桥梁工程I-4-1

第三篇混凝土斜拉桥第一章总体布置第一节概述斜拉桥的组成：主梁、索塔和斜拉索；主梁材料：混凝土结构、钢—混凝土组合结构或钢结构；索塔材料：混凝土结构、钢—混凝土组合结构或钢结构；斜拉索材料：高强钢丝或钢绞线。主梁索塔斜拉索第一节概述斜拉桥中荷载传递路径是：斜拉索主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传至地基。斜拉索就像主梁的体外预应力筋像多跨弹性支承的连续梁由于斜拉索的支承作用，使主梁恒载弯矩显著减小斜拉桥属高次超静定结构，与其他体系桥梁相比，包含着更多的设计变量，全桥总的技术经济合理性不易简单地由结构体积小、质量轻、或者满应力等概念准确地表示出来，这就使选定桥型方案和寻求合理设计带来一定困难。现代斜拉桥的发展大致经历了以下三个阶段：第一阶段：稀索布置，主梁较高，主梁以受弯为主，拉索更换不方便；第二阶段：中密索布置，主梁较矮，主梁承受较大轴力和弯矩；第三阶段：密索布置，主梁更矮，并广泛采用梁板式开口断面。第一节概述第二节孔跨布置一、双塔三跨式对于活载比重较小的公路和城市桥梁，合理的边主跨之比为0.40~0.45;对于活载比重大的铁路桥梁，边主跨之比宜为0.20~0.25;钢斜拉桥的边跨应比相同跨径混凝土斜拉桥的跨径小。第二节孔跨布置二、独塔双跨式主孔跨径一般比双塔三跨式的主孔跨径小，适用于跨越中小河流和城市通道。独塔双跨式斜拉桥的主跨跨径L2与边跨跨径L1之间的比例关系一般为L1=（0.5~0.8）L2，两跨相等时，由于失去了边跨及辅助墩对主跨变形的有效约束作用，因而这种形式较少采用。第二节孔跨布置三、三塔四跨式和多塔多跨式斜拉桥与悬索桥一样，很少采用三塔四跨式或多塔多跨式。原因是多塔多跨式斜拉桥中的中间塔塔顶没有端锚索来有效地限制它的变位。因此，已经是柔性结构的斜拉桥或悬索桥采用多塔多跨式将使结构柔性进一步增大，随之而来的是变形过大。第二节孔跨布置若采用多塔多跨式斜拉桥，则可采取以下措施：（1）将中间塔做成刚性索塔；如：委内瑞拉的马拉开波桥（5×235m），但此时索塔和基础的工程量将会增加很多，第二节孔跨布置（2）用长拉索将中间塔顶分别锚固在两个边塔的塔顶或塔底加劲；如香港汀九桥，这种方式的缺点是长索下垂量很大，索的刚度较小，大风有可能将其破坏；主跨448+475米第二节孔跨布置（3）加粗尾索并在锚固尾索的梁段上压重，以增加索的刚度。如洞庭湖大桥。第二节孔跨布置四、辅助墩和边引跨活载往往在边跨梁端附近区域产生很大的正弯矩，并导致梁体转动，伸缩缝易受损，在此情况下，可以通过加长边梁以形成引跨或设置辅助墩的方法予以解决，如图所示。同时，设辅助墩可以减小拉索应力变幅，提高主跨刚度，又能缓和端支点负反力，是大跨度斜拉桥中常用的方法。第三节索塔布置一、索塔的形式索塔是表达斜拉桥个性和视觉效果的主要结构物，因而对于索塔的美学设计应予足够的重视。索塔设计必须适合于拉索的布置，传力应简单明确，在恒载作用下，索塔应尽可能处于轴心受压状态。第三节索塔布置二、索塔的高跨比索塔的高度决定着整个桥梁的刚度和经济性。索对梁的支撑刚度主要取决于索力的竖向分力V和拉索的线刚度EA／l。V与成正比，EA／l与成正比。对塔来说，H越大，则塔抗水平变位的刚度就越弱，在刚性主梁拉索锚点处荷载P的作用下，主梁下挠量为：32tansincos3PbPbEAEIsincos=55°时为最大。第三节索塔布置二、索塔的高跨比对于端锚索情形，当中跨布载时，在水平力F的作用下，塔顶水平位移为即=35°时为最小，端锚索提供的支承刚度最大。若拉索截面面积A由容许应力控制设计，即，由于轴力N与倾角有关，对于上述两种情形，均应等于45°。2sincosFHEA[]s/[]sAN第三节索塔布置二、索塔的高跨比综合索和塔对刚度和经济性的共同影响，对于每一座斜拉桥，都存在着一个最佳塔高H，使得索和塔对主梁的支承刚度达到最大。第四节拉索布置一、索面位置采用单索面时，拉索对抗扭不起作用。因此，主梁应采用抗扭刚度较大的截面。其优点是桥面上视野开阔。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，主梁可采用较小抗扭刚度的截面。采用斜向双索面，它对桥面梁体抵抗风力扭振特别有利(斜向双索面限制了主梁的横向摆动)。倾斜的双索面应采用倒Y形、A形或双子形索塔。第四节拉索布置二、索面形式辐射形斜拉索与水平面的平均交角较大，故斜拉索的垂直分力对主梁的支承效果也大，与竖琴形布置相比，可节省钢材15％~20％，但塔顶上的锚固点构造过于复杂。竖琴形布置中的斜拉索成平行排列，在索数少时显得比较简洁，并可简化斜拉索与索塔的连接构造，塔上锚固点分散，对索塔的受力有利，缺点是斜拉索的倾角较小，索的总拉力大，故钢索用量较多。扇形布置的斜拉索是不相互平行的，它兼有上面两种布置方式的优点，在设计中获得广泛应用。第四节拉索布置三、索距的布置索距的布置可以分为“稀索”与“密索”。在早期的斜拉桥中都为“稀索”（超静定次数少），现代斜拉桥则多为“密索”。密索优点如下：（1）索距小，主梁弯矩小。