桥梁概念设计课程论文张一峰

武汉理工大学研究生期末考试试卷课程：桥梁概念设计学生：张一峰学号：10497214015082014年12月24日板拉桥设计与创新—以甘特桥为例摘要：板拉桥是将斜拉索用混凝土或者预应力混凝土包裹起来的斜拉桥，其是集斜拉桥、刚性索、低塔三者的优点于一身的创新体系。瑞士Ganter桥是世界上第一座板拉桥，从诞生之日起就被公认为技术和美学上的杰作。本文将详细介绍Ganter桥的概念设计、力学性能、施工过程及其存在的问题等方面，进一步说明该体系的特点，并为其以后的运用提供一些建议。关键词：甘特桥；斜拉板；体系创新；刚度0引言板拉桥是将斜拉索用混凝土或者预应力混凝土包裹起来的斜拉桥，其是集斜拉桥、刚性索、低塔三者的优点于一身的创新体系。第一座斜拉板桥是著名的瑞士设计师C.Menn设计的瑞士Ganter桥，主跨174m，建成于1980年，该桥同时也创始使用了低塔。我国1985年在湖南省修建了第一座斜拉板桥试验桥马迹塘桥，主跨60m，接着又修建了江华沱江桥，独塔跨径95+60m，属双幅斜拉板桥。广东省1992年建成了沙溪桥，独塔跨径60+60m，为单面斜拉板桥。以后各地曾多有设计，如重庆马桑溪桥，双塔主跨280m；湖北菜甸汉江桥，主跨2×120m，贵州兴义清水河铁路桥，双塔主跨128m。1980年底竣工的甘特(Ganter)桥为具有最大跨度174米为部分预应力的预应力混凝土桥。从Gander斜拉桥建成至今，仍没有板拉桥的跨径超过它。这纵然与板拉桥跨径限制有关，但更大的原因在于Gander桥以其独特的创新设计、优美的景观协调脱颖于同类型桥梁中。该桥问世之际，入选为“20世纪世界最美丽的桥梁”，被评为“一件真正的艺术品，一种创新的体系”。本文将从Gander桥特殊的板拉桥结构体系及其环境景观美学等方面对该桥进行介绍。1板拉桥的主要特点早期斜拉桥拉索的防腐问题不能满足桥梁建成的需要,为解决这一问题而提出的,用混凝土包裹斜拉索的板拉桥,由于其特有的结构体系,使它同时集斜拉桥,刚性索,低塔三者的优点于一身,与早期的斜拉桥相比,具有以下特点:由于用混凝土将所有斜拉索全部包裹起来,因而在早期拉索防腐不好的情况下,更好的对拉索进行了保护。由于包裹拉索的混凝土形成了一块板,解决了早期拉索柔性而引起的风振和疲劳问题。包裹拉索的混凝土板与梁、柱固结,使整个桥梁受力形成三角形的刚构体系,从而大幅度提高了主梁的刚度,并增加了行车的舒适性,特别适用于铁路桥的受力要求。板拉桥的特殊受力体系,与传统的斜拉桥相比,不需要将塔作得过高,因而缩短了主塔的施工周期,降低了主塔的工程造价。这也是后期矮塔斜拉桥的雏形,并为矮塔斜拉桥的出现奠定了基础。2工程概述与设计构思甘特桥(图1、2)在瑞士与意大利交界处的国道9号线上,跨过甘特溪谷。最初考虑在溪谷右岸设置1.5公里长的隧道与老甘特桥相连,后来采纳了C·Menn教授提出的方案—全长500米、高150米的混凝土桥方案。该方案与隧道方案相比,可缩短1。7公里,节省工程费约一半。其结构及造型亦普遍获得好评，国际桥梁和工程协会的评语是“你在桥上漫步，和崇山峻岭、白云蓝天那么靠近，那真是一种精神享受！它组成了阿尔卑斯山的一幅纯美的风景画······这是真正的艺术和桥梁结合的精品”。设计规范为瑞士规范SIA160(1970)。桥台和基础所用材料为30MPa级混凝土，桥墩及上部结构采用40MPa级。用在岩石锚中的预应力筋为15mm钢绞线，梁部纵向用13mm钢绞线，横向用36mm粗钢筋。该地区经常刮30米/秒的强风，还是地震区。对于这些不利条件，要十分注意跨中结构的稳定性。甘特桥的上部结构为8跨连续（35+50+127+174+127+80+50+35)m，全桥的平面布局呈S形，174m的主跨位于直线段上，包括斜拉索背索的边跨则位于半径200m的曲线上。最高的桥墩高150m。为巍峨的阿尔卑斯山增添一抹生气。图2甘特桥全景3结构设计与力学分析板拉桥集斜拉桥、刚性索、低塔三者的优点于一身，在技术上有刚性索和低塔固有的优点。