桥梁工程7第五篇 缆索承重体系桥梁

BRIDGE《桥梁工程》彭天波，办公室：桥梁馆413室，电话：65983116-2412，邮箱：ptb@BRIDGE第五篇缆索承重体系桥梁第一章 概论第二章 斜拉桥第三章 悬索桥简介2022/10/182BRIDGE第一章 概论

1.1

桥型基本特征绝大多数缆索承重体系桥梁的结构体系分四个主要部分：包括桥面结构在内的加劲梁、支承加劲梁的缆索系统、支承缆索系统的索塔、在竖向或水平向嵌固缆索系统的锚固体。上述结构体系可以使得缆索承重体系桥梁成为跨径最大的桥梁结构体系，原因有两个方面：结构受力体系方面和材料方面。1.2缆索承重体系桥梁的类型根据缆索的布置形状，可以分为斜拉桥、悬索桥、悬索－斜拉混合体系桥和索网体系桥。2022/10/183BRIDGE第二章斜拉桥2022/10/184BRIDGE竹斜拉桥藤萝斜拉桥2022/10/185BRIDGE1784年瑞士的Loscher木桥，已经具备了现代斜拉桥的特征。1817年英国的Meadow人行桥，采用了铸铁桥塔。2022/10/186BRIDGE1956年瑞典建成的新斯特罗姆海峡桥是第一座现代斜拉桥。进入20世纪后，近代桥梁力学理论、电子计算机计算技术、材料强度、施工手段等有了很大的发展，使斜拉式桥型又逐渐地重现了它的优越性，至20世纪50年代开始又得到很快的发展。2022/10/187BRIDGE8昂船洲大桥主跨1088米的苏通长江公路大桥2022/10/18BRIDGE按主梁所用材料，斜拉桥可分为钢斜拉桥、混凝土斜拉桥、结合梁斜拉桥与混合梁斜拉桥四类。芜湖长江大桥2023/7/319BRIDGE2.1结构特点受拉的斜索将主梁多点吊起，并将主梁的恒载和车辆等其它荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。塔柱基本上以受压为主。跨度较大的主梁就像一条多点弹性支承的连续梁一样工作，从而使主梁内的弯矩大大减小。由于同时受到斜拉索水平分力的作用，主梁截面的基本受力特征是偏心受压构件。2023/7/3110BRIDGE2.2总体布置2.2.1索塔布置为了减少水中墩及深水基础，从经济角度考虑，宜采用独塔布置方案；根据桥位地形及跨径需要等各种因素也可选用双塔布置或多塔布置方案。2.2.2孔跨布置斜拉桥孔跨布置主要可分为双塔三跨式、独塔双跨式和多塔多跨式等三种形式。在特殊情况下，斜拉桥也可以布置成独塔单跨式等形式。2023/7/3111BRIDGE双塔三跨式是一种最常见的斜拉桥孔跨布置方式。通常布置成两个边跨跨度相等的对称形式，也可以布置成两个边跨跨度不等的非对称形式。边跨跨度与主跨跨度的比例关系通常取0.4左右。由于双塔三跨式斜拉桥的主孔跨度较大，一般可适用于跨越较大的河流、河口和海峡。2023/7/3112BRIDGE独塔双跨式也是一种常见的孔跨布置方式。可以布置成两跨不对称的形式，即分为主跨与边跨；也可以布置成两跨对称，即等跨形式。边跨跨度与主跨跨度的比例通常介于0.6～0.7之间。由于它的主孔跨径一般比双塔三跨式的主孔跨径小，故特别适用于跨越中小河流、谷地及交通道路；当然也可用于跨越较大河流的主航道部分。2023/7/3113BRIDGE多塔多跨式应用较少，这是由于多塔多跨式斜拉桥的中间塔顶没有端锚索来有效地限制它的变位，结构的刚度较低。增加主梁的刚度可以在一定程度上提高多塔斜拉桥的整体刚度，但这样做必然会增加桥梁的自重。在必须采用多塔多跨式斜拉桥时，可将中间塔做成刚性索塔，此时索塔和基础的工程量将会增加很多，或用斜拉索对中间塔顶加劲，但这种长索柔度较大，且影响桥梁的美观。2023/7/3114Rion-antirion大桥的主桥为4塔5跨连续斜拉桥，跨径组成为286＋3×560＋286

米，全长2252米。BRIDGE2023/7/3115BRIDGE2.2.3辅助墩辅助墩适用条件：当斜拉桥的边孔设在岸上或浅滩，边孔高度不大或不影响通航时。优点：可以改善结构的受力状态，增加施工期的安全。当辅助墩受压时，减少了边孔主梁弯矩，而受拉时则

