桥梁工程概论 第8章-其他桥型(悬索桥)

第八章其他桥型预应力混凝土连续梁桥拱桥斜拉桥悬索桥背景图片：虎门大桥4/18/20231李亚东：《桥梁工程概论》第八章概述

同其他桥式相比，跨度越大，悬索桥的优势越明显大跨悬索桥的加劲梁〔材料用量占相当比例）不是主要承重构件，其截面积并不需要随跨度而增加悬索桥的大缆、锚碇和塔在增加截面尺寸或承载能力方面遇到的困难较小受力：作为主要承重构件的大缆具有非常合理的受力形式施工：先架大缆，形成一个现成的悬吊式脚手架；同悬臂方法比，风险较小不足－柔性结构，活载产生较大的挠曲变形，刚度较小；在风荷载，车辆冲击荷载等动荷载作用下很容易振动

历史与发展60年代以前在美国的发展：桁架式加劲梁，钢主塔60～80年代在欧洲的发展：流线箱梁，混凝土桥塔70年代以后在日本及其它亚洲国家的发展

4/18/20232李亚东：《桥梁工程概论》第八章中外悬索桥4/18/20233李亚东：《桥梁工程概论》第八章悬索桥的组成部分及构造悬索桥主要组成部分构造变化在跨中将主缆与加劲梁直接连在一起（减小竖向变位和增大扭转刚度）交叉吊索，竖吊索与斜吊索混合使用独塔，或独缆4/18/20234李亚东：《桥梁工程概论》第八章主缆称呼－缆、索、链、绳都是柔性大的构件，独立的、直径较大的，宜称为缆。特点－抗弯刚度EI/L很小，只适合于受拉布置－全桥设２根平行的主缆，4根（极少），1根（一座）材料－直径5mm左右，镀锌冷拔低碳钢丝，平行丝股（另，钢丝绳）截面－如图架设－空中送丝法和预制丝股法4/18/20235李亚东：《桥梁工程概论》第八章锚碇作用：固定大缆自锚式和地锚式自锚式－锚于加劲梁，适于较小跨度，施工不便，极少采用地锚式－广泛采用者，承受水平反力和向上的竖直力，以自重提供的摩擦力来抵抗主缆水平力隧洞式（在坚实岩层中挖成）重力式（由混凝土锚固体的重量或再加配重来固定主缆）4/18/20236李亚东：《桥梁工程概论》第八章锚碇构造华盛顿桥4/18/20237李亚东：《桥梁工程概论》第八章锚碇构造华盛顿桥4/18/20238李亚东：《桥梁工程概论》第八章锚碇构造（江阴大桥北锚碇）4/18/20239李亚东：《桥梁工程概论》第八章桥塔作用：支承大缆受力：巨大竖向力作用在塔顶（缆在塔顶有转角）形式：桁架式，框架式，混合式（较少用）材料：石料（早期），钢，钢筋混凝土结构：刚性、柔性和摆柱式刚性－塔不变形，主鞍座下设辊轴，可沿纵向移动；摆柱式－塔底设铰，小跨度桥，较少采用柔性－主鞍座固定在塔顶，桥塔可挠曲，受力常为弯、压甚至扭转共同作用，以受压为主，靠桥塔柔性满足位移要求4/18/202310李亚东：《桥梁工程概论》第八章桥塔构造一般形式→←虎门大桥↓明石海峡大桥4/18/202311李亚东：《桥梁工程概论》第八章鞍座主鞍：支承大缆，传递竖向力的构造，鞍座与大缆之间不允许出现相对滑移副鞍：设置在锚碇的前端（靠水一侧），调节大缆进入锚碇的角度展束鞍（散束鞍）或展束套：设置在锚碇之内，在大缆从扎紧状态到散开状态之处4/18/202312李亚东：《桥梁工程概论》第八章福思桥主鞍座↓间接型↓直接型4/18/202313李亚东：《桥梁工程概论》第八章福思桥副鞍座4/18/202314李亚东：《桥梁工程概论》第八章展束鞍4/18/202315李亚东：《桥梁工程概论》第八章加劲梁主要功能：承受和传递竖向活载，桥面系的补充体系：简支或连续材料：钢材，混凝土（极少）类型：桁架式，流线型箱钢梁桁架式－适应双层桥面，适合于交通量较大的或公铁两用的悬索桥，梁较高流线型箱钢梁抗风性能好（风嘴）；抗扭刚度大；节省材料（正交异性桥面板和横向静风压力小）；建筑高度小，3－4m4/18/202316李亚东：《桥梁工程概论》第八章加劲梁构造4/18/202317李亚东：《桥梁工程概论》第八章加劲梁构造（续）旧金山海湾大桥横截面4/18/202318李亚东：《桥梁工程概论》第八章加劲梁构造（续）明石海峡大桥横截面（正交异性钢桥面板）4/18/202319李亚东：《桥梁工程概论》第八章加劲梁构造（续）美国纽波特桥（混凝土桥面）4/18/202320李亚东：《桥梁工程概论》第八章吊索与索夹吊索作用：将作用在加劲梁上的恒、活载传递给大缆吊索材料：钢丝绳，钢绞线索夹：大缆与吊索的连接件连接方式：鞍挂式和销接式4/18/202321李亚东：《桥梁工程概论》第八章索夹构造（鞍挂式）4/18/202322李亚东：《桥梁工程概论》第八章索夹构造（销接式）4/18/202323李亚东：《桥梁工程概论》第八章施工施工顺序－锚碇、桥塔、大缆、吊索、加劲梁、桥面锚碇－基础施工桥塔－混凝土：滑模施工；钢：拼装连接大缆－空中送丝法，预制平行丝股法空中送丝法：空中编制大缆，猫道等设备，调丝、调股、紧缆、缠缆等工序预制平行丝股法：丝股工厂制造，工地就位形成大缆加劲梁－悬臂安装（桁架梁）或梁段提升（浮运就位后），连同吊索安装4/18/202324