的设设计四、悬索桥计算算理论和计算内内容简介一、悬索桥结构构形式、构造和和布置悬索桥的组成悬索桥的形式悬索桥的各部分分构造悬索桥的的布置1、悬索桥的的组成和和作用组成：悬索桥是是由主缆、加加劲梁、、主塔、、锚碇、、吊索、、鞍座等构件构构成的柔柔性悬吊吊体系，，其主要要构成如如下图所所示。成成桥时，，主要由由主缆和和主塔承承受结构构自重，，加劲梁梁受力由由施工方方法决定定。成桥桥后结构构共同承承受外荷荷作用，，受力按按刚度分分配。1、悬索桥的的组成和和作用（（续）主缆是通过塔塔顶索鞍鞍悬挂在在主塔上上并锚固固于两端端锚固体体中的柔柔性承重重构件，，通过索索夹和吊吊索承受受活载和和加劲梁梁恒载，，此外还还分担一一部分横横向风荷荷载并将将它直接接传递到到塔顶；；桥塔是支承主主缆的重重要构件件，悬索索桥的活活载和恒恒载通过过主塔传传递到下下部的塔塔墩和基基础。有有时因地地形原因因，悬索索桥主缆缆在边跨跨端部不不能设置置锚固体体，则常常设置副副塔，使使主缆先先通过副副塔顶部部，然后后延伸一一定长度度后再进进入锚固固体，副副塔顶部部设有能能使主缆缆转向的的鞍座；；加劲梁提供桥面面和防止止桥面发发生过大大的挠曲曲变形和和扭曲变变形，主要承受受弯曲内内力，此此外，还还是承受受风荷载载和其它它横向水水平力的的主要构构件；吊索是将加劲劲梁自重重、活载载等通过过索夹传传递到主主缆的传传力构件件，上端端与索夹夹相连，，下端与与加劲梁梁相连；；索夹位于每根根吊索和和主缆的的链接节节点上，，是主缆缆和吊索索的连接接件，索索夹以套套箍的形形式紧固固在主缆缆上，它它在主缆缆上夹紧紧后产生生一定的的摩阻力力来抵抗抗滑移，，从而固固定了吊吊索与主主缆的节节点位置置，同时时也是固固定主缆缆外形的的主要措措施；鞍座是塔顶上上承受主主缆的构构件，通通过它可可使主缆缆中的拉拉力以垂垂直力和和不平衡衡水平力力的方式式均匀地地传给塔塔顶，除除了主塔塔与副塔塔的鞍座座外，主主缆在进进入锚固固体之前前还必须须通过散散索鞍座座将主缆缆分散以以后以索索股作单单位分散散锚固；；锚碇是锚固主主缆的结结构，它它将主缆缆中的拉拉力传递递给地基基；2、悬索桥桥的形式式地锚式与与自锚式式悬索桥桥（按主缆锚锚固方式式划分）地锚式：：主缆拉力力依靠锚锚固体传传递给地地基，要要求地基基有较大大承载力力。自锚式：：主缆拉力力水平分分力直接接传递给给加劲梁梁（轴向压压力）承受；竖竖直分力力（较小小）由端端支点承承受。适适宜：跨跨度不大大、软土土地基、、城市桥桥等。悬索桥的的形式可可从主缆锚固固方式、悬吊跨数数、悬吊吊方式以及加劲梁形形式等方面加加以划分分。地锚式悬悬索桥的的孔跨布布置形式式(按悬吊跨跨数分类类)单跨：适于边跨跨建筑高高度小、、曲线边边跨。由由于边跨跨主缆的的垂度较较小对荷荷载变形形有利。。三跨：最常见，，结构特特性比较较合理。。两跨：（单边跨跨）一岸建建筑高度度小或曲曲线边跨跨时。1377米青马大大桥。多跨：因中间桥桥塔和两两边桥塔塔的塔高高不同导导致主缆缆垂度偏偏大，悬悬索桥整整体刚度度降低，，非均布布活载下下塔顶变变位及加加劲梁挠挠曲变形形和弯矩矩较大；；固有振振动频率率降低。。