减少了中跨主梁的弯矩和挠度，从而大大提高了全桥

刚度。实践证明，设一个辅助墩后，塔顶水平位移、主梁跨中挠度、塔根弯矩和边跨主梁弯矩都大大减少，一般约为原来的40%～65%。边孔加两个辅助墩，上述这些内力和位移虽然继续降低，但变化幅度不大。2023/7/3116BRIDGE2.2.4索塔高度塔的有效高度一般应从桥面以上算起，因为它与斜索的倾角有关。与斜拉桥的主跨跨径有关，还与拉索的索面型式、拉索的索距、拉索的水平倾角、主梁形式、主塔形状、施工方法和景观要求有关。在主跨跨径相同的情况下，索塔高度低，拉索的水平倾角就小，则拉索的垂直分力对主梁的支承作用就小，会导致拉索的钢材用量增加。反之，索塔高度愈大，拉索的水平倾角愈大，拉索对主梁的支承效果也愈大，但索塔和拉索的材料用量也要增加，还会增加施工难度。双塔三跨式斜拉桥，H/L2的比值宜取0.18～0.25。2023/7/3117BRIDGE2.2.5结构体系按照塔、梁、墩相互结合方式，斜拉桥的结构体系可划分为飘浮体系、半飘浮体系、塔梁固结体系和刚构体系。如果按照主梁的连续方式划分，则有连续体系和T构体系等。2023/7/3118BRIDGE飘浮体系特点是塔墩固结、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。主要优点是主跨满载时，塔柱处的主梁截面无负弯矩

峰值；温度、收缩和徐变次内力均较小；受力较均匀；地震时全梁可以纵向长周期摆动，起到减震作用。目

前，大量的斜拉桥均采用飘浮体系。缺点是：当采用悬臂施工时，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。从塔柱

中心悬吊下来的拉索(一般称“零号索”)施工复杂。2023/7/3119BRIDGE半飘浮体系特点是塔墩固结，主梁在塔墩上设置纵向活动的竖向支承，成为具有多点弹性支承的三跨连续梁。半飘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，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，这样就可以与飘浮体系相媲美，并且在经济和减小纵向方面将会有一定好处。2023/7/3120BRIDGE塔梁固结体系特点是将塔梁固结并支承在墩上，斜拉索变为弹性支承。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。这种体系的优点是，显著减小主梁中央段承受的轴向拉力，索塔和主梁的温度次内力极小。缺点是中孔满载时，主梁在墩顶处转角位移导致塔柱倾斜，使塔顶产生较大的水平位移，从而显著地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给桥墩，需要设置吨位很大的支座。2023/7/3121BRIDGE刚构体系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。这种体系的优点是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。缺点是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。2023/7/3122BRIDGE个别斜拉桥采用在跨中无索区段插入一段挂梁的形式，但它有损于桥梁的整体性和桥面的连续性，对行车不

利，因此现已很少采用。在主梁跨中设铰的布置，可以起到缓解温度应力的作用，但同样对行车不利，加之剪力铰在设计、施工及养护等方面的难度，故一般很少采用。2023/7/3123BRIDGE斜拉桥多数是自锚体系。只有在如主跨很大边跨很小等特殊情况下，才采用部分地锚式的锚拉体系。郧阳汉江公路大桥，1994年1月28日建成通车，该桥属地锚式钢筋混凝土斜拉桥，主跨为414米，全长为586米。2023/7/3124BRIDGE2.2.6斜拉索的布置按其组成的平面通常分为单索面、双索面和多索面。单索面设置在桥梁中轴线上，优点是桥墩尺寸较小、视觉效果好；采用双索面时，作用于桥梁上的扭矩可由拉索的轴力来抵抗。多索面往往应用于超宽桥面的斜拉桥。2023/7/3125BRIDGE根据斜索在索平面内的布置，它又可以分为辐射型、竖琴型和扇型三种形式。辐射形布置的斜拉索沿主梁均匀分布，而在索塔上则集中于塔顶一点。这样各斜拉索都具有最大的倾角，故斜拉索的垂直分力对主梁的支承效果也大。由于索力主要由垂直力的需要而定，因此斜索拉力较小，索用量最省；而且辐射索使结构形成几何不变体系，对变形及内力分布都有利。缺点是：塔顶锚头构造处理较困难；塔身刚度要保证压曲稳定的要求。2023/7/3126BRIDGE竖琴形布置中的斜拉索成平行排列，因此各索倾角

