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第9章斜拉桥内容概述1斜拉桥结构与构造2斜拉桥的结构计算要点3斜拉桥施工方法简介4斜拉桥桥例5部分斜拉桥6斜拉桥:由主梁(girder或beam)、索塔(pylon或tower)和斜拉索(staycable)组成§9.1概述世界主跨排前十名的斜拉桥1:苏通大桥主跨径:1088国别:中国完成年:20082:多多罗桥主跨径:890国别:日本完成年:19993:诺曼底桥主跨径:856国别:法国完成年:19954:南京长江第三大桥主跨径:648国别:中国完成年:20065:南京长江第二大桥主跨径:628国别:中国完成年:20016:武汉第三长江大桥主跨径:618国别:中国完成年:20017:青州闽江大桥主跨径:605国别:中国完成年:20018:杨浦大桥主跨径:602国别:中国完成年:19939:名港中央大桥主跨径:590国别:日本完成年:199710:徐浦大桥主跨径:590国别:中国完成年:1997单跨一、基本形式及总体布置单跨、双跨、三跨和多跨单跨斜拉桥为地锚或无背索结构体系,建设成本高,较少采用。§9.2斜拉桥结构与构造独塔双跨独塔双跨和双塔三跨结构是常见的斜拉桥结构形式。双跨斜拉桥以跨度较大者为主跨,三跨斜拉桥以中跨为主跨。双塔三跨三跨三跨以上的斜拉桥由于中间桥塔没有端锚索限制其变形,结构刚度小、施工过程中形状控制困难,较少采用。主跨L1主跨L2边跨L3边跨L4端锚索拉索索塔主梁边墩或桥台三跨式斜拉桥的L1/L2宜为0.33~0.50。其中钢主梁宜为0.40~0.50;组合梁宜为0.30~0.45;混凝土梁宜为0.40~0.45。两跨式斜拉桥的L1/L2为0.50~1.01)当边跨跨度比较大时,边跨设置辅助墩或者增大桥塔刚度。2)当边跨跨度比较小时,要避免支座出现负反力。已有斜拉桥,双塔斜拉桥的塔高与主跨之比约为1/4~1/7,其中钢斜拉桥多为1/5;独塔斜拉桥该值约为1/2.7~1/4.7。《斜拉桥细则》规定双塔、多塔斜拉桥桥面以上索塔的高度与主跨跨径之比宜为1/4~1/6。独塔斜拉桥桥面以上的塔高与跨度之比宜为1/2.7~1/3.7,外索的水平倾角不宜小于22°。为了提高斜拉桥的结构整体刚度,有时在非通航的边跨适当设置辅助墩约束主梁的变形。辅助墩辅助墩在斜拉桥中,还经常用端锚索来约束索塔的变形。端锚索是最上端的背索,张力比其他拉索大,设计时一般采用截面较大的拉索。端锚索1.塔梁之间的结合方式根据塔梁之间结合方式的不同,斜拉桥结构体系分为¾漂浮体系(floatingsystem)¾支承体系(包括半漂浮体系)(supportingsystem)¾塔梁固结体系(fixedsystembetweenpylonandgirder)¾刚构体系(rigidframesystem)二、结构体系及受力特征塔梁之间的联结方式漂浮体系是指主梁在顺桥向变形不受索塔约束,主梁水平荷载不直接传递到索塔的结构形式,这种结构体系具有索塔在顺桥向负担小和主梁弯矩分布均匀的优点,而且结构的纵向周期长,可以减轻地震作用。不足之处是结构刚度小,顺桥向变形较大,施工期间稳定性差。支承体系(包括半漂浮体系)是指塔梁之间有竖向支承、并在顺桥向有一定水平约束的结构形式,其中半漂浮体系在顺桥向无约束。这种结构体系由于主梁支承在桥塔的横梁上,整体刚度比漂浮体系大。这种结构体系中索塔对主梁的纵向水平约束刚度需根据结构受力要求通过试算确定,一般约束刚度越小,结构受到的水平地震作用也就越小,但顺桥向的水平变形增大。不足之处是刚度较大的支点使得主梁在出现比较大的负弯矩。塔梁固结体系是指塔梁之间固结,但塔与墩之间用支座传递荷载的结构形式。其优点是索塔的弯矩小、主梁受力比较均匀,整体升降温引起的结构温度应力较小。缺点是结构的刚度小,在荷载作用下变形比较大,塔下的支座承受比较大的反力,需要采用大吨位的支座,在跨度比较大的斜拉桥中不宜采用。