故中塔塔必须加加大刚度度或者减减小主缆缆垂跨比比。2、悬索桥桥的形式式（续））按悬吊形形式划分分竖向、斜斜吊、斜斜拉——悬索混合合式按加劲梁梁支承类类型划分分（连续加劲劲梁、两两铰加劲劲梁等））简支（双双铰）和和单跨体体系：梁梁端用吊吊杆或者者摆柱作作支撑的的悬浮体体系，纵纵向位移移不受限限制。不不太适合合铁路桥桥。单跨跨适于边边跨建筑筑高度小小或曲线线边跨，，由于边边跨主缆缆的垂度度较小对对荷载变变形有利利，架设设主缆时时索鞍预预偏量较较大；连续体系系：加劲劲梁挠度度（竖向向及横向向）、梁梁端角变变位及伸伸缩量较较小。但但是，主主塔支点点处产生生较大弯弯距；梁梁穿过塔塔，使塔塔柱间横横向间距距大，基基础尺寸寸也相应应加大；；制造、、架设误误差以及及基础的的不均匀匀沉降对对加劲梁梁应力影影响较大大。单跨悬索索桥中的的一些特特殊布置置：单跨跨悬索桥桥加劲梁梁在两个个非悬吊吊的边跨跨内各带带有连续续伸出段段，可有有效减小小变形。。2、悬索桥桥的形式式（续））按加劲梁梁类型划划分（连续加劲劲梁、两两铰加劲劲梁等））2、悬索桥桥的形式式（续））3、悬索桥桥各部分分的构造造1）主缆缆材料有效拉应应力大；；拉伸延延伸率小小；弹模模大；截截面密度度大；疲疲劳强度度高、徐徐变小；；成缆锚锚固及防防锈容易易；价廉廉物美。。类型(钢结构眼眼杆式缆缆链、钢丝绳缆缆、封闭式钢钢缆和平行钢丝丝索股)钢丝绳缆缆：钢绞绞线绳、、螺旋钢钢丝绳、、封闭式式钢缆等等，适于于600米以下；；平行钢丝丝索股：：采用空空中纺线线法——AS法或者预预制平行行钢丝索索股法——PS法），适适于400米以上，，是现代代悬索桥桥主缆的的主流结结构类型型。大多采用用耐疲劳劳的高强强钢丝，，因为钢钢绞线虽虽然施工工方便，，但弹模模较低使使结构变变形增大大，截面面形状不不易按照照设计形形状压紧紧，防腐腐较难，，适于中中小跨度度。AS法：通过过牵引索索作来回回走动的的编丝轮轮，每次次将两根根钢丝从从一端拉拉到另一一端，待待钢丝达达到一定定数量后后（可达达400～500根）编扎扎成一根根索股。。钢束股股数较少少，便于于集中锚锚固，起起吊设备备轻便；；架设主主缆时抗抗风较弱弱所需劳劳动力也也较多。。PS法：避免了钢丝编编成钢丝束股的作作业从而加快主缆缆的施工进度，但但要求大吨位的起起重运输设备和拽拽拉设备来搬运钢钢丝束股。目前多多采用61、91、127Φ5左右钢丝，最重可可达40吨。主缆编制方法锈蚀原因：架设期间水份进入入；防护完成后因因主缆线形变化、、温度变化引起伸伸缩而导致粗糙表表面的油漆开裂和和索夹上受损的密密封部位开裂，水水的渗入导致主缆缆湿度高而锈蚀。。防护方法：施工期间镀锌钢丝丝外涂底漆或者树树脂类，然后手工工满刮腻子，再缠缠绕钢丝（退火镀镀锌Φ4钢丝），最后作外外涂装。主缆的防护（不可更换的主要要受力构件，必须须防腐）2）吊杆（索）布置形式：竖直；；倾斜（提高整体体振动时的结构阻阻尼值）。柔性吊杆材料：钢钢丝绳或者平行钢钢丝索（多采用））。