斜拉桥概念设计(上)

斜拉桥设计中铁大桥勘测设计院总工办2007.12第一版斜拉桥设计概述一、斜拉桥概述1、斜拉桥概述2、斜拉桥的使用条件3、斜拉桥总体设计4、斜拉桥构件设计5、斜拉桥施工6、斜拉桥结构分析7、结束语中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述主要由梁、塔、和斜拉索组成的组合体系桥梁。斜拉桥组成它的基本受力特点是：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(吊起)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。斜拉桥属高次超静定结构。主梁所受弯矩大小与斜拉索的初张力密切相关。存在着一定的最优索力分布，使主梁在各种状态下的弯矩(或应力)最小。中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述在竖向荷载作用下，主梁以受压为主，塔以受压为主，斜索承受拉力。梁体被斜索多点吊起，结构行为和多点弹性支承连续梁类似，因此，梁体荷载弯矩减小，梁体高度降低，减轻了结构自重节省了材料。塔和索的材料性能也能得到较充分的发挥。中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述斜拉桥基本构件和力学原理中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述斜拉桥和斜腿刚构力学对比中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述斜拉桥和悬索力学对比中铁大桥勘测设计院有限公司总工办2斜拉桥技术演变斜拉桥的技术演变大致可以分为四个阶段：1）稀索体系的斜拉桥1956年开始，主梁大部分采用钢主梁，斜拉索较少，但拉索的直径较大，钢箱梁索距大约30－60米，混凝土梁的索距大约15－30米。2）密索体系和预应力混凝土主梁的兴起1962年马拉开波桥的建成，标志着混凝土主梁兴起，70年代后PC斜拉桥大量兴起。3）主梁高度明显减小和主梁形式的多样性主梁高度明显减小，而且主梁的形式多样化，出现结合梁、混合梁等主梁形式。中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变4）斜拉桥向着大跨度、多塔、部分斜拉桥和人文化的趋势发展。跨度超过800米，向着1000米以上发展，同时出现大量的多塔、矮塔和曲线斜拉桥、板拉桥、斜拉桥组合体系。从荷载分斜拉桥则发展为：人行桥、公路桥、水槽桥、各种管道桥、铁路桥和公铁两用桥。在20世纪的最后十年里，显然可以感受到缆索承重桥梁（斜拉桥、悬索桥）领域内取得的巨大成就。中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变老挝的竹斜拉桥爪哇竹斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变纽伦堡萨尔河桥（德国，1824）失败原因：桥梁结构的力学理论缺乏拉索材料的强度不足中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变图11820年Navier提出的斜拉桥系统1823法国著名的工程师Navier发表了采用锻铁拉板加固桥面桥梁的研究结果，非常有趣的是navier当时考虑了扇形和竖琴形两种系统的外形，就是今天所说的密索体系。斜拉索体系是非常现代的，而且是采用了地锚，如图1所示。Navier证明斜拉桥不安全应该选择悬索桥，这些事故和科学论述阻碍了斜拉桥发展几乎接近一个世纪。斜拉索只用于一些悬索桥靠近主塔的位置以增加系统的刚度。中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变Albert桥，采用斜拉索作为辅助中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变斜拉桥的雏形在几百年前就出现过，以前采用竹子和绳子作为斜拉索，后来在1617年意大利人fraustusverantius设计了采用眼杆铁链吊拉的桥梁。比较古老的斜拉桥(采用锻铁作为斜拉索)中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变早期的斜拉桥大多都是稀索体系的斜拉桥。稀索体系拉索在主梁上面的索距一般为：混凝土主梁15～30米钢主梁30～60米稀索体系斜拉桥有以下特点：1)结构上超静定次数比较低，计算工作量相对较小。2)在景观上有一定的优势。2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变稀索体系斜拉桥有以下特点：1)结构上超静定次数比较低，计算工作量相对较小。2)在景观上有一定的优势。2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变1925年西班牙结构大师EduardoTorroja修建的tempul输水桥，该桥是混凝土斜拉桥桥，由于地形条件限制采用一对斜拉索代替一个桥墩，斜拉索主动张拉。1952年修建Donze`recanal桥，跨越rhone河，主跨81米。设计AlbertCaquot本桥是第一座采用主动张拉斜拉索的公路斜拉桥。2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变1938年Dischinger为德国Köln和Mühlheim之间的桥梁建议了一个方案，该方案跨中部分采用悬索体系，而靠近桥塔的部分采用从塔顶星型放射的斜拉体系。2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变瑞典斯托洛姆桑特桥1956年建成74.7+182.6+74.7技术特色：8次超静定结构，钢板梁斜拉索为扇形体系号称为第一座现代化的斜拉桥设计人：Dischinger2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变德国Theodor-Heuss桥(西奥特—霍义斯)108＋206＋1081957年建成德国的首座斜拉桥，第二座现代化的斜拉桥斜拉索为竖琴形稀索体系，其荷载的传递在很大长度上依靠主梁和桥塔的刚度2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变技术特色：单塔不对称斜拉桥稀索体系竖琴型斜拉桥，主梁和桥塔的刚度比较小边跨采用多个辅助墩增加刚度德国杜塞而多夫Knie桥1969年建成2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