斜拉桥结构组成及设计

第二章斜拉桥的构造第一节主梁构造第二节索塔构造第三节拉索构造第一篇混凝土斜拉桥第一节主梁构造主梁作用体现三个方面：1）将结构重力和可变作用传给拉索；2）承受拉索的轴向压力，需有足够的刚度防止压屈；3）抵抗横向风荷载和地震作用。第二章斜拉桥的构造斜拉桥主梁材料类型分类除少数在索塔附近梁高变化外，通常采用等高度梁。高跨比h/L：双索面1/100～1/150；单索面1/50～1/100。宽高比B/h≥8提高主梁横向抗风稳定性。后面将介绍砼主梁常用的截面形式。第二章斜拉桥的构造梁桥混凝土T梁：h/L=1/8-1/16预应力混凝土结构：T型截面：h/L=1/12-1/15箱型截面：h/L=1/15-1/18变截面连续梁：支点位置，H1/L=1/16-1/18跨中H2/H1=1/1.5-1/2.5连续刚构（箱梁）：支点位置，H1/L=1/16-1/20跨中H2/H1=1/2.5-1/3.5拱桥石拱桥h=βkL1/3β=4.5-6.0随矢跨比减小而增大k=1.0～1.2（汽-10～汽-20）钢筋混凝土板拱：h/L=1/60-1/70工字型肋拱：肋高h/L=1/25-1/35箱肋：肋高h/L=1/50-1/70箱拱：h/L=1/55-1/75拱桥宽度1/25•L第二章斜拉桥的构造一、实体梁式和实体板式主梁实体梁式主梁：两个分离主梁间由混凝土桥面板及横梁连接，拉索锚固在主梁中心处。第二章斜拉桥的构造实体板式主梁：纯板式和矮梁式截面。矮梁式指主梁位于两边，梁高相对桥宽很小，主梁间有横梁和桥面板相连。边主梁截面带有风嘴尖角，适应抗风要求。拉索直接锚固在边主梁下面。图a)为希腊Evripos桥，主跨215m，高垮比=1/478，板高45cm第二章斜拉桥的构造二、箱形截面：抗弯和抗扭刚度大，能适应各种斜索布置；可形成单箱式或分离式的双箱式截面，适应不同桥宽需要。单箱式截面跨越塞纳河的法国普鲁东纳桥，跨径143+320+143m，第一座单索面砼斜拉桥。一个中央索面与预制构件做成的箱形加劲梁相连结。第二章斜拉桥的构造法国普鲁东纳桥双索面箱梁常以分离式的两个箱体锚固于拉索，两箱间为整体桥面板，横截面外侧做成风嘴状，具有良好抗风性能。第二章斜拉桥的构造分离式的双箱式截面美国P-K桥（Pasco-Kennewick，主跨299m，1978年）采用三角形双箱梁，全漂浮体系斜拉桥，主梁仅2.0m。第二章斜拉桥的构造斜拉桥混凝土主梁的断面形式分类第二章斜拉桥的构造双索面与单索面的三室箱梁有所不同。双索面将两个中间竖腹板尽量拉大，使中室大于边室，以取得较大的截面横向惯性矩；单索面，则将其尽量靠拢，以便将斜索锚固于较小的中室内。第二章斜拉桥的构造挪威Skarnsunddet桥采用三角形箱形截面，主跨530m，三角形箱梁截面不仅抗弯、抗扭刚度大，并且抗风，适用于双索面与单索面体系。主跨和边跨主梁设计理念是不同的：主跨必须有良好的动力特性，自重较轻。边跨拉索起稳定塔的作用，边跨应具有克服上提力功能，通过边跨自重设辅助墩来解决。第二章斜拉桥的构造斜拉桥主梁断面与索面布置关系第二节索塔构造索塔通过拉索对主梁起弹性支承作用。索塔设计应满足强度、刚度和稳定性要求。索塔是以受压为主的压弯构件，索塔趋向于混凝土材料。第二章斜拉桥的构造城市中的斜拉桥，还从造型、景观及与环境协调等要求来确定索塔的结构型式。