桥梁工程第14章-斜拉桥课件.ppt

1、14.1概述斜拉桥又称斜张桥,其上部结构由梁、索、塔三类构件组成,是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。图 14.1 为几种典型斜拉桥的立面布置。1图 14.1跨径布置(a)双塔三跨式;(b)独塔双跨式;(c)多塔多跨式214.1.1斜拉桥的发展斜拉桥的构思可以追溯到 17 世纪,但受到当时科技水平的限制,斜拉桥没有得到很大发展。20 世纪 30 年代,德国工程师迪辛格尔(Dischinger)首先认识到斜拉桥结构的优越性并加以发展,由他研究设计的第一 座现代斜拉桥主跨182.6 m的Str msund桥于 1955 年在瑞典建成。19

2、58 年德国建成了主跨 260 m 的杜塞尔道夫北莱茵河桥(Theodor Heuss),该桥是第一座采用钢桥面板的斜拉桥。以上两桥均采用稀索和钢主梁结构,也是早期现代斜拉桥的共同特点。3第一座现代混凝土斜拉桥是 1962 年委内瑞拉建成的马拉开波桥,其跨径布置为(160+5 235+160)m,同样采用稀索布置,索塔两侧仅布置一对预应力混凝土斜拉索。进入 20 世纪 70 年代后,混凝土斜拉桥得到迅速发展,1977 年法国建成伯劳东纳桥(主跨 320m);1983 年西班牙建成卢纳巴里奥斯桥(主跨 440 m),超过当时钢斜拉桥的最大跨径(404 m,法国圣纳泽尔桥);1991 年建成的斯卡

3、恩圣特桥,主跨 530 m,为当时世界上各类斜拉桥的最大跨径,至今仍保持混凝土斜拉桥的世界最大跨径纪录;1995 年底法国建成主跨为 856 m 的诺曼底大桥,其主梁中央部分为钢箱梁,边跨为混凝土梁。4我国于 20 世纪 70 年代中期开始修建斜拉桥。首先在 1975 年和 1976 年建成了主跨为76 m和 56 m 的两座混凝土斜拉桥,在取得设计和施工经验后,全国各地开始修建斜拉桥。其中除少数为钢斜拉桥和结合梁斜拉桥外,绝大多数是混凝土斜拉桥。福建青州闽江大桥,主跨 605 m,是世界上最大跨径的结合梁斜拉桥;2008 年建成的苏通大桥主桥为 1 088 m 的钢斜拉桥,是目前世界最大跨径

4、的斜拉桥。在混凝土斜拉桥方面,1996 年建成通车的重庆长江二桥,是当时国内最大跨径的混凝土斜拉桥(主跨 444 m),2002 年通车的荆州长江大桥跨径达500 m。中国在斜拉桥设计、施工方面已进入世界领先行列。随着工业现代化进程的加快,为适应大跨径结构的需要,预计我国结合梁斜拉桥及钢斜拉桥将得到更大发展。5回顾斜拉桥的发展历程,可以大致分为以下三个阶段:第一阶段:稀索体系,主梁基本上为弹性支承连续梁。稀索体系的缺点在于梁的 无支承长度很长(如 Str msund 桥,跨径 182.6m,梁上索距达 35 m),梁高很大,同时仅有的几根索,索力很大,在梁上锚固处的应力集中问题突出。第二阶段:

5、中密索体系,主梁既是弹性支承连续梁,又承受较大的轴向力。第三阶段:密索体系,主梁以承受强大的轴向力为主,是一个压弯构件。密索体系的优点在于:可以降低梁高、减轻梁重,相应可减少拉索用量,降低墩台、基础工程量;简化斜拉索锚固装置,消除锚固点应力集中现象;按索距(或一半索距)布置悬臂施工节段,能全面采用悬臂施工工艺,无需施工支架;提高了整体结构的抗风稳定性。6在近几十年的发展过程中,混凝土斜拉桥跨径不断增加,而主梁高度却不断减小,主梁的高跨比从 1/40 左右发展到 1/354,索距从 60 70 m 减少到 10 m 以下,主梁截面形式从梁式桥的箱形截面形式发展到扁平的板式梁截面,最大跨径已达 5