注意：钢丝束股的的扭绞方向与其间间钢丝的扭转方向向相反。平行钢丝索（PWS）：多根Φ5～7镀锌钢丝外加PE套管。3）索夹作用：刚性索夹与柔而松松的主缆索体间的的连接为不稳定连连接。依靠摩擦力力来保证主缆在受受拉产生收缩变形形时也不致滑动。。一般分为四股骑骑跨式与双股销铰铰式。吊索与索夹的联结结方式4股骑跨式：两根两两端带锚头的钢丝丝绳索绕跨在索夹夹顶部的嵌索槽中中，锚头与加劲梁梁连接。不宜用平平行钢丝索，索夹夹分左右两半。双股销铰式：两根根下端带锚头、上上端带销铰的钢丝丝绳索或平行钢丝丝索，上端利用销销铰与索夹下的耳耳板（吊板）连接接，下端用锚头或或者同样用销铰与与加劲梁连接。索索夹分上下两半。。结构形式：钢桁梁梁、钢箱梁、砼箱箱梁4)加劲梁材料：圬工（古老老、小跨简易）；；钢筋砼（框架式式；实心矩形或者者箱形）；钢（框框架式、桁架式；；箱形、多格箱形形、H形）。桥塔纵向结构形式式：摇柱塔（摆动式））：单柱塔下设铰铰、塔顶索鞍固定定于塔，适于小跨跨。柔性塔：一般为下下端固定式，塔顶顶水平变位量相对对较大，适于大跨跨。刚性塔：塔顶水平平变位量相对较小小，单柱或者A形，多用于多跨悬悬索桥的中间塔柱柱，纵向刚度较大大，塔顶位移小从从而减小加劲梁内内的应力。5)桥塔桥塔横向结构形式式：刚构式（框架式））：单层或者多层层门架，明快简洁洁。桁架式：若干组交交叉的斜杆与水平平横梁组成桁架，，施工时稍显困难难。混合式：仅在桥面面以下设置交叉斜斜杆以改善受力和和经济性能。塔柱横向可竖直或或者稍带倾斜（斜斜柱式）或转折点点（折柱式），后后两者稳定性能好好且较为经济。现代认为钢筋砼刚刚构式桥塔是悬索索桥的桥塔最佳选选择。基本组成：主缆的的锚碇架及固定装装置、锚梁、锚碇碇基础。基本分类：重力式式锚碇、隧道式（（岩锚）锚碇。重力式锚碇：依靠靠锚块自重来抵抗抗主缆的竖直分力力，水平分力则由由锚碇与地基之间间的摩阻力（包括括侧壁的）或者嵌嵌固阻力来抵抗。。隧道式锚碇（岩洞洞式）:主缆散开后各索股股通过岩洞中的混混凝土锚块内埋设设的锚梁与拉杆的的伸出端连接，并并利用预应力工艺艺调整松紧。5)锚碇（用于地锚式式悬索桥）前锚式：主缆采用用PS法施工时的缆索锚锚固方式，支承（（定位）钢构架与与传力钢构架的结结合。后锚式：主缆采用用AS法施工时的缆索锚锚固方式，铸钢索索靴与眼杆的结合合。6)塔顶鞍座和散索鞍鞍座索鞍（鞍座）属于于支承主缆的支承承件或配件。类型：塔顶主索鞍；支架副索鞍（副鞍鞍座）：边跨靠近近岸端的墩架或钢钢排架的顶部，改改变主缆在竖平面面内的倾角。也可可不设。散索鞍座（展束锚锚固索鞍）：多设设置在桥台上，使使构成主缆的许多多钢丝束股在水平平向及竖直向分散散开的支撑鞍座，，并导引各索股入入锚固部分。主要构件：鞍槽、、腹板底板和加劲劲肋板等（腹板传传递鞍槽压力，横横肋加强）。布置形式：两块斜斜腹板，大部分鞍鞍下应力由斜腹板板直接径塔柱两侧侧横壁板传给桥塔塔、单（两）块竖竖腹板：大部分压压力经鞍座板间接接传递给塔柱顶板板。塔顶鞍槽的纵向曲曲率半径：纵向圆弧半径（可可为纵向非对称多多段圆弧）不小于于主缆直径的8～12倍，入口处鞍槽半半径局部略小以防防破坏主缆防腐。。