大尺寸的拉板和索塔、主梁固结在一起形成三角刚构体系，增加了结构整体的刚度和稳定性。3.1拉板混凝土斜拉桥中，斜拉索是很重要的组成部分，其造价占全桥总造价的25%~30%。要求必须具有高强性能外，还必须具备抗疲劳性能、耐久性和良好的抗腐蚀性。在使用期间斜拉桥的拉索需要防腐和更换，这使得锚具构造复杂且养护费用高昂；由于拉索应力在活载作用下变化幅度较大，为保证其疲劳强度拉索设计应力定得较低(通常为0.4byR)，因此高强钢丝难以充分发挥其优势。此外由于拉索的柔性而容易引起风振，甚至会发生上下拉索互相撞击现象，导致拉索过度疲劳而缩短了使用寿命。Ganter桥用刚性拉板替代柔性拉索，梁、塔一样也成为一种混凝土构件。拉索在四周混凝土包裹之下不会象自由状态下由于垂驰度引起的非弹性伸长量，而且混凝土索的断面大大地增加，因此其刚度很大大地提高，防腐蚀问题也得到根本解决。对比起柔性索来说，刚性索有如下主要的优点：(一)拉索防腐蚀问题能得到很好的解决；(二)没有由拉索垂驰度引起的非弹性变形，刚度大，因而活载挠度小，利于车辆行驶。即使以柔性较大的塔架双悬臂式斜拉桥来说，根据试算，公路桥跨度120m时跨中挠度只为跨长的1/5333，跨度200m时为1/1941；铁路桥主跨64m时只为跨长的1/1350；(三)由于拉索包裹在预应力混凝土之内，就和一般预应力桥一样，拉索的应力变幅较小，因而使用应力可以提高，一般皆采用0.6ybR，对比起柔性索来说可以节省拉索用量的1/3；(四)由于拉索刚度的提高，变形量减少，也就提高了全桥的整体刚度，主梁的变形量以及梁内应力相应减小，因而主梁材料也可以节省，各索索力相应相互间影响较小，主梁线形也容易控制。Ganter桥刚性拉板为具有特异形状的斜拉预应力混凝土板（如图3），板中配置16根13mm预应力钢绞线，每根直径约90毫米。这种拉索锚固在塔和梁中，用VSL工法(注:瑞士VSL预应力后张法。一种适用于12.4，12.7，5.2mm钢绞线的预应力体系。锚头上开有1~55个锥形孔，用楔片锚固钢绞线)。斜拉预应力混凝土板内的拉索，用破坏荷载的80%进行张拉后，再用混凝土板覆盖。图3斜拉预应力混凝土板的概念图斜拉预应力混凝土板厚0.40米，锚固在梁的腹板，其厚度在4hLl_I附近逐渐增厚，塔处截面为1.000.08米。板本身按使用荷载时不产生拉应力进行设计。因为应力振幅小，疲劳强度高，可完全防腐蚀。对于跨中弯矩来说，在下桥面板中补充12.4毫米预应力索，为了防止桥轴直角方向的裂缝，在厚25厘米的上桥面板内，每隔一米配置36毫米部分预应力钢筋。由于是曲线桥，设置许多横隔板以对付扭矩。3.2低塔Ganter桥首次采用低塔，塔高仅10m，远远小于同等跨径斜拉桥的塔高。桥面以上的混凝土塔高控制在15米以下，因此使斜拉预应力混凝土板的倾斜角很平坦，因而水平分力较大，可以更好地抵消主梁靠塔段负弯距引起的拉力，为采用等截面主梁创造条件。低塔同时降低了板的高度，相应的也减少了板的斜向支承长度和板的自重内力，减少了板的混凝土工程量与重量。图4塔截面图图5主梁截面图3.3主梁梁部结构为无悬臂的矩形箱梁，宽10m、高5.00~2.50m，截面尺寸见图4。帆板厚度从与主梁相交处的0.40m，变化到与塔柱相交处的1.00m。塔柱尺寸，横向从顶部的1.74m变化到1.00m。主梁设计用部分预应力使其在持续荷载作用时棍凝土不出现拉应力，破坏安全度1.8。包括使用荷载作用时的超静定力的预应力钢材的应力增加量为1502N/mm混凝土斜拉板与桥面板，主梁相同，破坏安全度为1.8。主梁跨中为了承担徐变次弯矩、铺装层及活载引起的正弯矩，在跨中底部用13mm钢绞线索施加了预应力。对桥面板施加部分预应力，使其在持续荷载作用时不产生弯曲，使用荷载作用时的预应力钢材的应力增加量1502N/mm，破坏安全度按1.8，因此不发生钢材疲劳的危险。按密间距配置较高强度的钢筋，即使最大荷载作用时，裂缝可控制在发状裂纹程度。