6、30 m。据推测,混凝土斜拉桥的最大跨径可达 700 m,经济合理跨径在 200 500 m;钢斜拉桥最大跨径可达 1 300 m,结合梁斜拉桥(主梁为钢混凝土结合梁)最大跨径可达 1 000 m。714.1.2斜拉桥的特点斜拉桥具有下列特点:斜拉桥利用主梁、斜拉索、索塔三者的不同组合,形成不同的结构体系以适应不同的地形和地质条件。斜拉桥是索塔上用若干斜拉索支承起主梁以跨越较大障碍的桥梁。斜拉索的作用相当于在主梁跨内增加了若干弹性支承,从而大大减少梁内弯矩、梁体尺寸和梁体重力,使桥梁的跨越能力显著增大。与悬索桥相比,斜拉桥不需要笨重的锚碇装置,抗风性能又优于悬索桥。调整斜拉索的拉力可以调整主梁

7、内力,使主梁的内力分布更均匀合理。8 便于采用悬臂法施工和架设,且安全可靠。斜拉桥是一种高次超静定的组合体系结构,包含较多的设计变量,全桥总的技术经济合理性不能单从结构体积小、用料省或者满应力等概念衡量,这给选定合理的桥型方案和经济合理的设计带来困难,同时,斜拉索与主梁和索塔的联结构造较复杂,施工技术要求高。斜拉索索力的调整工序也较复杂。914.2.1总体布置斜拉桥的总体布置应与周围环境相协调,并综合考虑经济与安全、设计与施工、材料与施工机具、运营与管理及桥位处的地形、地质、水文、气象、地震等因素,应开展多方案比较,以寻求经济合理的最优方案。斜拉桥的总体布置主要解决索塔布置、跨径布置、斜拉索及

8、主梁的布置、塔高与跨径的关系等问题。14.2总体布置和结构体系10(1)索塔布置斜拉桥的结构特点决定了它跨越能力大,可减少水中墩及深水基础,故总体布置时一般从经济角度考虑,可采用独塔、双塔或多塔布置方案。11(2)跨径布置与索塔布置相配合,现代斜拉桥最典型的跨径布置有双塔三跨式和独塔双跨式两种形式。在特殊情况下也可布置成独塔单跨式、双塔单跨式及多塔多跨式,见图 14.1。双塔三跨式双塔三跨式(图 14.1(a)是斜拉桥最常见的桥跨布置方式。主孔跨径根据通航要求、水文、地形、地质及施工条件等确定。由于主孔跨径较大,适用于跨径较大的河流及海面。从简化设计、方便施工考虑,双塔三跨式斜拉桥常布置成两个

9、边跨相等的对称形式,也可采用两边跨不相等的非对称形式。近年来又出现两塔高度不等的高低塔非对称布置形式。边跨与主跨的跨径比应考虑全桥的刚度、斜拉索的疲劳强度、锚固墩承载能力等多种因素。一般来说,主跨有活载会增加端锚索的应力,而边跨上有活载时,端锚索应力会减少,由此产生疲劳问题,斜拉索的应力变化幅度必须保持在斜拉索疲劳强度安全范12围内,所以斜拉索的疲劳强度是边跨与主跨跨径允许比值的判断标准。当边跨与中跨之比为 0.5 时,可对称悬臂施工至跨中合龙,施工方便。但考虑到施工时长悬臂的稳定性以及提高成桥后的刚度,很多情况下边中跨径之比小于 0.5,使中跨有一段悬臂施工是在有后锚的情况下进行。大跨径斜拉

