第九章 悬索桥

第9章悬索桥大跨度桥梁设计本章的主要内容9.1悬索桥的受力特点与结构体系9.2悬索桥的结构组成9.3悬索桥的设计构思9.4悬索桥的计算9.5悬索桥施工简介9.6悬索桥工程实例§9.1悬索桥的受力特点与结构体系重力式锚碇悬索桥定义：由主缆和加劲梁构成的一种柔性悬挂组合体系，兼有索和梁的受力特点。由桥塔、主缆、吊索、加劲梁、锚碇、鞍座等主要部分组成。目前跨径大于1000m的桥梁大部分都是悬索桥结构。悬索桥的四个发展阶段：第一代悬索桥，采用天然材料修建，后期也采用了铁索等，一般没有吊杆或吊索，承重结构与使用构造合二为一。§9.1悬索桥的受力特点与结构体系第二代悬索桥，开始采用了吊杆将桥面与主索分开。§9.1悬索桥的受力特点与结构体系第三代悬索桥，形成了美式悬索桥体系，主缆采用纺丝法，加劲梁采用桁架梁，桥塔以钢塔为主。§9.1悬索桥的受力特点与结构体系第四代悬索桥，以流线形扁平钢箱为主要特征的英式悬索桥。§9.1悬索桥的受力特点与结构体系§9.1悬索桥的受力特点与结构体系9.1.1悬索桥的受力特点主缆是结构体系中的主要承重构件，受拉为主；桥塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件，受压为主；加劲梁是悬索桥保证车辆行驶、提供结构刚度的二次结构，主要承受弯曲内力；吊索是将加劲梁自重、外荷载传递到主缆的传力构件，是联系加劲梁和主缆的纽带，受拉。锚碇是锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力传递给地基。§9.1悬索桥的受力特点与结构体系9.1.1悬索桥的受力特点悬索桥的受力特点静力特性动力特性受力特征：荷载由吊索传至缆，缆再传至锚、墩及塔。在外荷载作用下，主缆和加劲梁共同受力。主缆是主要承重构件，在荷载作用下的变形直接影响桥梁的内力和变形。§9.1悬索桥的受力特点与结构体系9.1.1悬索桥的受力特点静力特性（1）主缆是几何可变体，只能承受拉力。主缆的承载方式除了通过自身的弹性变形（受力伸长）外，还通过主缆的几何形状改变（曲线形状改变）来影响体系平衡。几何形状的改变对悬索桥受力的影响不可忽略，即缆索受力呈现明显的几何非线性特征。（2）恒载给主缆提供了重力刚度，使得主缆具有较大的抵抗活载变形的能力。主缆的几何形状由恒载和活载确定，当恒载远大于活载时，活载对主缆几何形状改变很小，桥面线形变化也小。§9.1悬索桥的受力特点与结构体系9.1.1悬索桥的受力特点静力特性（3）改变主缆的垂跨比将影响结构的内力，结构体系的刚度也将随之改变。减小垂跨比，主缆的拉力将增大，从而起到减小挠度的作用，即增大体系的刚度。（4）随着跨径的增大，加劲梁的高跨比应越来越小。加劲梁的挠度是随着主缆的变形产生的，加劲梁本身刚度的作用已影响不大，这与其他桥型的主要构件截面积总是随着桥梁跨径的增加而显著增加不同。§9.1悬索桥的受力特点与结构体系9.1.1悬索桥的受力特点静力特性（5）边跨的不同形式对桥梁受力有很大的影响。悬索桥边中跨之比对挠度和内力有影响。边中跨比减小，中跨跨中和L/4的挠度和弯矩值减小，塔根弯矩也减小，主缆拉力增加。§9.1悬索桥的受力特点与结构体系9.1.1悬索桥的受力特点动力特性•与其他桥型相比，悬索桥的刚度小，固有频率低。•固有频率是影响抗风稳定性和动力特性方面的一个重要因素，直接关系到结构的安全，因而对悬索桥进行动力分析是十分重要的。自由振动强迫振动（1）车振（2）风振（3）地震1、按加劲梁的结构体系分类：单跨两铰、双跨两铰、三跨两铰、三跨连续、多跨连续和自锚式体系等。单跨两铰加劲梁悬索桥三跨两铰加劲梁悬索桥三跨连续加劲梁悬索桥§9.1悬索桥的受力特点与结构体系9.1.2悬索桥的分类2、按主缆的锚固形式分类地锚式与自锚式悬索桥：主缆锚固于锚碇者称地锚式；主缆锚固于加劲梁端部者称自锚式。