刚构体系是指塔、梁、墩三者之间固结的结构,这种结构体系的刚度比较大,结构变形小,索塔部位不需要设置支座,结构维护容易,施工过程中结构稳定性比较好。不足之处是支点处主梁弯矩大,索塔还需要承受很大的温度应力以及水平地震作用,故一般适用于结构温度应力不大的小跨度独塔斜拉桥。主梁轴力(a)自锚式2.拉索的锚固方式根据拉索的锚固方式不同,斜拉桥可分为自锚式、地锚式和部分地锚式三种结构体系。自锚式最常用。施工方便、主梁截面受力合理、不需要修建锚碇等。但当结构跨度比较大时,主梁的稳定问题突出,可能成为设计的控制因素。(b)地锚式(c)部分地锚式地锚式斜拉桥主梁受拉,斜拉索的轴向力靠锚碇来平衡。经济指标差,施工方法复杂,因此只有当地形比较特殊或者出于桥梁造型需要时才会可能被选用。部分地锚式斜拉桥的结构受力介于自锚和地锚结构体系之间,跨中一部分主梁受拉,其余均为受压。¾斜拉桥根据索面数量分为:单索面双索面:双平行索面和双斜索面多索面¾拉索在顺桥向布置有三种形式:辐射形(radial)扇形(fan)竖琴形(harp)3.拉索的布置形式索的横桥向布置形式单索面斜拉桥在横桥方向只有单个支撑点,结构抗扭刚度低,不利于承受偏心活载,抗风性能以及施工稳定性差,依靠主梁自身的抗扭刚度承受扭矩,因此宜采用扭转刚度较大的主梁,一般为箱形截面。这种结构体系特别合适设有中央分隔带的桥梁,可以利用分隔带布置索面,桥面的有效宽度大,桥墩布置灵活,视觉效果好。双索面结构抗扭刚度大,动力抗风性能好,因此主梁的抗扭刚度要求小些,可用闭口箱形截面,也可用开口截面,但是,从结构抗风性要求以及悬臂施工过程中的安全性要求考虑,主梁截面的扭转刚度也不宜设计得过小。(a)辐射形(b)扇形(c)竖琴形索的纵桥向布置形式(a)辐射形辐射形布置时拉索的倾角大,传递竖向荷载的效率高,而且张力水平分力也比较小,可以减轻主梁的轴向压力。缺点是塔顶锚固过于集中,构造处理非常困难,因此,除拉索数量不多的小跨斜拉桥以外很少采用。(b)扇形扇形布置的拉索在索塔锚固分散到一定的高度范围,其分布范围由锚固构造要求确定,一般两个锚固点的间距为3~4m左右。这种布置方式索力传递接近于最合理,构造也能满足施工要求,是斜拉桥普遍采用的一种结构形式。(c)竖琴形竖琴形拉索布置是平行布置拉索的结构体系,最大特点是避免拉索之间相互交叉的视觉效应,拉索长度变化有韵律,景观效果较好,而且对主梁的轴向变形约束刚度大。缺点是竖向的传力效果比较差。当拉索布置对斜拉桥经济性影响不大时(中等跨度的钢桥)或者从景观需要考虑,设计可采用竖琴形的拉索布置形式。(b)密索(a)稀索按间距分:稀索和密索(a)单柱形(b)倒V形(c)倒Y形三、索塔在斜拉桥中,索塔是将索力传至基础的关键构件,其内力主要是索力和自重作用下产生的轴向压力及对应的弯矩。顺桥向以单柱式为主,只有当设计要求桥塔的纵向刚度很大时,才做成倒V形与倒Y形。适用于单索面的索塔适用于双索面的索塔索塔的横向形式固定塔索滚动支座(c)摆动支座索与塔的联结形式拉索与索塔的联结有三种形式:¾固定¾滚动¾摆动现代斜拉桥一般采用固定的联结方式。(a)交错布置(实心截面)(b)非交错布置(箱形截面)(c)钢锚梁布置图9-14混凝土索塔的拉索锚固构造混凝土索塔的拉索锚固构南平黄墩大桥的索塔锚固区采用钢锚箱的锚固形式。(a)牛腿正面图(c)钢横梁整体图(e)1#板和剪力钉图(b)牛腿侧面图(d)钢横梁局部图(f)2#板和剪力钉图模型钢构件的制作1.斜拉索组成斜拉索主要由钢索、两端的锚具、减振装置和保护措施组成。一根拉索可划分为两端的锚固段、过渡段和中间段三个部分,其中锚固段用来将拉索分别固定在索塔和主梁上,分为固定端和张拉端两种;过渡段包括锚垫板、导索管和减振器、填充材料;中间段即为索体。四、斜拉索拉索技术研究:¾如何使拉索与锚具的组装件能在斜拉桥整个使用年限内经得起高幅度应力变化,锚具抗疲劳¾拉索组件绝对可靠的永久的防护¾拉索组件可靠耐久前提下,施工方便,造价低廉2.斜拉索类型根据捆扎形式不同,拉索可分为封闭式钢索、平行钢丝索、钢绞线索三种形式,比较常用的是由φ5或φ7mm热镀锌钢丝组成的平行钢丝索,强度一般为1670MPa斜拉索工厂制作斜拉索的构造斜拉索的构造(a)热铸锚(b)镦头锚3.