10、桥为了减小中跨跨中挠度和提高全桥的刚度,常采用较小的跨比。一般情况下,双塔三跨式斜拉桥边跨与主跨跨径比值可取 0.25 0.50,从经济角度考虑宜取0.4。当边跨与 主跨 跨径 比 小于 0.5 时,边跨应设置端锚索(边索),以平衡两跨间的索力差,控制塔顶变位。在特殊的地 形条件 下,可 采用更 小的 跨比,或边跨 采用 地锚式。我国郧阳汉江大桥边跨与中跨跨径比值为 0.203,跨径布置为(85+414+85)m。为此,边跨两侧设置了重力式平衡桥台,将部分斜拉索以地锚方式锚固在重力式桥台中。13 独塔双跨式独塔双跨式(图 14.1(b)也是一种常用的斜拉桥跨径布置方式。由于它的主孔跨径一般比双

11、塔三跨式的小,故特别适用于跨越中小河流、谷地及作为跨线桥,或用于跨越较大河流的主航道部分,也可用主跨跨越河流,索塔及边跨布置在河流一岸的布置方式。14独塔双跨式斜拉桥可以布置成两跨跨径相等的对称形式,或两跨跨径不等的非对称形式,即分为主跨与边跨。两跨对称布置,一般没有端锚索,不能有效约束塔顶偏位,故在受力与变形方面不能充分发挥斜拉桥的优势。如果要用增大桥塔的刚度来减少塔顶偏位是不经济的。而两跨不对称布置,通过端锚索减少塔顶偏位比增大索塔刚度更有效,因此,独塔双跨式不对称布置较合理,实践中采用较多。独塔两侧跨径不对称布置时,边跨与主跨的跨径比值更多依据桥位处地质条件和地形情况及跨越能力来选择,各

12、种比例都可能出现,一般可取 0.5 1.0。采用不对称时,应注意悬臂端部的压重和锚固。我国最大跨径的独塔双跨式混凝土斜拉桥 重庆石门大桥,采用不对称跨径布置,边跨与主跨跨径比值为 200 m/230m=0.87,在靠桥台 10 m 范围内的主梁悬臂端设置了平衡重,使桥台始终处于受压状态。15 单跨式单跨式斜拉桥只需一个桥塔。由于不存在边跨的关系,塔后斜拉索只能采用地锚形式,同时,梁体内的水平轴力必须由相应的下部结构来承受。多塔多跨式多塔多跨式是指由3 塔或更多塔所构成的斜拉桥(图 14.1(c)。这种形式的斜拉桥实际应用不多,主要原因在于:在密索体系下,主梁由于有密而多的弹性支撑点,主梁已十分

13、柔薄,同时塔也变得十分柔细。对于双塔斜拉桥,中跨活载作用下引起的主梁下挠、塔身倾斜和边跨主梁上挠,可以通过两侧设置端锚索和边跨设置辅助墩来解决。但是,多塔多跨式斜拉桥中间塔顶却没有端锚索来有效限制它的变位。16在需要以多个大孔径跨越宽阔的湖泊或海峡时,多塔斜拉桥可作为选择方案之一,关键是如何控制中间塔顶在活载作用下的水平位移、减小主梁跨中的弯矩,对此,可采取提高主塔及主梁的抗弯刚度、塔顶设置加劲索(图 14.2(a)所示)、中塔顶与边塔设置斜向加劲索(图 14.2(b)所示)等措施。此外,多塔斜拉桥的桥长一般较长,如何在提高结构刚度的同时保证主梁在常年温差下的自由伸缩也是设计中的另一关键问题。