变Knie桥纤细的桥塔和主梁（钢结构）2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变德国科隆Severins桥技术特色：1）非对成的单塔斜拉桥2）A型桥塔3）扇形缆索体系2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变早期的稀索体系混凝土斜拉桥2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变1）第一座多跨斜拉桥2）桥塔和主梁都为混凝土结构（主梁第一次使用混凝土）3)桥塔、墩、梁固结，为T构加挂梁体系；稀索体系、刚性塔马拉寇博桥160＋5X235＋160意大利Morandi体系1962年建成2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变技术特色：1）比较早期的混凝土斜拉桥2）采用转体法施工3）稀索体系维也纳多瑙河桥主跨119米桥塔底部有支座，类似于连续梁体系2.1稀索体系的斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变技术特色：单塔不对称斜拉桥稀索体系竖琴型斜拉桥，主梁和桥塔的刚度比较小，边跨采用多个辅助墩增加刚度。宽度40米，钢箱梁和混凝土箱梁混合主梁。德国杜塞而多夫Flehe桥1979年建成主跨367.24米稀索体系斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变在20世纪60和70年，斜拉桥在很大程度上的发展都在德国。自此，德国的工作为以后的斜拉桥发展奠定了良好的基础，后面还要介绍的法国的Normandy桥和日本的Tatara桥，都可以看到德国斜拉桥的构思。德国的Dischinger和Leonhardt为世界斜拉桥早期和中期的发展作出了杰出的贡献。Leonhardt教授中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变稀索体系斜拉桥的缺点1）主梁的高度较大，以增加刚度，2）在斜拉索锚点附近都要投入较多的混凝土和钢料。材料数量较多，主梁和桥塔上的局部连接构造处理困难。3）在运营条件下换索比较困难。4）稀索体系的斜拉桥施工时要采用辅助索等措施，比较困难。但是稀索体系为以后的斜拉桥积累了经验。随着计算机技术的发展，德国的Leonhardt和HellmutHomberg建议将斜拉索加密，形成密索体系的斜拉桥。现在修建的稀索体系的斜拉桥不多了，除非景观上有特殊的要求或者有的桥采用部分斜拉桥。中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变2）密索体系主梁的兴起随着人们对斜拉桥结构体系大认识和计算机技术的发展，德国桥梁工程师HellmutHomberg则提出了密索体系的斜拉桥和单索面斜拉桥。70年代后密索体系钢斜拉桥和PC斜拉桥大量兴起。密索体系的特征是：混凝土主梁斜拉索在主梁上的间距为5～10米；钢主梁斜拉索在主梁上的间距为12～20米；结合梁斜拉索在主梁上的间距为9～15米。中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变2）密索体系主梁的兴起密索体系的斜拉桥具有以下特点：1）索距较小，主梁的高度减小。2）每根斜拉索的索力相对较小，锚固点构造相对简单。3）施工需要的临时附注措施减少。4）在运营条件下换索比较容易。5）斜拉索的面积较小，制造和安装相对容易。中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变德国波恩的FriedrichEbert桥1967年建成技术特色：第一座密索体系的钢斜拉桥，单索面德国桥梁工程师HellmutHomberg则提出了密索体系的斜拉桥和单索面斜拉桥。中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变德国法兰克福的newhoest桥公铁两用桥(单线铁路)斜拉索索距6.3米，共13对斜拉索，专线铁路，6车道汽车中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变法国的StNazaire桥主跨404米1975年建成中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变3）主梁高度明显减小和主梁形式的多样性主梁高度明显减小，且主梁形式多样化，出现结合梁、混合梁等主梁形式。出现板拉桥等。主梁的高跨比由stromsund桥的1/56发展为挪威的helgeland的1/354。主梁的形式多样化，由钢主梁、混凝土主梁逐渐出现了：结合梁钢－砼串合梁（normandy多多罗桥生口桥等）结合梁和混凝土的串合梁(Rama8鹤洞桥等)估计以后会出现：中跨钢梁、边跨结合梁形式中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变挪威的helgeland桥，主跨420米，梁高1.2米主梁柔、薄化中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变希腊Evripos桥1993,矩形板厚度45cm主梁柔、薄化中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变法国的Bourgogne桥主梁柔、薄化中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变技术特色：1）目前最大跨度的PC斜拉桥2）三角形单箱双室箱梁，景观、结构特性和空气动力性能都比较好，梁高2.0米，宽13米。挪威Skarnsund桥主跨190＋530＋190米1991年建成中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变钢箱梁和PC箱梁混合主梁瑞典焦恩桥153.7+360+153.71982年建成早期的混合梁斜拉桥中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变中跨混合梁斜拉桥日本生口桥主跨490米1991年建成中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变技术特色：1）钢箱梁和PC混合梁2）边跨采用顶推法施工法国Normandy大桥主跨856米1997年建成中铁大桥勘测设计院有限公司总工办一、斜拉桥概述2斜拉桥技术演变钢主梁＋混凝土主梁的串合梁日本多多罗大桥主跨890米目前已经建成的最大跨度的斜拉桥中铁大