鞍槽的截面形状：：配合主缆钢丝索索股的排列形状。。制造方法：全铸、、铸件鞍槽＋焊接接钢板（铸焊）、全焊。塔顶主索鞍江阴主索鞍构造形式为调节主缆在各种种条件下的长度变变化，散索鞍由辊辊轴、摇轴支承，，或者作成摆柱构构件。鞍槽的纵向曲率半半径入口处鞍槽形状与与塔顶鞍槽相同，，出口处略小，要要同时满足主缆转转向和散索的功能能要求。鞍槽的截面形状配合主缆钢丝索股股的排列形状。散索鞍：主缆进入锚碇之前前的最后一个支撑撑主缆的构件。4、悬索桥的总体布布置拱桥：主拱是压弯构件，，过大的轴力和弯弯距会使其失稳，，材料强度很难发发挥；拱质量中心心较高，不利于抗抗震；施工难。斜拉桥：受压弯的加劲梁在在跨度很大时恒载载压力巨大，截面面尺寸势必加大；；跨度较大时刚度度较好；施工、抗抗风难。适用范围1000米以上几乎是唯一一可选桥型；300～1000米之间采用钢加劲劲梁也可与斜拉桥桥竞争。与其它大跨度桥梁梁的比较选择：跨度比垂跨比宽跨比高跨比主缆与加劲梁的特特殊联结结构布置主要参数数和特殊连接：4、悬索桥的布置跨度比（边跨与中跨之比比L1/L）一般取值自由度较较小，为0.3～0.5。单位桥长用钢量随随跨度比的减小而而增大；大跨悬索桥多用小小边跨来增加刚度度的同时又使用钢钢量较省，跨度比比在0.2～0.4之间。结构的竖向变形及及竖向挠角随跨度度比的减小而减小小；取消悬吊的边边跨加劲梁又导致致结构的整体刚度度降低。垂跨比（主缆矢跨比）（f/L）一般取值范围为为1/9～1/12。垂跨比对主缆拉力力影响较大，垂跨跨比越小主缆拉力力越大，从而所需需主缆截面面积越越大，增加单位桥桥长用钢量；缆索单位桥长用钢钢量是随垂跨比增增加（从1/12增大到1/10）而减小，但钢桥桥塔的用钢量则随随垂跨比的增加而而增加；垂跨比越大，悬索索桥的竖向、横向向整体刚度越小；；对振动特性的影响响：垂跨比增大时时，竖向挠振固有有频率和极惯矩降降低；扭振固有频频率增大。一般中小跨度桥梁梁：宽跨比一般取取值范围为大于等等于1/20。但是大跨度悬索索桥的宽跨比尚无无合理而科学的标标准。一般而言，宽跨比比越大，梁体越宽宽，梁体横向挠曲曲刚度越大，可以以非常有效地减小小边跨梁体的横向向最大挠角以及主主跨梁体的横向最最大挠角（对主跨跨梁体的横向最大大挠度减小不是很很显著）。已建大跨度度悬索桥的的宽跨比大大致在1/60～1/40。宽跨比（B/L）高跨比（H/L加劲梁高与与主孔跨度度之比）悬索桥加劲劲梁在恒载载作用下除除了承受与与吊索节间间长度有关关的挠曲应应力外，一一般处于无无应力状态态，所以加加劲梁高度度与主孔跨跨度基本没没有关系。。减小加劲劲梁竖向变变形的有效效办法是减减小跨度比比而不是增增大加劲梁梁高度。一般而言言，桁架架式加劲劲梁的高高度为8～14米，箱型型加劲梁梁高度为为2.5～4.5米。已建桁架架式加劲劲梁悬索索桥的高高跨比大大致在1/180～1/70；箱型加劲劲梁悬索索桥的高高跨比大大致在1/400～1/300；扁平钢箱箱梁的流流线型设计有利利于风动动稳定，，但高度度太小会会导致加加劲梁抗抗扭刚度度削弱太太多，容容易导致致涡振和和抖振发发生而导导致结构构疲劳。。