相同，外形最美观，具有很好的韵律；索与塔的连

接构造易于处理；由于倾角相同，各索的锚固构造

相同；塔中压力逐段向下加大，有利于塔的稳定性。缺点是：由于是几何可变体系，对内力及变形的分布较不利，需要采用边跨内设置辅助墩的办法来加以改善。竖琴型布置时斜拉索倾角较小，索的总拉力大，故钢索用量较多。2023/7/3127BRIDGE扇形布置的斜拉索是不相互平行的，是介于辐射形和平行形之间的拉索布置形式，一般在塔上和梁上分别按等间距布置，兼顾了以上两种形式的优点而减少其缺点，因此有较多的斜拉桥采用这种形式。2023/7/3128BRIDGE根据斜索在主梁上的间距，有稀索与密索之分。在早期的斜拉桥中都为稀索体系，现代斜拉桥则多为密索体系。密索优点如下：索距小，主梁弯矩小；索力较小，锚固点构造简单；锚固点附近应力流变化小，补强范围小；利于伸臂架设；易于换索；拉索断面纤细，美感度提高。斜拉桥采用悬臂法架设时，索间距宜为5~18m。混凝土主梁因自重大，索距应密些，一般不大于10m。2023/7/3129BRIDGE2.3斜拉桥的构造2.3.1斜拉索的构造斜拉索是斜拉桥的主要承重结构，不久要求抗拉强度高，还要求弹性模量大、抗疲劳性能、耐久性和抗腐蚀性良好。斜拉索的类型包括：平行粗钢筋束、平行钢丝束、平行钢铰线束、单股钢铰缆、封闭式钢缆。平行钢丝索由φ5～7mm、标准强度1600MPa的高强镀锌钢丝组成，一般排列成六边形，整体在工厂制造。目前使用最广泛的防护措施是用热挤法在钢丝束上包一层聚氯乙烯套管(简称PE套管)。2023/7/3130BRIDGE2.3.2主塔的构造斜拉桥的索塔主要承受通过拉索传递给塔柱的巨大压力和弯矩。斜拉桥主塔结构型式、高度、截面尺寸以及塔底的支承型式，应根据桥位处地质情况、环境条件、斜拉桥的跨度、桥面宽度、斜拉索布置以及建筑造型等因素决定。斜拉桥索塔的纵向形式一般为单柱形，也可考虑A型和倒Y型塔，后者刚度较大，能抵抗较大的弯矩。2023/7/3131BRIDGE横桥向的塔柱型式有单柱式、双柱式、Π形、H形、花瓶型、A型、倒V形、倒Y形和钻石型等。单柱式桥塔通常用于主梁抗弯、抗扭刚度较大的单索面斜拉桥。门架式和Π形双柱式桥塔适用于桥面宽度不大的双索面斜拉桥。其他形式的桥塔结构横向刚度大，但构造和受力复杂、施工难度大。对于抗震、抗风要求较高的大跨度或特大跨度斜拉桥，经常采用这些形式的主塔。2023/7/3132BRIDGE2.3.2主梁的构造主梁的主要作用有三个方面：将恒、活载分散传给拉索。主梁需有足够的刚度防止压屈；抵抗横向风和地震作用，并把这些力传给下部结构。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。而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。2023/7/3133BRIDGE纵断面通常采用等高度布置。主梁的高跨比正常范围：对于双索面情形：1/100～1/150；对于单索面情形：1/50～1/100，且高宽比不宜小于1/10。一般说来，梁式桥主梁的不少横截面形式都可用于斜

拉桥，但由于梁在跨间支承在一排或两排斜索支点上，因此要求横截面的抗扭刚度比较好，而且便于斜索与

主梁的连接，因此一般不用T形截面。2023/7/3134BRIDGE混凝土主梁的常用横截面形式2023/7/3135BRIDGE2.4斜拉桥施工简介斜拉桥施工方法的选择需要考虑如下一些因素：施工