14、17图 14.2多塔斜拉桥的受力18 辅助墩及外边孔斜拉桥是否在边孔设置辅助墩,应根据边孔高度、通航要求、施工安全、全桥刚度以及经济和使用条件等具体情况而定。当斜拉桥的边孔设在岸上或浅滩,边孔高度不大或不影响通航时,在边孔设置 辅助墩,可以 有效改善结构的受力 状态,增加施 工期的安全。当辅助墩受压时,减少边孔主梁弯矩,而受拉时则减少中跨主梁的弯矩和挠度,从而大大提高了全桥刚度。通常辅助墩的位置由跨中挠度影响线确定,同时考虑索距及施工要求。大量工程实践证明,边孔设一个辅助墩后,塔顶水平位移、主梁跨中挠度、塔底根部弯矩和边跨主梁弯矩都大大减少,一般为原来的 40%65%;边孔加两个辅助墩,上述这

15、些内力和位移虽然可继续降低,但变化幅度不大;加三个辅助墩后,则上述内力和位移几乎没有改变。总之,无论 斜拉桥 属哪种 结构体 系,在边孔 中设辅 助墩 的个数,应综合考虑结构需要和全桥的整体经济性确定。19对于大型桥梁,除主桥部分为斜拉桥外,往往还有引桥部分。为改善斜拉桥结构的受力和变形,可在边孔加设辅助墩。但当桥面标高高、边孔水深等原因使设置辅助墩施工困难或造价较高时,可采用外边孔的构造形式,即将斜拉桥的主梁向前后两侧再连续延伸一孔或数孔,使斜拉桥的主梁与引桥的上部结构形成连续梁形式(实际已成为协作体系桥梁)。这样既可减少端锚索的应力集中,又能缓和端支点的负反力,同时还可起到减少主梁和索塔的

16、内力和位移、增强全桥刚度的目的,只是效果不如在边孔加设辅助墩明显。外边孔的长度和抗弯刚度必须精心设计和选定。由于将斜拉桥的主梁和引桥的上部结构相连,地震时将会增加斜拉桥的水平惯性力,故在地震区桥梁上应慎重选用。辅助墩及外边孔设置构造示例见图 14.3。20图 14.3斜拉桥辅助墩设置21(3)索塔的有效高度索塔的有效高度 H 应从桥面以上算起,但不包括由于建筑造型或观光等需要的塔顶高度。22图 14.4塔的高度23 索塔有效高度 H 将直接影响主梁受力、斜拉索用量等,所以它不仅与斜拉桥的主跨跨径有关,还与斜拉索的索面形式、索距和水平倾角有关。在主跨跨径相同的情况下,索塔有效高度小,斜拉索的水平

17、倾角就小,则斜拉索的垂直分力对主梁的支承作用就小,导致斜拉索的钢材用量增加。反之,索塔有效高度愈大,斜拉索的水平倾角愈大,斜拉索对主梁的支承效果也愈大,但索塔和斜拉索的材料用量也要增加,还会增加施工难度。因此,索塔有效高度应由经济比较来确定。24 根据计算分析和已有斜拉桥设计资料的统计分析,可以用索塔有效高度 H 与斜拉桥主跨跨径 l2 的比值,即高跨比 H/l2 来表示索塔有效高度的大致范围,见图 14.4。一般地,对于双塔三跨式斜拉桥,H/l2 宜取 0.18 0.45,独塔双跨式斜拉桥的 H/l2宜选用 0.30 0.45。在经济性和施工可能的情况下,宜选用 H/l2的高限值,以降低斜拉

18、索用量和减少跨中挠度。但在特大跨径斜拉桥中,单通过提高索塔高度来取得全桥刚度是不经济的,较好的选择是采用加强端锚索及地锚的方式,此时,塔高和主跨的比值 H/l2 宜选用低限值。国内外已建斜拉桥的跨径布置及索塔高度统计资料见表 14.1 和表 14.2。2526272814.2.2斜拉索布置斜拉索是斜拉桥的主要承重构件之一。斜拉索对主梁起弹性支承作用,对整个斜拉桥的结构刚度和经济合理性起着重要作用。斜拉索应采用抗拉强度高、疲劳强度好和弹性模量较大的高强钢丝、钢绞线及高强粗钢筋等钢材制作。众多斜拉索在梁与塔之间形成一个索面。29(1)斜拉索在空间内的布置形式(索面位置)根据塔、梁、索之间的联结及支