因此，，一般控控制高宽宽比在1/7～1/11。主缆与加加劲梁的的特殊联联结及其其它：传统做法法：主缆缆只通过过吊索与与加劲梁梁联结。。布置方式：主跨跨中设计特殊夹具连接主缆与加劲梁；主跨跨中设计一对相对的短斜索；主跨跨中（中斜索）以及边跨端部（端斜索）设计一对相对的短斜索。二、悬索索桥的施施工缆索施工工桥塔施工工锚碇施工工主缆施工工悬索桥主主缆施工工可分为为以下几几个步骤骤：1）准备备工程2）架设设导索3）架设设牵引索索和猫道道索4）架设设猫道桥桥面板及及横向天天桥5）架设设抗风索索以及完完成猫道道，并架架设主缆缆（纺线线法、改改进纺线线法，预预制平行行索股法法）6）将猫猫道转载载于主缆缆后拆除除抗风索索，并架架设竖吊吊杆。三、悬索索桥的设设计加劲梁在在活载与与其他荷荷载作用用下与主主缆共同同受力，，因此必必须与主主缆共同同考虑，，所以悬悬索桥设设计包括括：1、总体设设计；2、主缆的的设计；；3、加劲梁梁；4、主塔的的设计；；5、吊索和和锚碇等等的设计计等。悬索桥的的总体构构思悬索桥的的设计计计算内容容悬索桥的的设计计计算程序序悬索桥的的总体设设计1）悬索桥桥的适用用范围2）悬索桥桥与其它它大跨度度桥式的的比较选选择3）悬索索桥的美美学比例例4）悬索桥桥总体设设计的参参考数据据：跨度比，，垂跨比比，宽跨跨比，高高跨比等等1）边跨跨跨径与主主跨跨径径的比例例；2）桥下空空间形式式；3）加劲梁梁选择；；4）悬索挢挢的锚碇碇选择；；5）桥塔选选择。悬索桥的的总体构构思主缆的类类型和材材料主缆的总总体设计计主缆的设设计主缆成桥桥几何线线型的确确定；主缆截面面及预制制平行钢钢丝束设设计；主缆钢丝丝束的无无应力长长度。加劲梁设设计悬索桥加加劲梁的的主要功功能：首首先是直直接承受受竖向活活载；其其次是能能够安全全地抵抗抗横向风风压，并并在风风动力作作用下不不丧失稳稳定；最最后要能能抗震。。1）加劲梁梁结构形形式和布布置2）加劲梁梁计算考考虑应包包括如下下内容：：（1）加劲梁梁在使用用活载作作用下的的弯矩、、剪力和和扭矩；；（2）横向风风力的（3）起控制作用的强度验算；（4）加劲梁在不同荷载下的变形。桥塔结构构形式桥塔设计计桥塔的设设计1）桥塔的的受力分分析桥塔的荷荷载桥塔的设设计计算算2）简化算算例吊索的结结构构造造：垂直直布置和和斜向布布置悬索桥吊吊索因活活载、温温度变化化等所引引起的拉拉力的计算方法法可分为两两种：传统计算算方法：：不考虑加加劲梁的的荷载分分配效应应，局部部荷载仅仅由局部部的吊索索承受；；考虑加劲劲梁的荷荷载分配配效应，，即依靠加加劲梁刚刚度将局局部荷载载传递给给左右邻邻近的吊吊索，共共问受力力，此时时吊索的的拉力可可由全桥桥整体解解析得出出。悬索桥吊吊索的安安全系数数：3.0～4.0吊索的设设计锚碇的设设计悬索桥的的锚碇在在承受来来自主缆缆的竖向向反力的的同时，，主要还还承受主主缆的水水平力，，它是悬悬索桥的的主要承承载结构构之一。。地锚式锚锚碇的结结构设计计，重点