悬索桥-构造.

第7章悬索桥哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院主要内容悬索桥的构造悬索桥计算理论悬索桥施工一、什么是悬索桥？•悬索桥，又名吊桥。指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。旧金山金门大桥二、悬索桥的优缺点•优点•相对于其它桥梁结构悬索桥可以使用比较少的物质来跨越比较长的距离。悬索桥可以造得比较高，容许船在下面通过，在造桥时没有必要在桥中心建立暂时的桥墩，因此悬索桥可以在比较深的或比较急的水流上建造。•悬索桥比较灵活，自重轻。•缺点•悬索桥的坚固性不强，在大风情况下交通必须暂时被中断•悬索桥不宜作为重型铁路桥梁•悬索桥的塔架对地面施加非常大的力，因此假如地面本身比较软的话，塔架的地基必须非常大和相当昂贵。三、悬索桥的历史•悬索桥的历史是古老的。早期热带原始人利用森林中的藤、竹、树茎做成悬式桥以渡小溪，使用的悬索有竖直的，斜拉的，或者两者混合的。婆罗洲、老挝、爪哇原始藤竹桥，都是早期悬索桥的雏形。不过具有文字记载的悬索桥雏形，最早的要属中国，直到今天，仍在影响着世界吊桥形式的发展。远在公元前三世纪，在中国四川境内就修建了“笮”（竹索桥）。图为泸定桥，建于1706年，被认为是当时世界上最长的悬索桥。–悬索桥的发展•1883年，第一座现代悬索桥，美国Brooklyn桥，主跨486m•1931年，第一座突破千米的悬索桥—主跨1006米的美国纽约华盛顿桥•1937年，主跨1280米的悬索桥，美国旧金山金门大桥•1940年，美国华盛顿州塔科马悬索桥–悬索桥的发展•1997年，丹麦大海带桥,主跨1624米悬索桥•1997年，中国香港青马大桥,主跨1377米,是当时最大跨度公铁二用悬索桥•1998年，日本明石海峡大桥，主跨1991米，是世界最大跨度悬索桥•1999年，中国江阴长江大桥，主跨1385米，中国第一座超千米悬索桥•8.1悬索桥概述–悬索桥的发展•进入二十世纪以来，悬索桥进入了一个朝低高度主梁、高强度材料和大跨径方向发展的阶段，加劲梁以桁架为主，梁的高跨比在1/150左右。•二战后，悬索桥进入了新的发展时期，欧洲各国采用了抗风性能好的薄壁箱形截面加劲梁。四、现代悬索桥欣赏•日本明石海峡大桥，主跨1991米，1998年建成明石海峡大桥，位于日本本州与四国之间，主跨1991米，全长3910米，为三跨二铰双层加劲桁梁式吊桥，钢桥283米，高出333米桥宽35.5米，双向六车道，加劲梁14米，抗震强度按1/150的频率，承受8.5级强烈地震设计，为目前世界上跨度最大的悬索桥。•中国润扬长江公路大桥，主跨1490米，2005年建成润扬大桥西距南京二桥约60公里，东距江阴大桥约110公里。工程全长35.66公里，由北接线、北汊桥、世业洲互通高架桥、南汊桥、南接线及延伸段等部分组成。其中南汊主桥采用单孔双铰钢箱梁悬索桥，主跨径1490米，为目前中国第一、世界第三，桥下最大通航净宽700米、最大通航净高50米，可通行5万吨级巴拿马货轮。•中国香港青马桥，主跨1377米，1997建成。桥塔高131米，在青衣岛侧采用隧道式锚碇，在马湾岛侧采用重力式锚碇,中部空间可容纳行车道及路轨，大桥上层桥面中部和下层桥面路轨两侧均设有通气空格，形成流线型带有通气空格的闭合箱型加劲梁，1997年建成。悬桥组成•组成：主缆、加劲梁、吊索、索塔、鞍座、锚碇（下部）及桥面结构1.概述1.1悬索桥的受力特征悬索桥是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚碇、吊索等构件构成的柔性悬吊体系，其主要构成如下图所示。成桥时，主要由主缆和主塔承受结构自重，加劲梁受力由施工方法决定。成桥后，结构共同承受外荷作用，受力按刚度分配。主缆是结构体系中的主要承重构件，受拉为主；主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，是连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。