斜拉桥的构造及设计

桥梁工程(BridgeEngineering)授课人：王智超土木工程与力学学院2020/5/2桥梁工程第四篇斜拉桥与悬索桥2020/5/2桥梁工程第一章斜拉桥的构造及设计§1-1斜拉桥概述§1-2斜拉桥的总体布置§1-3斜拉桥的构造与设计--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2020/5/2桥梁工程第一节斜拉桥概述一、斜拉桥(cable-stayedbridge)的简介定义：由梁、索、塔三类构件组成的一种桥面体系以加劲梁受压（密索）或受弯（稀索）为主，支承体系以斜拉索受拉及桥塔受压为主的桥梁。特点：与吊桥相比它是一种自锚体系，不需昂贵的地锚基础；防腐技术要求较低，还可在通车情况下换索；刚度较大，抗风能力较好；用钢量较少；采用悬臂施工不防碍通航。2020/5/2桥梁工程二、斜拉桥的发展历史1.国外的发展20世纪30年代德国工程师迪辛格（Dischinger）提出斜拉桥雏形斜拉桥的失败（18世纪下半叶至19世纪初）爪哇的竹斜拉桥老挝的竹斜拉桥纽伦堡萨尔河桥（德国，1824）泰晤士河Albert桥（英国，1873）失败原因：桥梁结构的力学理论缺乏拉索材料的强度不足第一座现代化钢斜拉桥主跨182m1955年在瑞典建成“Stromsund桥”第一座混凝土斜拉桥，主跨为160＋5×235＋1601962年在委内瑞拉建成马拉开波桥斜拉桥得到迅速发展已建成300多座主跨856m混合型斜拉桥1995年建成法国诺曼底桥主跨890m钢斜拉桥1999年日本建成多多罗桥主跨1088m混合梁斜拉桥2008年中国建成苏通大桥2020/5/2桥梁工程2.国内的发展学习阶段：60年代初传入我国；1975年四川、上海先后建成试验性钢筋混凝土斜拉桥（75.8m云阳汤溪河桥，54m新五桥）；1977年改革开放；1982年建成220m济南黄河大桥推广阶段（80年代，30余座斜拉桥）1987年天津永河大桥（260m）、东营黄河桥（288m我国第一座钢斜拉桥），1988年广州海印桥(单索面，175m)、重庆石门大桥（230m不对称独塔）高潮（90年代）1991年上海南浦大桥(423m)，1993年上海杨浦大桥(602m)2001年南京长江二桥(628m)，2005年的南京长江三桥(648m)，2008年苏通长江大桥（世界第一，主跨1088米）2020/5/2桥梁工程三、斜拉桥的种类矮塔斜拉桥，又称部分斜拉桥。塔高较低，梁体刚度较大，斜拉索对承载力的贡献相对较小。多塔斜拉桥，具有两个以上索塔的斜拉桥。混凝土梁斜拉桥，主梁为钢筋混凝土或预应力混凝土结构的斜拉桥。钢梁斜拉桥，主梁与桥面板均为钢结构的斜拉桥。组合梁斜拉桥，主梁为钢结构，桥面板为混凝土结构，主梁与桥面板组合共同承载的斜拉桥。混合梁斜拉桥，边跨的一部分或全部采用混凝土梁，主跨的大部分或全部采用钢梁或组合梁的斜拉桥。2020/5/2桥梁工程1999年建成的日本多多罗大桥,主跨890米,钢箱梁2020/5/2桥梁工程诺曼底大桥（NormandyBridge），1995建成，主跨856米，为混合梁，其中624米为钢梁，其它为混凝土梁。2020/5/2桥梁工程厄勒海峡大桥（OresundBridge）,总长约16公里，连接丹麦哥本哈根和瑞典第三大城市马尔默，于1995年动工，2000年通车。