现场自然条件、桥梁规模、结构形式、主梁截面形式、桥塔的形状和斜索的构造和布置形状等。混凝土斜拉桥可先施工墩、塔。然后施工主梁和安装拉索；也可按索塔、主梁、拉索三者同时并进。2023/7/3136BRIDGE钢索塔主要采用预制吊装的方法施工；混凝土索塔主要采用搭架现浇、预制吊装、滑升模板浇筑的方法施工。搭架现浇：是从地面和墩顶设置满布支架及模板，然后现浇塔柱混凝土。预制吊装：当桥塔不是太高时，可以加快施工进度，减轻高空作业的难度和劳动强度。滑模施工：这种方法的最大优点是施工进度快，适用于高塔的施工。塔柱无论是竖直的还是倾斜的都可以用此法，但对斜拉索锚固区预留孔道和预埋件的处理要困难些。塔的施工：2023/7/3137BRIDGE主梁施工斜拉桥主梁施工方法的选择需要考虑如下一些因素：施工现场自然条件、施工设备、结构体系、索型、索距和主梁截面形式等。一般大跨径斜拉桥上部结构主要采用悬臂浇筑或悬臂拼装的施工方法。悬臂拼装施工：一般先在塔柱区段现浇一段起始梁段以放置起吊设备，然后用起吊设备从塔柱两侧依次对称安装预制梁段，使悬臂伸长直至合龙。由于主梁预制混凝土龄期较长，收缩、徐变变形小，且梁段的断面尺寸和混凝土质量容易得到保证。2023/7/3138BRIDGE悬臂浇筑施工：是从塔柱两侧用挂篮对称逐段就地浇注混凝土直至合龙。上世纪80年代研制的前支点牵索式挂篮。利用施工节段前端最外侧两根斜拉索，将挂篮前端大部分施工荷载传至桥塔，变悬臂负弯矩受力为简支正弯矩受力。这样，随着受力条件的变化，节段悬浇长度及承受能力均大大提高。2023/7/3139对于中、小跨径的斜拉桥，可根据桥址处的地形条件和结构本身的特点，采用支架法、顶推法或平转法等施工方法。支架法施工主梁就是在桥孔位置搭设满布支架，或在临时支墩之间设置托架或劲性骨架，然后立模现浇混凝土主梁或拼装预制梁段的施工方法。顶推法进行混凝土斜拉桥主梁的施工，需在跨内设置若干临时支墩，且在顶推过程中，主梁反复承受正负弯矩。平转法是将斜拉桥上部结构分别在两岸或一岸顺河流方向的支架上现浇，并在岸上完成落架、张拉、调索等所有安装工作，然后以墩、塔为圆心，整体旋转到桥位合龙。BRIDGE2023/7/3140斜拉索安装大致可分两步：引架作业：将斜拉索引架到桥塔锚固点和主梁锚固点之间的位置上。张拉作业：完成挂索施工后，对斜拉索施加一定的拉力，使拉索开始受拉而参与工作。BRIDGE2023/7/3141BRIDGE第三章悬索桥简介3.1概述悬索桥是以受拉主缆为主要承重构件的桥梁结构。它主要由桥塔（包括基础）、主缆、加劲梁、锚碇、吊索、鞍座及桥面结构等几部分组成。2023/7/3142BRIDGE特点：加劲梁在吊索的悬吊下，相当于多个弹性支承上的连续梁，弯矩很小；吊索将主梁的重力传递给主缆，承受拉力；主塔将主缆支起，主缆承受拉力，并被两侧的锚碇锚固；主塔承受主缆的传力，主要受轴向压力，并将力传递给基础。由于悬索桥是以高强钢丝作为主要承拉结构，所以，具有跨越能力大、受力合理、最能发挥材料强度等优点，另外，还具有整体造型流畅美观和施工安全快捷等优势。2023/7/3143BRIDGE丹麦大贝尔特东桥（大海带桥）2023/7/3144大阪此花大桥日本明石海峡大桥2023/7/31BRIDGE54西堠门大桥青马大桥BRIDGE3.2悬索桥的基本类型3.2.1按主缆的锚固形式分类有地锚式和自锚式两类。地锚式悬索桥：主缆的拉力由桥梁端部的重力式锚碇