悬索桥各部分的作用钢缆采用高强钢丝成股编制，充分发挥材料优越的抗拉性能。⑵.基本组成⑶.荷载传递两个主塔将作为主要承重构件的主缆索架起，再由固定在主缆索上的吊杆将作为桥面承重构件的主梁悬吊住。桥面主梁吊杆主塔地基在力的传递过程中，吊杆和主缆索承受很大的拉力，此拉力由两岸桥台后修筑的巨型锚碇平衡。悬索桥的基本类型1.按主缆的锚固形式分类•地锚式：主缆的拉力由桥梁端部的重力式锚碇或隧道式锚碇传递给地基•自锚式：主缆拉力直接传递给它的加劲梁。2.按孔跨布置形式分类•三跨悬索桥：结构形式最为合理，是大跨度悬索桥最为常用的桥型。•单跨悬索桥：边跨地面较高，有曲线进入大桥边跨的情况。•两跨悬索桥：只有一岸边跨地面较高或线路有平面曲线进入•三跨悬索桥联袂布置：罕见的独塔悬索桥——西藏达孜桥三、桥塔•一、桥塔的作用：支承主缆，分担大缆所受的竖向力，在风力和地震力作用下，对总体稳定提供保证。•二、结构形式：•1、桥梁纵向(桥轴方向)的结构形式•2、桥梁横向的结构形式1、桥梁纵向(桥轴方向)的结构形式•从结构力学上来分类：•(1)刚性塔（矮而胖）：指塔顶水平变位量相对较小的桥塔。分类：单柱、A字形状。•适用：多塔(桥塔数量为3个或3个以上)，特别中间的桥塔，作用：通过提高桥塔的纵向刚度来控制其塔顶的纵向变位，从而减小梁内的应力。•(2)柔性塔（高而细）：指塔顶水平变位量相对较大的桥塔，也就是相对于刚性塔而言的。•适用：大跨度三跨(双塔)形式中，桥塔几乎全是做成柔性的。分类：一般是塔柱下端作成固接的单柱形式。•(3)摆柱塔•分类：摇柱塔为下端作成铰接的单柱形式。•适用：它一般只用于跨度较小的悬索桥。很少用。2、桥梁横向的结构形式•1）形式：•（1）刚构式：•形式：悬索两个平面，两根立柱支撑――单层(横梁)；•(2)桁架式•(3)混合式•（4）将竖直的塔柱改变为在横向略带倾斜的斜柱式或2具有转折点的折柱式。•2）实例：（1）刚构式•形式：悬索两个平面，两根立柱支撑――单层(横梁)；•为使整个桥塔在横向能承受悬索和桥面系上全部横向风荷载的刚性，在塔定和桥下设强大的横系梁――多层横梁（塔高时）。•特点：单层(横梁)或多层(横梁)的门架式，这种形式在外观上明快简洁，它既能适应钢桥塔，又能用于混凝土桥塔。(2)桁架式•形式：在两根塔柱之间，为增强桥塔横向刚度，除了有水平的横梁之外还具有若干组交叉的斜杆，形成桁架式结构。•优点：桥塔在横向采用这种结构形式，无论在塔顶水平变位、用钢数量(经济性)及塔架内力(功能性)等方面均较有利。在风力和地震力引起桥轴垂直方向的塔顶水平位移最小。•缺点：由于交叉斜杆的施工对混凝土桥塔有较大的困难，因而这种形式一般只能适用于钢桥塔。(3)混合式•形式：由以上的刚构式与桁架式可以组成混合式出塔架。这种形式一般在桥面以上不设交叉斜杆，•特点：在景观上可以保留刚构式的明快简洁，而在桥面以下设置少量交叉斜杆以改善塔架的功能(内力)性和经济(耗钢)性。由于具有交叉斜杆的关系，此种形式也只宜用于钢桥塔斜柱式（折柱式）•形式：竖直的塔柱改变为在横向略带倾斜的斜柱式或具有转折点的折柱式。•优点：无论是斜柱式或折柱式，其优点是都有稳定感和塔顶宽度（塔柱中心距）较紧凑。2）例子•（1）桁架式：开始在美国（旧金山奥克兰海湾大桥），后来又影响欧洲(里斯本4月25日桥与英国福斯公路桥)，最后被较多地引用于日本的本四连络线的各桥(因岛、大鸣门、南北备赞以及明石海峡等桥)。•（2）刚构式桥塔外观简洁，它既能适用于混凝土桥塔(如恒伯尔桥、坦尔维尔桥)，又能适应于钢桥塔(如塞文桥、下津井桥以及博斯普鲁斯海峡一桥与二桥)。•15座已建成的千米以上大跨，除1990m的明石海峡大桥外，其余如大贝尔特(1624m)桥，恒伯尔(1410m)桥，青马大桥(1377m)，江阴长江大桥(1385m)，瑞典的高海岸桥(1210m)等后期修建的，全部采用混凝土刚构形式。