2020/5/2桥梁工程SunshineSkywayBridge(USA1987)span=366m2020/5/2桥梁工程AlamilloBridge(Spain1992),跨度200米,高142米圣地亚哥·卡拉特拉瓦(SantiagoCalatrava)2020/5/2桥梁工程MarianBridge(theCzechRepublic)span=123.3m，pylon=75m2020/5/2桥梁工程苏通大桥，2008年建成，主跨1088米，混合梁2020/5/2桥梁工程2005年建成的南京长江三桥，主跨648米，钢箱梁2020/5/2桥梁工程2001年建成的南京长江二桥，主跨628米，钢箱梁2020/5/2桥梁工程杨浦大桥(1993)主桥为双塔空间双索面钢—混凝土结合梁斜拉桥结构，塔墩固结，上部结构为纵向悬浮体系，主桥全长1178米，过渡孔45+边孔（99+144）+主孔602+边孔（144+99）+452020/5/2桥梁工程2005年建成的长沙浏阳河洪山大桥，主跨206米，斜塔垂直高度136.8米，塔身倾斜角58度。2020/5/2桥梁工程第二节斜拉桥的总体布置一、跨径布置与分孔斜拉桥的跨径布置与分孔，除了考虑桥位处的地形、地质、水文条件、通航要求以及技术条件，还要考虑桥跨变化的韵律感与连续性。一般而言，斜拉桥跨径控制在300m～1000m之间是较为合适的。分为双塔三跨式、独塔双跨式和多塔多跨式等三种形式。在特殊情况下，也可布置成独塔单跨式或混合式。2020/5/2桥梁工程1.双塔三跨式适用：跨越较大的河流、海口及海面；最常用，分对称式和非对称式。边跨L1与中跨L2之比：钢主梁宜为0.30～0.40;组合梁宜为0.40～0.50;混合梁宜为0.30～0.45；混凝土主梁宜为0.40～0.45。但在特殊的地形条件下，可采用更小的跨径比或采用地锚式斜拉桥。一般宜为0.33～0.502020/5/2桥梁工程2.独塔双跨式适用：跨越中、小河流、谷地和城市道路或较大河流的主航道。边跨L1与中跨L2之比：一般宜为0.5～1.002020/5/2桥梁工程3.多塔多跨式（≥3塔）（≥4跨）缺点：由于中间塔没有端锚索有效地限制其变位,柔性太大。改进措施:做中间刚性塔(如马拉开波桥）;拉索加劲中间塔(如香港汀九桥）;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)。边跨L1与中跨L2之比：可参照双塔三跨斜拉桥2020/5/2桥梁工程4.辅助墩和外边孔辅助墩适用条件：当边孔设在岸上或浅滩，边孔高度不大或不影响通航时优点：可以改善结构的受力状态，增加施工期的安全。当辅助墩受压时，减少了边孔主梁弯矩，而受拉时则减少了中跨主粱的弯矩和挠度，从而大大提高了全桥刚度。实践证明：设一个辅助墩后，塔顶水平位移、主梁跨中挠度、塔根弯矩和边跨主梁弯矩都大大减少，一般约为原来的40％～65％。2020/5/2桥梁工程二、索塔布置1.索塔的形式索塔的纵向布置形式索塔的横向布置形式2020/5/2桥梁工程2.塔的高度定义：一般应从桥面以上算起，也不包括由于建筑造型或观光等需要的塔顶高度。索塔高度主跨跨径索面形式（辐射式、竖琴式、扇式或星式）拉索的索距和拉索的水平倾角(≥22°)双塔：H/L2=1/4~1/7单塔：H/L2=1/2.7~1/3.7影响因素：与主跨跨径有关，还与拉索的索面型式(辐射式、竖琴式或扇式)、拉索的索距和拉索的水平倾角有关。①索塔高度低，拉索的水平倾角就小，则拉索的垂直分力对主梁的支承作用就小，会导致拉索的钢材用量增加。②索塔高度愈大，拉索的水平倾角愈大，拉索对主梁的支承效果也愈大，但索塔和拉索的材料用量也要增加，还会增加施工难度。2020/5/2桥梁工程三、拉索布置1.索面位置空间布置形式单索面双索面竖直双索面倾斜双索面（空间双索面）2020/5/2桥梁工程2.索面形状斜拉索纵桥向布置宜采用扇形，也可采用竖琴形、辐射形、星形等。2020/5/2桥梁工程拉索间距早期：稀索混凝土达15m～30m钢斜拉桥达30m～50m现代：密索混凝土达6m～12m钢梁（或组合梁）斜拉桥达8m～16m3.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”(必须利用电子计算机计算)。