第二章斜拉桥的构造一、索塔组成组成索塔的主要构件：塔柱，塔柱间的横梁。第二章斜拉桥的构造横梁可分为承重横梁与非承重横梁。承重横梁：为设置主梁支座处、塔柱转折处的横梁；非承重横梁：为塔顶横梁和塔柱无转折的中间横梁。所有的塔柱、横梁共同参与风力、地震及汽车荷载作用。第二章斜拉桥的构造二、混凝土塔构造塔柱截面分成两类：矩形非矩形截面。第二章斜拉桥的构造采用实心矩形截面时，拉索穿过塔柱交错锚固于塔轴线两侧。也可把塔柱截面变成H形。采用空心矩形截面时，拉索锚固箱室中，箱室内壁增设锚固用的锯齿形凸块，或在箱内设置钢横梁来锚固。第二章斜拉桥的构造非矩形截面塔柱包括五角形、六角形、八角形等，可采用实心，也可采用空心截面。空心截面需在每一层拉索锚头处增设水平隔板，作用有二：1、有利于将索力传递到塔柱全截面上；2、在施工阶段和养护时可作为工作平台。拉索须具备抗疲劳性、耐久性和抗腐蚀性。拉索包括钢索和两端锚具两部分，钢索承受拉力，锚具传递索力。一、拉索构造拉索由高强度钢丝或钢绞线制作。组成钢索的钢丝、钢绞线要排列整齐、规则；钢索断面应紧密并易于成型，受力均匀；钢索的型式便于穿过预埋管道，易于锚固；钢索易于防护和施工安装等。第三节拉索构造第二章斜拉桥的构造主要采用两种拉索：平行钢丝和平行钢绞线。1、平行钢丝拉索与冷铸锚平行钢丝索经涂脂处理后按正六边形平行、捆扎成束后，加缠高强度聚脂包带和热挤高密度聚乙烯塑料（HDPE）护套或染色PE护套，两端安装钢套管和锚具。平行钢丝索截面示例将若干根钢丝平行集拢、同轴同向加以适当扭绞，由此而使各根钢丝相互间形成一种特殊的平行状态，称为半平行钢丝索。半平行钢丝索实例第二章斜拉桥的构造平行钢丝拉索的结构分为三个部分。①锚固部分：分张拉端锚固与固定端锚固；张拉端由锚筒、锚圈、锚垫板、防护罩等组件组成；固定端由锚饼、锚垫板、防护罩组成。②过渡部分：由钢导管、锚筒过渡延伸钢管、减振器、防水罩等组成；③中间部分：由高强钢丝、玻璃丝带，PE防护、缠包带等组成。圆钢丝直径常用5mm、7mm两种，钢丝抗拉标准强度不少于1570MPa。1-张拉端锚筒；2-锚圈；3-锚垫板；4-过渡钢管；5-拉索；6-平行钢丝；7-固定端锚饼；8-2层玻璃丝带或2层涤纶带；9-热挤PE塑料护套；10-PVE缠包带平行钢丝索的锚固采用冷铸墩头锚。千斤顶通过与锚杯内缘螺纹连接进行张拉，张拉后拧紧锚杯外缘螺母即可传力。第二章斜拉桥的构造平行钢丝拉索采用的冷铸锚头第二章斜拉桥的构造2.平行钢绞线拉索将平行钢丝索中的钢丝换成钢绞线即成为平行钢绞线索。钢绞线由7根Ф5mm或7mm的钢丝绞制成单股钢束（Ф15mm），各单股钢束平行排列，形成钢绞线。单根钢丝标准抗拉强度1860MPa，国外钢绞线（美国、日本）2000MPa。平行钢绞线斜拉索采用的夹片式群锚第二章斜拉桥的构造二、拉索的锚固1.斜拉索与混凝土梁的锚固1）顶板设置锚固块适用于单索面有加劲斜杆的箱梁。拉索锚固在顶板与斜拉杆交叉点处的锚固块上。拉索水平分力通过锚固块传给顶板后再到箱梁全截面，垂直分力由一对加劲斜杆承受。第二章斜拉桥的构造2）箱梁内设横隔板锚固用于分离式双箱的混凝土主梁，也适用于单索面多室箱梁。锚固构造位于箱梁顶板下两个腹板之间，与顶板、腹板固结在一起。拉索的水平分力由锚固块传递给顶板再扩散到主梁全截面，垂直分力则由锚固块传给左右腹板。