李亚东：《桥梁工程概论》第八章用空中送丝法架缆的基本原理无端牵引绳及固定的送丝轮卷筒钢丝，一头固定在靴跟处，套过送丝轮动力机驱动送丝轮，将钢丝套圈送至对岸返回（可放空，或从对岸的卷筒钢丝带一钢丝套圈回来）反复进行直至一根丝股的设计数目4/18/202325李亚东：《桥梁工程概论》第八章猫道构造猫道－位于大缆之下，进行大缆作业的脚手架构造－悬吊在几根承重绳上，上铺面层（钢丝网），两条猫道之间设横道，下方设抗风索汕头海湾大桥猫道截面4/18/202326李亚东：《桥梁工程概论》第八章福思桥猫道构造4/18/202327李亚东：《桥梁工程概论》第八章预制平行丝股的制造和架设大缆由若干两端带锚头的丝股组成，每丝股含丝若干。基准丝－确定其他各丝的长度。带色丝－为了便于检查安装在缆中的丝股是否扭曲。4/18/202328李亚东：《桥梁工程概论》第八章南备赞大桥架缆全过程示意长臂浮吊架设先锋绳架设牵引绳并猫道绳猫道面层，溜放到位安装抗风索安装索夹安装吊索拆抗风索（未绘）架缆（未绘）4/18/202329李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：索塔塔身：翻模施工系梁：支架施工4/18/202330李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：锚锭及钢框架地下连续墙基础后锚块散索鞍墩鞍部西锚锭散索鞍钢框架散索室顶板桥墩4/18/202331李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：锚锭及钢框架（续）4/18/202332李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：索鞍及索夹左上：主鞍（一半）右上；展索鞍右下：索夹4/18/202333李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：先导索及牵引系统拖轮架设先导索利用先导索架设牵引索4/18/202334李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：猫道4/18/202335李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：索股预制4/18/202336李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：索股架设等左：索股沿猫道滚筒前进牵引索股4/18/202337李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：索股架设等左：索股入鞍上：索股锚固4/18/202338李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：索股架设等（续）紧缆缠丝安装索夹防腐涂装4/18/202339李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：加劲钢箱梁制造上：钢箱梁截面组成左：实物4/18/202340李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：钢箱梁吊装与焊接箱梁吊装从跨中开始4/18/202341李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：钢箱梁吊装与焊接液压提升吊机跨猫道布置4/18/202342李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：桥面铺装左：白色第一道防水胶底漆，起到钢板与防水胶粘结作用右：黄色第二道防水胶底漆，起防水作用4/18/202343李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：桥面铺装左：红色第三道防水胶面漆，起到与粘结层、防水层粘结作用右：喷沥青粘结剂4/18/202344李亚东：《桥梁工程概论》第八章虎门大桥施工：桥面铺装左：铺装沥青混凝土右：碾压4/18/202345李亚东：《桥梁工程概论》第八章设计理论简介－弹性理论弹性理论－悬索桥是大缆系统和加劲梁系统两者的简单组合。对单跨两铰悬索桥，其为一次超静定结构。将大缆从跨中切开，作用一对冗余力H，则可按力法（以大缆切口两面相对位移是零为条件）分析大缆以及加劲梁的内力。若忽略不计活载p对结构变形的影响，即假定大缆几何形状由满跨均布恒载决定（可推算其线形为二次抛物线），且这一线形不因活载p作用而发生改变，则由此分析悬索桥内力的方法就是传统的“弹性理论”。在求出H之后，将H作用在基本体系上，就可以求出加劲梁的弯矩M：M＝M0－Hy