19、承方式,桥面宽度,以及索塔和主梁的不同形式,斜拉索索面在空间可布置成单索面、双索面和三索面等,而双索面又 可分为竖直双索面、倾斜双索面和 空间双索面,见图 14.5。30图 14.5拉索在空间的布置31 斜拉索布置成单索面时,斜拉索对抗扭不起作用,因此要求主梁自身有较大抗扭刚度。而采用双索面布置时,作用于桥梁的扭矩可由斜拉索的轴力来抵抗,因此,不需要主梁采用抗扭刚度大的箱形断面。从桥面宽度的利用率来看,单索面由于斜拉索下端锚固在主梁中心线上,除了保证锚固所需的构造要求之外,还要有保护斜拉索免受车辆意外碰撞的防护构造,因此,桥面中央有一部分宽度不能作为行车道,只能作为上、下行车道的分隔带(如重庆

20、石门大桥采用单索面布置,中央有 4.5 m 宽作为分隔带),所以较窄的双车道桥梁不宜采用单索面布置。双索面布置在桥宽方向可以把斜拉索下端锚固点放在桥宽以内(一般位于人行道部分),也可放在桥面两侧的外缘。前一种布置也有部分桥宽不能利用,而后一种布置则必须设置伸臂,用以锚固斜 拉索并向梁体传递剪 力和弯矩。双索面斜拉桥的索塔横桥向尺寸较大,对基础的结构尺寸要求也相应加大。32从施工、养护考虑,斜拉索在主梁上的锚固点放在桥面宽度以内比放在两侧外缘好。从美学角度看,单索面布置在中央分隔带内简洁、美观,避免了双索面给人以桥面两侧斜拉索交叉零乱的感觉,而倾斜双索面配合 A 形索塔,具有良好的抗风稳定性。由

21、于单索面斜拉桥要求主梁有较大的抗扭刚度,而主梁的抗扭刚度与跨径成反比,因此,单索面布置的斜拉桥跨径不宜过大。目前,单索面混凝土斜拉桥的最大跨径保持者是法国的 Elon 桥,主跨 400 m。33(2)斜拉索在索面内的布置形式(索面形状)斜拉索在索面内的布置应根据设计总体构思、受力情况及美学要求等因素确定,常选用以下 3 种基本形式:辐射形、竖琴形及扇形,见图 14.6。34图 14.6斜拉索的索面内的布置形式图35 辐射形:斜拉索与水平交角较大,斜拉索垂直分力对主梁的支承效果好,斜拉索用量最省。由于斜拉索的水平分力在塔顶基本平衡,故索塔的弯矩较小,索塔高度比另两种布置形式时低。但辐射形布置所有

22、斜拉索集中锚固于塔顶,使塔顶构造比较复杂,局部应力集中现象突出,给施工和养护带来困难。此外,斜拉 索倾角不等,也使锚具、垫板的制作与安装比较复杂。此外,索塔的内力及刚度、桥梁的总体稳定性能也不如竖琴形有优势。因此,辐射形斜拉索布置很少采用。竖琴形:所有斜拉索的倾角完全相同,且斜拉索与索塔的锚固点分散布置,使斜拉索与索塔、斜拉索与主梁联结构造简单,易于处理。竖琴形布置斜拉索加强了索塔的顺桥向刚度,对减少索塔的弯矩和提高索塔的稳定性都是有利的。从外观上看,斜拉索平行布置外形简洁美观,无辐射形斜拉索的视觉交叉感。如将中间斜拉索用边孔内设置的辅助墩锚固,可大大减少索塔的弯矩和36变形。但竖琴形布置斜拉