斜拉索锚具形式钢丝斜拉索锚具有热铸锚、镦头锚、冷铸镦头锚等多种形式。冷铸镦头锚冷铸镦头锚(HiAm锚)4.斜拉索防护和减振措施钢丝索的防护分钢丝防护和拉索外层防护两级,钢丝防护一般采用表面镀锌的办法,要求锌层附着量大于300g/m2,避免钢丝在外层防护措施实施前发生锈蚀。PE套管防腐拉索减振措施表面非光滑处理方法外置阻尼装置¾斜拉索的使用应力应低于材料的容许应力,而容许应力为抗拉强度标准值的0.4倍,即设计安全系数为2.5¾施工状态下斜拉索的安全系数取2.0,即拉索的容许应力为抗拉强度标准值的0.5倍¾锚具的安全系数不应小于斜拉索的安全系数5.斜拉索安全验算6.柔性斜拉索形状和张力计算lfABl/2HTLeVxyw(a)拉索的平衡形状(b)微元体平衡拉索的平衡形状及微元体平衡柔性拉索的形状、张力和荷载大小有关,而与材料性质无关。一般情况下,由于斜拉桥拉索的垂度比较小,自重可以近似看作沿水平投影方向是均布分布的。由拉索微元体平衡条件,可得:22ddyHwx=−当w为常数时,其平衡状态为抛物线。2244fhfyxxll+=−+拉索张力T的水平分量H为:28wlHf=柔性拉索的精确线形为悬链线。¾斜拉桥主梁根据制作材料不同有钢梁、混凝土梁、组合梁和混合梁四种形式,分别称之钢(梁)斜拉桥、混凝土(梁)斜拉桥、组合(梁)斜拉桥和混合(梁)斜拉桥¾跨度在400m以下的双塔斜拉桥宜采用混凝土主梁¾主跨600m以上的斜拉桥宜采用钢主梁或混合主梁¾其他跨径的桥梁可通过多方案比选确定¾钢主梁或者组合主梁的拉索锚固间距宜设计成8~16m,混凝土主梁为6~12m五、主梁1.钢主梁钢主梁有板梁和桁架梁两种形式。桁架梁的截面高、刚度大,特别适用于双层桥面的桥梁(如公铁两用,但用钢量大。日本本—四联络桥上的柜石岛和岩黑岛大桥,主跨为420m,主梁为桁架。¾板梁截面有开口截面和箱形截面两种形式梁板式双主梁截面(德国Leonhardt推荐的截面形式)扁平钢箱梁(江苏苏通大桥主梁截面)PPPPPPPPEBEECEEDEEDEECEEBEEAE350003500060025002500600600250035000600250060025006002500750750375037503x37503x37501000双箱边主梁截面(荊越长江公路大桥)斜拉索中心线2000/23厘米橡胶铺垫90018145001000050501814900105050010007505050100005.5厘米环氧沥青铺装30100/2143003250+2×3750+750=115002000/275010501000斜拉索中心线5.5厘米环氧沥青铺装30003250+2×3750+750=115001430030100/2浙江舟山金塘大桥主梁截面钢梁斜拉桥的桥面系一般采用正交异性板,顶板板厚度一般不低于14mm,底板以及腹板厚度满足结构承载能力与构造要求梁宽根据桥面布置要求确定,梁高需要考虑结构的屈曲稳定性、抗风性等安全要求,设计时可参考过去同类结构设计通过多方案比较和优化确定主梁的高跨比越小,我国设计规范建议钢主梁高跨比采用1/180~1/330钢主梁由于结构刚度小,变形容易引起铺装的损坏,在设计时对桥面铺装结构应予以重视板式截面最简单,迎风面积小。为了锚索需要,边缘厚度适当加厚。在索距较密而桥跨度、宽度不大的情况下,可采用这种形式的主梁。双主梁截面,施工方便2.混凝土主梁斜拉桥主梁是受压构件,采用混凝土结构可以发挥材料抗压强度的优势,在中小跨径的斜拉桥中混凝土主梁比钢主梁经济,我国跨度小于500m的斜拉桥主要采用这类结构。板式边主梁截面为双主梁截面的一种改进形式,构造简单,施工方便,用料较省半封闭箱形截面是经过风洞试验分析得到的一种空气动力性能良好的截面形式,截面两侧为三角形封
本文标题:第九章-斜拉桥
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