4/18/202346李亚东：《桥梁工程概论》第八章设计理论简介－挠度理论实际上，大缆是柔性受拉构件。“弹性理论”假定它的几何形状及长度都不因活载而改变，这是一个很大的缺点。早在1888年建立的“挠度理论”就纠正了这一缺点。“挠度理论”的主要特点是：大缆在恒载下取得平衡的几何形状（二次抛物线）将因活载的介入而改变，大缆因活载作用引起的拉伸量也需考虑。因此，应采用位移法，并计及结构的几何非线形，来分析悬索桥内力。见下图，大缆在恒载下的平衡位置（实线）因活载作用而有所改变（虚线）。按右图的分离体，可求得加劲梁的M为：

M＝M0－Hqv－Hp（y＋v）4/18/202347李亚东：《桥梁工程概论》第八章设计理论简介－重力刚度法对加劲梁很柔的悬索桥，还可以先让加劲梁的抗弯刚度是零，取大缆做基本体系，并且让基本体系用改变其几何线形的方式来承担活荷载。在缆的线形改变量或挠度（从只受恒载变到承受恒载加活载）求得后，可以就每一吊索上端的位置推算位于吊索下端的梁的挠度，再凭梁的挠度的各阶导数推算梁的弯矩及其所分担的活载集度。从给定的活载集度中将梁所分担的集度扣除，余下者就是经由吊索传给大缆，让大缆所分担的活载集度。按吊索传来的活载重新计算大缆挠度，将上述计算重复迭代几次，就能取得使人满意的结果。所谓重力刚度，指原本柔性的大缆因承受（巨大恒载所生）重力而产生的抵抗（活载所致）变形的刚度。该法抓住了大跨悬索桥的两大特点：一是较大恒载使缆的线形稳定（即其挠度不因活载而发生大的变化）；二是柔性很大的加劲梁所能分担的活载份额必然很小。这样，所需的最终结果也就同该法在迭代开始时所假定的情况很相近了。4/18/202348李亚东：《桥梁工程概论》第八章设计理论简介－非线性有限元分析从60年代以来，随着计算机、计算数学和计算力学的发展，借助于计算机，可对悬索桥进行非线性有限元