（2）索力较小，锚固点构造简单。（3）锚固点附近应力流变化小，补强范围小。（4）利于悬臂架设。（5）易于换索。斜拉桥采用悬臂法架设时，索间距宜为5~15m，混凝土主梁因自重大，索距应密些，较大的索距适合于钢或钢一混凝土组合主梁。第五节主要结构体系斜拉桥的结构体系，可以有以下几种不同的划分方式：（1）按照塔、梁、墩相互结合方式：漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系和刚构体系。（2）按照主梁的连续方式：连续体系和T构体系等。（3）按照斜拉索的锚固方式：自锚体系、部分地锚体系和地锚体系。（4）按照塔的高度不同：常规斜拉桥和矮塔部分斜拉桥体系。第五节主要结构体系一、漂浮体系特点：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。斜拉索不能对梁提供有效的横向支承，为抵抗由于风力等引起主梁的横向水平位移，应在塔柱和主梁之间设置一种用来限制侧向变位的板式或聚四氟乙烯盆式橡胶支座，简称侧向限位支座。第五节主要结构体系优点：（1）主跨满载时，塔柱处的主梁截面无负弯矩峰值；（2）由于主梁可以随塔柱的缩短而下降，所以温度、收缩和徐变次内力均较小。（3）密索体系中主梁各截面的变形和内力的变化较平缓，受力较均匀；（4）地震时允许全梁纵向摆荡，作长周期运动，从而吸震消能。缺点：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，由于施工不可能做到完全对称，成桥后解除临时固结时，主梁会发生纵向摆动，应予注意。为了防止纵向飓风和地震荷载使漂浮体系斜拉桥产生过大的摆动，影响安全，有必要在斜拉桥塔上的梁底部位设置高阻尼的主梁水平弹性限位装置。第五节主要结构体系二、半漂浮体系特点：塔墩固结，主梁在塔墩上设置竖向支承，成为具有多点弹性支承的三跨连续梁。可以是一个固定支座，三个活动支座；也可以是四个活动支座，但一般均设活动支座，以避免由于不对称约束而导致不均衡温度变位，水平位移将由斜拉索制约。第五节主要结构体系半漂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、徐变次内力仍较大。若在墩顶设置一种可以用来调节高度的支座或弹簧支承来替代从塔柱中心悬吊下来的拉索（一般称“零号索”），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，这样就可以与漂浮体系相媲美，并且在经济和减小纵向漂移方面将会有一定好处。第五节主要结构体系三、塔梁固结体系特点：将塔梁固结并支承在墩上。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。第五节主要结构体系优点：显著地减小主梁中央段承受的轴向拉力，并且索塔和主梁中的温度内力极小。缺点：（1）当中孔满载时，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；（2）需要设置大吨位的支座。在大跨径斜拉桥中，这种支座甚至达到上万吨级，这样使支座的设计制造及日后养护、更换均带来较大的困难。第五节主要结构体系四、刚构体系特点：塔梁墩相互固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。优点：（1）既免除了大型支座又能满足悬臂施工的稳定要求；（2）结构的整体刚度比较好，主梁挠度又小。缺点：（1）主梁固结处负弯矩大，使固结处附近截面需要加大；（2）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。第五节主要结构体系五、T构体系T构体系斜拉桥与刚构体系的区别是主梁跨中区域无轴拉力。具体做法有两种：①在斜拉桥主跨中央部分插入一小跨悬挂结构；②以“剪力铰”代替悬挂结构，这种剪力铰的功能是只传弯矩、剪力，不传轴力。第五节主要结构体系六、部分地锚体系一般来说，斜拉桥的斜索多数是自锚体系。只有在如主跨很大边跨很小等特殊情况下，少数斜拉桥才采用部分地锚式的锚拉体系。如西班牙卢纳桥和湖北郧阳汉江桥。第五节主要结构体系七、矮塔部分斜拉桥体系矮塔部分斜拉桥结构塔高较小，塔身刚度大。但拉索对主梁的支撑作用减弱，而水平压力增大，这相当于拉索对主梁施加了一个较大的体外预应力。要求主梁的刚度较大。因拉索只提供部分刚度，“部分斜拉桥”由此得名。其受力性能介于梁式桥和斜拉桥之间。第五节主要结构体系七、矮塔部分斜拉桥体系特点：（1）塔较矮。常规斜拉桥的塔高与跨度之比为1/4~1/5，而部分斜拉桥为1/8~1/12；（2）梁的无索区较长，设有端锚索；（3）边跨与主跨的比值较大，一般大于0.5；（4）梁高较大，高跨比为1/30~1/40，甚至做成变高度梁；（5）拉索对竖向恒活载的分担率小于30％，受力以梁为主，索为辅；（6）由于梁的刚度大，活载作用下斜拉索的应力变幅较小，可按体外预应力索设计。瑞士Suniberg桥59＋128＋140＋134＋65m1998年建成。