因此，混凝土刚构式桥塔一般应被认为时最佳选择。•（3）混合式桁架式刚构式混合式三、材料分类•圬工桥塔、钢筋混凝土桥塔和钢桥塔。•1）圬工桥塔由条石或混凝土做成，•石料抗拉强度太低，在跨径较大的吊桥上已不再采用石桥塔，仅在古老的吊桥中还能看见。•混凝土桥塔为了保证悬索在荷载作用下和温度变化时产生的合力偏心不超过核心范围，常把塔柱尺寸设计得较大。为了节约材料，往往在两塔柱中距处仅满足车道宽，人行道采用外绕形式，我国所建吊桥多数采用这种处理方法。•2）钢筋混凝土桥塔多采用框架式2）钢筋混凝土桥塔多采用框架式•塔柱截面形式：单室或双室空心矩形截面，常见D形截面或削角的矩形截面•特点：1、钢筋混凝土桥塔的塔柱主要是承压构件，采用混凝土是经济的。•2、近年来釆用了滑模浇注混凝土的施工方法，高塔柱的施工变得非常方便。•3、钢筋混凝土桥塔外形简洁美观，维修养护费用低。•实例：英国恒比尔河桥上首次采用了钢筋混凝土的桥塔，打破了以前特大跨径吊桥的桥塔全部采用钢桥塔的惯例。3）钢桥塔：刚构式或桁架式、混合式•特点：桁架式桥塔在横向地震力或风荷载作用下，塔顶水平变形最小，用钢量也最小，但考虑与景观协调时，外观不如刚构式桥塔简洁美观，可根据当地条件选用。采用桁架式桥塔为多。•桥塔截面：•早期：铆接结构•特点：1）钢板和角钢联结成多格式的塔柱，尺寸1～1.2m。•2）截面变化由底到顶逐步减少外侧格室的尺寸（取消）。•近年：栓接和焊接技术•特点：带有加劲大钢板组成大格室五、钢桥塔与混凝土桥塔比较•1、60年代以前，全部钢材美国为代表。•实例：•1、30年代乔治·华盛顿桥、旧金山奥克兰海湾大桥、旧金山金门大桥，1957年麦金纳克湖口大桥1964年维拉扎诺海峡钢桥塔。•2、高结构物混凝土浇注技术，特别模板技术，60年前后欧洲•实例：（1）1959年，法国608m坦卡维尔桥混凝土•（2）1970年，丹麦600m小贝尔特桥混凝土桥塔•（3）1981年英国恒伯尔桥混凝土•（4）90年代中国香港青马大桥(1377m)，中国江阴长江大桥(1385m)，瑞典高海岸桥(1210m)、丹麦大贝尔特东桥(1624m)等混凝土桥塔。3、日本：钢•实例：（1）南备赞大桥(1100m)、北备赞大桥(990m)•（2）90年代第一大跨度(1990m)的明石海峡大桥、来岛第一(600m)、第二(1020m)及第三(1030m)等全部采用钢桥塔。•原因：1、是钢材生产大国。•2、地震频繁出现的地区，钢结构轻于混凝土结构，因而在发生地震时因结构物自重产生的惯性力也较小，采用钢桥塔对抵抗大地震是有效的措施之一。•3、日本的高度工业化，在钢桥塔的制造和安装架设方面可以采用优质的栓焊技术及利用大型浮吊整体施工，从而在一定程度上可加快工期与减少劳力。•方针政策：1、悬索桥和斜拉桥的桥塔，和一般大跨度桥梁的上部结构而言，也是优先采用与发展钢结构。•2、桥梁连水中桥墩都采用钢结构，如关西新机场连络桥的海中桥墩与横跨东京湾道路的海中桥墩等。六、悬索桥与斜拉桥的桥塔比较•1、桥塔的高度(以桥面以上的桥塔高度为准)来说，悬索桥塔高(1／9～1／11)L，斜拉桥塔高(1／4～1／5)L，L主孔跨度，悬索桥的桥塔高度大致仅为斜拉桥的一半。•2、塔架(桥塔在桥梁横向的布置形式)的形状来说•斜拉桥丰富：•（1）斜单索面与双索面、平面索与立体索等。•（2）简单独柱式、双柱式、单层或多层门式构架，和较复杂的H形、A形、倒V形以及倒Y形等塔架。•悬索桥简单：绝大部分为单层或多层门式构架，另有一部分在两根塔柱之间具有交叉的桁式斜杆，但这种形式仅限于钢桥塔。•3、构造上悬索桥简单：•悬索桥桥塔只需考虑在塔顶上布置主缆的鞍座，而斜拉桥的则必须考虑在塔柱上设有量多且细节复杂的斜拉索的锚固构造。七、特例：倒V形及菱形桥塔•特点：1、桥塔形状作成如单索面斜拉桥中出现的倒V形及菱形，•2、两座悬索桥的跨度均较小，但是—种新的花色。•实例：•1、日本大阪的此花大桥(原名北港大桥)•此花大桥为150m+300m+150