主缆斜单杆主缆与主梁固结地锚式悬索桥自锚式悬索桥§9.1悬索桥的受力特点与结构体系9.1.2悬索桥的分类§9.2悬索桥的结构组成9.2.1锚碇用来锚固主缆的重要结构，将主缆的拉力传递给地基。重力式锚碇依靠巨大的自重来抵抗主缆的垂直分力，水平力由锚碇与地基间的摩擦力或嵌固阻力来承担。隧道式锚碇将主缆的拉力直接传递给周围的岩石。重力式锚碇§9.2悬索桥的结构组成9.2.1锚碇地锚式－广泛采用，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隧道式（在坚实岩层中挖成）重力式（由混凝土锚固体的重量来固定主缆）§9.2悬索桥的结构组成9.2.2桥塔桥塔是支承主缆的重要构件。活载和恒载通过桥塔传递到下部的桥墩和基础。桥塔的高度主要由主缆的垂跨比确定。已建悬索桥大都采用钢结构。现在由于预应力混凝土和爬模技术的发展，混凝土桥塔越来越多。§9.2悬索桥的结构组成9.2.2桥塔桥塔主要由塔柱和横向联结两部分组成。断面：多为箱形桥塔横向形式：§9.2悬索桥的结构组成9.2.3主缆主缆是悬索桥的主要构件。通过索夹和吊索承受作用在桥面的活载和桥梁恒载。承担横向风载。1、钢丝绳主缆：钢丝绳主缆由钢丝捻成股，再由股捻成绳。一般钢丝绳采用7股绳。一般用于小跨径悬索桥。主缆分为钢丝绳主缆和平行钢丝束主缆两种类型。§9.2悬索桥的结构组成9.2.3主缆2、平行钢丝束主缆•预制平行钢丝束股法（PPWS法）：采用平行钢丝索，加快了主缆的施工进度，截面外形分为尖顶形和平顶形。§9.2悬索桥的结构组成9.2.3主缆1、主缆锈蚀原因•主缆架设期间水分进入。•防护完成后主缆表面的油漆开裂和索夹上受损的密封部位开裂，水的渗入导致主缆湿度高而产生锈蚀。主缆不可更换，长期暴露在雨、湿气、化学作用等的腐蚀下，需要进行防锈。2、主缆防锈措施•施工时采用油漆防锈。•防止水的渗入。•干空气导入法。将除湿机的干燥空气用管道输入主缆。§9.2悬索桥的结构组成9.2.4吊索也称吊杆，是将活载和加劲梁恒载传递到主缆的构件。作用：将加劲梁的恒载和活载传到主缆材料：要求有抗拉强度和一定的柔性。一般用：钢丝绳、钢绞线、平行钢丝束、刚性吊杆（少）布置形式：等间距和等截面布置立面布置：直吊索、斜吊索A、直吊索（美、日）B、斜吊索（欧洲）§9.2悬索桥的结构组成9.2.5索夹•索夹安装于主缆上，对主缆和吊索之间起联接作用，又对吊索和主缆起固定作用。索夹§9.2悬索桥的结构组成9.2.6主索鞍支承主缆的重要构件。将主缆中的拉力以垂直力和水平力的方式均匀地传到塔顶或锚碇支架处。主索鞍设置在桥塔顶部，将主缆荷载传到塔上。塔顶主鞍座§9.2悬索桥的结构组成9.2.7散索鞍散索鞍设置锚碇支架处，目的是改变主缆索的方向，把主缆钢丝绳股分散开来，引入各自的锚固位置。§9.2悬索桥的结构组成9.2.8加劲梁主要提供桥面行车、行人等。防止桥面发生过大的挠曲变形和扭转变形。是承受桥面活载、风荷载和其他横向水平力的主要构件。§9.2悬索桥的结构组成9.2.8加劲梁悬索桥加劲梁主要起支承和传递荷载的作用。主要有钢板梁、钢桁梁、钢箱梁、混凝土箱梁。汕头海湾桥混凝土加劲箱梁钢桁梁（早期多用）扁平钢箱梁（今多用）钢板梁（早期个别中小跨径用）§9.2悬索桥的结构组成9.2.8加劲梁钢箱梁截面基本上由四部分组成：上翼缘板、下翼缘板、腹板和加劲构件。上翼缘板兼做桥面板之用。为增加加劲梁的整体性，往往采用由桥面钢板、纵肋。横肋焊接组成的正交异性钢桥面板。§9.2悬索桥的结构组成9.2.8加劲梁钢桁梁由主桁架、纵向水平联结和横向联结、桥面系组成的空间结构。主桁架是钢桁梁的主要承重构件，由上、下弦杆和腹杆组成。弦杆和腹杆采用H形或闭合断面。§9.3悬索桥的设计构思9.3.1总体布置悬索桥的总体布置首先应研究地形、地质、水文及接线等条件限制，从而决定采用何种形式的悬索桥进行总体布置。针对选定的桥型进一步确定悬索桥的边中跨比、垂跨比、吊索间距、加劲梁高宽尺寸等。