斜拉索的锚头示例第二章斜拉桥的构造3）在箱梁内设斜隔板锚固在箱梁内设斜向隔板，其斜度与拉索一致。拉索锚固于箱梁底板。拉索的水平分力通过隔板四周的顶板、腹板和底板传给主梁，垂直分力由斜隔板两侧的腹板以剪力形式传递。第二章斜拉桥的构造4）在梁体两侧设锚固块双索面斜拉桥常用的锚固构造。锚固块放在主梁两侧风嘴形实体块下面，或较厚的倾斜边腹板下面。拉索的水平分力通过风嘴形实体或斜腹板传递，而垂直分力则需在斜腹板内设置一定数量的竖向预应力筋束来承受。第二章斜拉桥的构造5）在梁底设置锚固块适用于截面较小的实体双主梁或板式梁。梁中设置与拉索倾角相同的管道，拉索穿过管道后锚固于梁底。总结—斜拉索与混凝土梁的锚固方法：1）顶板设置锚固块2）箱梁内设横隔板锚固3）在箱梁内设斜隔板锚固4）在梁体两侧设锚固块5）在梁底设置锚固块第二章斜拉桥的构造2.拉索在索塔上的锚固拉索锚固部位的构造与拉索的布置、根数和形状、塔形和构造及拉索的牵引和张拉等多种因素有关。1）在实体塔上交错锚固塔柱中埋设钢管，两侧拉索交叉穿过预埋钢管后锚固在钢管上端的钢板上。利用塔壁上的锯齿形凹槽或凸形牛腿来锚固拉索。第二章斜拉桥的构造构造与上述的相同，但需在桥塔壁板内配置环向预应力钢筋，抵抗拉索在箱壁内产生的拉力。塔锚窝索（a）平面图（b）侧面图锚窝索塔2）空心塔上非交错锚固第二章斜拉桥的构造3）采用钢锚固梁来锚固钢锚固梁搁置在塔柱内侧牛腿上，斜索锚固在钢锚固梁的锚块上。钢锚固梁实现拉索在空心塔上的对称锚固，使塔柱在锚固区段受力明确，内力减少。第二章斜拉桥的构造4）利用钢锚箱锚固钢锚箱由各层的钢锚箱上下焊接而成，然后将锚箱用焊钉与混凝土塔身连结。第二章斜拉桥的构造三、拉索的应力拉索的应力控制考虑三个因素：设计弹性模量、破断强度和抗疲劳。斜索的设计弹性模量（换算弹性模量）可按恩斯特公式计算：式中：E索的弹性模量，r索的容重，l索的水平投影长度。322121ElEEeq第二章斜拉桥的构造公式表明，选用高强度材料，提高拉索工作应力，采用轻而有效的拉索防护手段，减少容重，有利于提高拉索刚度，降低非线性影响。控制斜索的最小应力是十分必要的。拉索应具有足够抗疲劳能力，拉索抗疲劳能力与钢材和锚具有关，目前成品拉索应力变幅为220～250MPa。322121ElEEeq四、拉索的减振拉索的振动容易导致拉索根部出现反复挠曲，产生附加挠曲应力，加速钢丝疲劳和外包破损。目前拉索的减振主要有以下几种措施：（1）气动控制法（2）阻尼减振法（3）改变拉索动力特性法第二章斜拉桥的构造（1）气动控制法将斜拉索原来的光滑表面做成带有螺旋凸纹、条形凸纹、V形凹纹或圆形凹点的非光滑表面。气流经过拉索时在表面边界层形成湍流，从而防止涡激共振的产生；拉索表面的凹凸纹还能阻碍下雨时拉索上、下缘迎风面水线的形成，从而防止雨振的发生。第二章斜拉桥的构造（2）阻尼减振法通过安装阻尼装置，提高拉索阻尼比，抑制拉索的振动。阻尼装置可分为安放在套筒内的内置式阻尼器和附着于拉索之上的外置式阻尼器。拉索阻尼器第二章斜拉桥的构造（3）改变拉索动力特性法采用索夹将若干根索相互联结起来，将长索转换成为短索，拉索的振动基频提高，抑制索的振动。图示这种方式示意图，每半个扇面采用4道制振缆绳，此外还兼用了阻尼减振器。第二章斜拉桥的构造