或隧道式锚碇传递给地基。因此在锚碇处一般要求地

基具有较大的承载力，最好有良好的岩层作持力地基。2023/7/3146BRIDGE自锚式悬索桥主缆拉力直接传递给它的加劲梁来承受。优点是适宜用于两岸地基承载力较差，特别是软土的桥位，另外，对城市闹区跨河桥梁可以避免影响景观或无法布置的庞大的主缆锚碇建筑物。自锚式悬索桥的跨度不宜过大。另外，这种桥式施工比较困难、风险较大。2023/7/3147BRIDGE3.2.2按悬吊跨数分类2023/7/3148BRIDGE2023/7/3149BRIDGE2023/7/3150BRIDGE3.2.3根据悬吊方式分类2023/7/3151BRIDGE3.3悬索桥的总体布置需要考虑的结构特性包括：跨度比、垂跨比、宽跨比、高跨比、加劲梁的支承体系等要素。跨度比：边跨与主跨跨度之比（L1/L）受具体桥位处的地形与地质条件制约，一般为0.3～0.5。跨度特大时，为了提高结构的总体刚度，跨度比可取0.2～0.4。2023/7/3152BRIDGE垂跨比：悬索桥的垂跨比是指主缆在主孔内的垂度f与主孔的跨度L之比。在实桥设计中，应结合对刚度的要求和主缆用钢量来选取合适的垂跨比，一般公路悬索桥的平均垂跨比为1/10左右。2023/7/3153BRIDGE宽跨比：宽跨比是指桥梁上部结构的梁宽（或主缆中心距）W与主孔跨度L的比值。加劲梁的宽度由车道宽度及桥面构造布置等决定。中小跨度桥梁宽跨比一般用1/20的标准。世界大跨度悬索桥的宽跨比大部分在1/60～1/40之间。高跨比：是指悬索桥加劲梁的高度h与主孔跨径L的比值。通常桁架式加劲梁梁高一般为8～14m，箱型加劲梁的梁高一般为2.5～4.5m。2023/7/3154BRIDGE三跨加劲梁的支承体系：非连续的支承体系，即每跨加劲梁的两端分别设置支承体系。这种布置在结构上比较合理，但梁端的角变量和伸缩量及跨中的最大挠度均较大。连续的支承体系，能减小桥面的变形，对整体抗风及运营平顺性和舒适性均有利。但缺点是主梁连续通过塔柱，使得主梁在主塔处的支点负弯矩较大，且加大了桥塔处塔柱的间距。2023/7/3155BRIDGE纵坡：根据悬索桥的景观特点，悬索桥的纵坡决定于两岸的地形、航道净空、路面排水和加劲梁的最大挠度等因素。己建成的长大悬索桥的中跨纵坡多为1%～1.5%的抛物线，而边跨多和中跨的端部以直线相接，因此边跨为直线，一般为中跨坡度的两倍。2023/7/3156BRIDGE3.4悬索桥构造简介3.4.1桥塔桥塔是支承主缆的主要构件，分担主缆所受的竖向荷载，并传递到下部的塔墩和基础。按采用材料分，桥塔有混凝土塔和钢塔。按桥塔外形分，在横桥向一般有桁架式、刚构式和混合式三种结构形式。刚构式简洁明快，可用于钢桥塔或混凝土桥塔，桁架式和混合式由于交叉斜杆的施工对混凝土桥墩有较大困难，只能用于钢桥塔。2023/7/3157BRIDGE在顺桥向，按力学性质可分刚性塔、柔性塔和摇柱塔三种结构形式。刚性塔可提高结构纵向刚度，减小纵向变位，从而减小梁内应力；柔性塔允许塔顶有较大的变位；摇柱塔为下端做成铰接的单柱形式。2023/7/3158BRIDGE3.4.2主缆主缆通过塔顶的鞍座悬挂于主塔上并锚固于两端锚固体中。主缆的布置形式一般是采用每桥两根，平行布置于加劲梁两侧吊点之上。现代大跨度悬索桥多采用平行钢丝主缆，它是由平行的高强、冷拔、镀锌钢丝组成。钢丝直径5mm左右。2023/7/3159BRIDGE钢丝总数n＝钢束股数n1×每束的钢丝根数n2钢丝束股的编织方法通常有空中编丝组缆法(AS法)和预制平行钢丝束股法(PWS法)。AS法每缆所含总股数较少，约30~90股，但每股所含丝数n2多达400~500根以上。因而其单股锚固吨位大，锚固空间相对集中。PWS法每缆总股数n1多达100~300股，锚固空间相对较大。由于采用工厂预制，故现场架索施工时间相对缩短，气候因素影响小，成缆工效提高。这种成缆方法在目前大跨悬索桥施工中常用。2023/7/3160BRIDGE3.4.3吊索吊索是将加劲梁上的竖向荷载通过索夹传递到主缆的

受力构件。其下端通过锚头与加劲梁两侧的吊点联结，上端通过索夹与主缆联结。2023/7/3161BRIDGE现代悬索桥一般采用柔性较大且易于操作的钢丝绳索或平行钢丝索作为吊索。吊索与索夹的连结方式一般分为骑跨式和销铰式两种。其中，前者不宜采用平行钢丝索，而后者对钢丝绳索与平行钢丝索都能适应。2023/7/31