1、跨径布置悬索桥跨径宜控制在500-2000m之间，目前在建的最大跨径悬索桥是3300m的墨西拿海峡大桥。悬索桥跨径布置边中跨比L1：L=0.2~0.5§9.3悬索桥的设计构思9.3.1总体布置2、主缆垂跨比是指主缆在主孔内的垂度f与主孔的跨度L之比。垂跨比的大小一方面对主缆中的拉力有很大的影响，另一方面对悬索桥的整体（横向和竖向）刚度有明显的影响，垂跨比越小，刚度越大。设计时需结合整体刚度和主缆用钢量选取合适的垂跨比。悬索桥垂跨比f：L=1/9~1/12§9.3悬索桥的设计构思9.3.1总体布置3、吊索间距吊索间距决定了吊杆的截面、加劲梁的横肋间距等。直接影响索夹设计。须考虑梁段分块运输和吊装能力。跨径越大，吊索间距也增大。悬索桥吊索间距一般取5～8m，跨径增大间距增大，最大可达20m。§9.3悬索桥的设计构思9.3.1总体布置4、加劲梁的尺寸加劲梁的尺寸主要是确定加劲梁的高度和宽度。桁架式加劲梁梁高高跨比h=8~14mh：L=1/70~1/180箱形加劲梁梁高高宽比高跨比h=2.5~4.5mh：B=1/7~1/11h：L=1/300~1/400抗风稳定性需要§9.4悬索桥的计算悬索桥的设计计算过程否是§9.4悬索桥的计算精确合理地确定悬索桥成桥内力状态与构形；合理确定悬索桥施工阶段的受力状态与构形，以期在成桥时满足设计要求；精确分析悬索桥运营阶段在活载及其它附加荷载作用下的静力响应。★悬索桥的设计计算要根据不同的结构形式、不同的设计阶段、不同的计算内容和要求来选用不同的力学模式和计算理论。基本上以计算主缆为主。悬索桥的设计计算内容§9.4悬索桥的计算悬索桥的分析理论悬索桥计算理论的发展与悬索桥自身的发展有着密切联系，竖向荷载作用下悬索桥分析理论为：早期，结构分析采用连续体的线弹性理论。由于桥跨小，索自重较轻，结构刚度主要由加劲梁提供。中期(1877)，随着跨度的增加，梁的刚度相对降低，采用考虑位移影响的挠度理论。现代悬索桥分析采用非线性有限元理论的有限位移理论。基本假定：（1）主缆为柔性索，不计弯曲刚度。（2）加劲梁恒载由主缆承担。（3）在主缆吊梁段，主缆、索夹、吊索和加劲梁自重等都等效为均布荷载q；在无梁段，主缆自重沿索长均匀分布。重力式锚碇1、成桥状态的近似计算§9.4悬索桥的计算9.4.1主缆索段基本方程§8.1悬索桥的设计与分析理论8.1.2悬索桥作为连续体的静力分析2、成桥状态计算的主要内容主缆设计计算步骤：1)导出主缆成桥态的线形、张力以及几何长度的计算公式；2)扣除加劲梁恒载作用下主缆产生的弹性伸长量，得到主缆自由悬挂态的缆长，即自重索长；3)在索鞍两边无应力索长不变的情况下，用主缆在空挂状态塔顶左、右水平力相等的条件求索鞍预偏量；4)由自由悬挂状态下的缆长扣除主缆自重产生的弹性伸长，得到主缆无应力长度。以中跨为例，说明成桥状态的计算。为了使主塔在施工过程中始终处于低弯矩状态，从挂索开始就必须使鞍座有一个预偏量，并在施工过程中对它进行不断调整。§8.1悬索桥的设计与分析理论8.1.2悬索桥作为连续体的静力分析以中跨为例，说明成桥状态的计算1)中跨主缆索形与张力计算图示，中跨主缆微小单元dx与主缆竖向分力的平衡条件为：0)sin(qdxTdqqqHTcosdxdyHtgHHTqqqqsincossinqdxydHq22(2)(3)(1)所以有：1)中跨主缆索形与张力计算若座标系如图选取，式(3)的解为：(4))(42xlxlfy式中：f为索端连线在跨中到主缆的竖向距离，即矢高；l为跨径；Hq为主缆水平力式(4)是一抛物线方程，用这种方法计算主缆也称抛物线法。§9.4悬索桥的计算9.4.1主缆索段基本方程1)中跨主缆索形与张力计算(5)将式(4)代入式(3)，得：可知：成桥态主缆水平分力处处相等。对于不吊梁的主缆段，其索形为悬链线。用抛物线法确定的索形是近似的。8fqlH=2§9.4悬索桥的计算9.4.1主缆索段基本方程2)中跨主缆成桥态和自由悬挂态的中心索长计算根据中跨索形方程(4)积分，可得成桥态主缆中