由于张拉杆件时减压状态和拉伸刚度急剧下降，在由受弯构件(主梁)和受拉构件(混凝土斜拉板)构成的体系中，随着荷载增加至减压，在受拉构件内的钢材应力仅稍微增加一点，主梁内的弯矩都会急剧地增加。所以，在甘特桥中，即使在使用荷载作用时，结构系也不出现非线性，在混凝土板内也不产生拉力，钢材也不发生疲劳危险，在使用荷载作用时，可保持结构体系高的整体刚度。4板拉桥存在的问题继Gander桥之后，板拉桥这种结构体系虽在很多国家相继出现，但由于其本身拉板易开裂、施工难度大等特点，板拉桥并没有的到广泛的推广。板拉桥最突出的特点是以混凝上包裹预应力钢索共同抗拉，从而增加结构刚度。但由于混凝上抗拉强度远低于其抗压强度，所以这种结构成败的关键在于确保斜拉板的完整性，但斜拉板在活载、收缩徐变、温差等因素作用下，随着使用年限的增加，要保证混凝上不出现裂缝是十分困难的。一旦斜拉板开裂，就会给整体结构带来很多不利的因素，斜拉板的长处就会变为短处，随着裂缝的发展，混凝上板会逐渐退出工作，原本由钢筋和混凝上板共同作用，变成所有拉力均只由钢索承担。大体积的拉板混凝土自重，会成为结构的一个沉重负担，而且裂缝的存在与发展还会导致预应力钢索的锈蚀，后果十分严重。就板拉桥的特点,全世界修建的板拉桥主要集中在跨度较小和刚度要求大的铁路桥上。从90年代中、后期,该桥型在国内外几乎没有发展,建设也更少了,近几年出现了几乎不再使用的倾向。究其原因,主要有以下几点:4.1斜拉桥的进步与提高目前,有的斜拉桥的拉索设计已达到50年不换索的要求,一般的都在30年以上,与用混凝土包裹相比其优越性更大。4.2板拉桥很难保证大体积的混凝土斜拉板不开裂由于混凝土抗拉强度远低于其抗压强度,所以这种结构成败的关键在于确保斜拉板的完整性,但斜拉板在活载、收缩徐变、温差等素作用下,随着使用年限的增加,要保证混凝土不出现裂缝是十分困难的。一旦斜拉板裂,就会给整体结构带来很多不利的因素,斜拉板的长处就会变为短处,随着裂缝的发展,混凝土板会逐渐退出工作,原本由钢筋和混凝土板共同作用,变为所有拉力均只由钢索承担。大体积的拉板混凝土自重,会成为结构的一个沉重负担,而且裂缝的存在与发展还会导致预应力钢索的锈蚀,后果十分严重。4.3斜拉板桥的结构不甚合理,受力不很明确因为拉板与拉索共同抵抗外荷载,在长达几十米的连接部位,要保证受力协调,难度很大。同时拉板中需要大量储备预应力,而在板、梁、柱固结的,超静定的,三角形刚架结构中,要达到整块板体内预应力均匀,十分困难。板拉桥的结构行为较矮塔斜拉更接近连续刚构,受跨度限制的因素更多,而一般刚构腹板开裂行人看不见,而斜拉板为面开裂,且位于桥面以上的人行道旁,行人可轻易发现,增加人们的不安全感。4.4后期维护工作量大且风险高由于温度和混凝土收缩、徐变等的影响,混凝土拉板极易开裂,开裂后混凝土将成为拉索的负担。就目前国内同类型跨度都不大(均未超过100m)的板拉桥而言,其开裂问题均很严重,一但混凝土开裂将加速包裹钢索的锈蚀,危及大桥的安全。采取的措施也只有用被动的封闭进行整治加固,而不能象斜拉桥那样进行换索。目前的矮塔斜拉桥,由于拉索的受力只有拉索承受应力的30%左右,一但要换索,完全可不中断交通的进行,十分方便。但随着现今科学技术的发展，防止混凝土的开裂，很多成熟的办法，如纤维混凝上，加防裂钢筋网，碳纤整体包裹等。通过这些方法以避免混凝土开裂后裂缝的进一步扩展，从而保证预应力拉索、混凝土面板、低塔的整体性，共同受力。5结束语以Gander桥位代表的板拉桥作为一个特定时代的产物，发挥了它应有的业绩，丰富了桥梁建设乐章。就其整体结构受力是可行的，其关键的技术，由当初如何防比斜拉桥拉索的腐蚀，而转化为如何防止其斜拉板的开裂。但当今已有很多成熟的办法，如纤维混凝上，加防裂钢筋网，碳纤整体包裹等。因此进而带来的是，如何在当时的历史条件下，与其它型桥相比。为贯彻“安全、适用、经济、美观”，笔者认为，当前在小跨