拉索倾角（边索）辐射式或扇式：260～380竖琴式:220～300角控制在250～4502020/5/2桥梁工程图a)主梁下挠量为：32tansincos3PbPbEAEI图b)塔顶水平位移为：2sincosFHEA2020/5/2桥梁工程四、主梁的布置1.主梁为连续体系主梁为连续梁或连续刚构（拉索为跨内的弹性支承），为改善受力布置外边孔时，斜拉桥主梁梁体还与边跨或引桥的上部结构主梁相连续。2020/5/2桥梁工程2.主梁为非连续体系在双塔三跨式斜拉桥的主跨中央部分，带有一个简支挂孔或剪力铰。2020/5/2桥梁工程五、结构体系1.按梁体与塔墩的连接划分常用的结构体系包括:飘浮体系、支承体系(半飘浮体系)、塔梁固结体系、刚构体系，如图示：飘浮体系宜用于跨度较大、索距较密或在有抗震要求的地区修建的斜拉桥;缺点：悬臂施工，需临时固结，解除临时固结时，主梁会发生纵向摆动。支承体系（或半飘浮体系）宜用于跨度较小的斜拉桥；缺点：须采用能调节高度和支座反力的特殊支座，否则主梁在塔柱处有较大负弯矩，同时温度、收缩、徐变次内力也较大。塔梁固结体系宜用于塔根弯矩小和温度内力小的斜拉桥；缺点：主梁转角位移导致塔柱倾斜，塔顶水平位移较大，增大主梁跨中挠度和边跨负弯矩，需设大吨位支座。刚构体系宜用于独塔或双塔高墩和对变形要求较高的斜拉桥；缺点：固结处负弯矩大，为消除温度应力，要求墩身有一定的柔性，适合于独塔斜拉桥。2020/5/2桥梁工程2.按拉索的锚拉体系分类自锚式斜拉桥地锚式斜拉桥部分地锚式斜拉桥2020/5/2桥梁工程第三节斜拉桥的构造与设计一、主梁的构造应综合考虑斜拉桥纵、横向受力情况，合理选择截面形式和梁高。1.主梁的高跨比双塔三跨斜拉桥:混凝土主梁1/100～1/220；组合梁1/125～1/200；钢主梁1/180～1/330;独塔斜拉桥：梁高视主跨长度、索面数、截面形式等变化较大，可略低于同跨径的双塔式梁高。2020/5/2桥梁工程2.主梁横截面主梁横截面宽度B，取决于行车道、人行道宽、拉索布置、横断面布置、抗风稳定性等，B/L≥1/30,B/h≥8。混凝土斜拉桥主梁截面：实心板截面、边箱梁截面、箱形截面、带斜撑箱形截面和肋板式截面。实心板截面适用于跨径≤200m斜拉桥；肋板式截面及边箱梁截面适用于双索面斜拉桥；带斜撑的箱形截面适用于单索面斜拉桥。当桥面很宽时，箱梁截面可考虑设为单箱多室截面、肋板式及边箱梁截面，必要时在中间板的部分适当增加梁肋数。2020/5/2桥梁工程钢梁斜拉桥主梁截面：箱形截面、板板截面、分离式边箱截面和钢板梁截面，当采用双层桥面的主梁时，宜采用桁架形式。2020/5/2桥梁工程组合梁斜拉桥主梁截面：用两工字形钢主梁其间加小纵梁截面形式，跨径较大时也可采用边钢箱梁截面形式。宜采用双索面，飘浮体系。采用钢筋混凝土或预应力混凝土桥面板，其厚度≥250mm，混凝土强度等级≥C40，需存放4～6个月后才能使用，混凝土板间接缝、钢梁顶面的剪力键与钢梁顶面应有效地结合成整体。2020/5/2桥梁工程二、索塔的构造1.索塔的形式和截面纵向形式:横向形式:2020/5/2桥梁工程2.索塔的细部构造要求①竖向受力钢筋的直径不宜小于20mm;②竖向受力钢筋的截面积不应小于混凝土截面积的1%;③箍筋直径不应小于12mm，间距不应大于竖向受力钢筋直径的10倍，且不大于200mm;④混凝土索塔的非预应力部位以及门洞部位宜增设防裂钢筋网。⑤处于海洋或其他腐蚀环境中的混凝土索塔、主梁，应考虑增大其保护层厚度或增加其他提高结构耐久性的措施。混凝土索塔:应根据施工需要在索塔内配置型钢作为劲性骨架。索塔受力钢筋和普通箍筋应符合下列条件:斜拉桥钢索塔:宜设计成矩形空心箱截面形式，根据工程实际也可将其设计成T形或准十字形空心箱形式。箱室四周各主壁板上应布置竖向加劲肋，箱室内应设置水平横隔板，其间距不宜大于4000mm。钢索塔外壁板及竖向隔板的厚度根据受力需要可沿索塔内分段取用不同的壁板厚度，但不宜小于20mm。2020/5/2桥梁工程3.索塔的锚固方式