23、索倾角较小,斜拉索对主梁的支承效果差,斜拉索总拉力大,斜拉索用量相应较多,又无法形成飘浮体系,对抗风、抗震不利,且难于控制中跨挠度,故竖琴形布置一般用于中、小跨径的斜拉桥中。扇形:斜拉索在索面内呈扇形布置,兼有辐射形和竖琴形的优点,又可灵活布置,与索塔的各种构造形式相配合,是采用最多的一种索型,特别是在大跨径斜拉桥中,几乎都采用扇形布置形式。随着斜拉桥跨径的不断增大,对结构的总体刚度,特别是抗扭刚度以及抗风振稳定性和抗地震稳定性提出越来越高的要求。采用扇形空间倾斜双索面布置是理想的选择。但是,对斜拉索在索塔和主 梁上的锚固位置、构造要求及施工 工艺要求较高,应妥善处理。37(3)斜拉索索距斜拉

24、索索距是指索面内相邻两根斜拉索的间距。索面内斜拉索根数多则索距小,斜拉索根数少则索距大。斜拉索索距 的选择应根据主梁内力、斜拉索张拉力、锚固构造、施工能力与施工方法、材料规格及经济等因素综合考虑。早期斜拉桥采用斜拉索根数少而刚度大的稀索布置,索距达15 30 m(混凝土主梁)或 30 50 m(钢主梁),相应的斜拉桥跨径也不大。随着斜拉桥的发展,为方便施工,减少风振危险,适应施工吊装能力及张拉条件,斜拉桥都趋向于索面内多根斜拉索布置,即由早期的稀索型发展到现在的密索型布置。38型更加纤细轻巧。由于索面内多索布置,对每根斜拉索索力的要求相应降低,简化斜拉索锚固构造,张拉千斤顶可小型化、轻型化。尤

25、其是多索布置与悬臂平衡的施工方法相适应,更有利于斜拉桥控制。多索、密索布置使每根斜拉索索力和截面较小,每根斜拉索在工厂制索中就能完成防护、配装好锚具工序,也使在通车条件下更换索面内任何一根斜拉索成为可能,而且十分方便。索面内斜拉索的根数多,使主梁由受弯为主向受压为主转变,主梁弯矩减少可降低梁高,直至主梁可采用高宽比例接近于薄板的梁式截面形式,这样不仅取得了较好的经济效益,也大大改善了结构的动力性能,提高了结构的抗风、抗震能力,并使斜拉桥的造39(4)斜拉索倾角斜拉索的倾角是指斜拉索与梁轴线之间的夹角。斜拉索的倾角与斜拉索受力情况有关。当索与梁之间的倾角增大,则斜拉索索力减小,但塔的高度与索的长

26、度都要增加,根据已有斜拉桥的统计资料,边索的倾角,无论是双塔三跨式或独塔两跨式斜拉桥,宜控制在25 45,竖琴形布置较多取 26 30,扇形布置较多取在21 30,以 25 最为普遍。但由于多索、密索布置,使每根斜拉索刚度相对较小,可能会产生风振问题,边跨主梁可能产生较大负弯矩及端锚索刚度较小等问题。为此,须增大端锚索刚度,将边跨斜拉索集中为一根端锚索或将边跨的部分斜拉索集中为端锚索等。对于混凝土主梁,索距宜采用 4 12 m,钢主梁时索距宜取 8 24 m。4014.2.3主梁布置斜拉桥的主梁,不管整个斜拉桥的结构体系和支承方式如何,主梁一般有两种布置形式:即主梁为连续体系和非连续体系两种。

27、41(1)主梁为连续体系无论是双塔三跨式或是独塔双跨式,主梁在斜拉桥全长范围内均布置成连续体系,这时,主梁为连续或连续刚构(斜拉索作为跨内的弹性支承),为改善结构受力,布置外孔时,斜拉桥主梁梁体还可同边跨或引桥的上部结构主梁相连续,见图 14.7。42图 14.7主梁布置为连续体系图(a)塔梁固结、梁墩分离;(b)塔墩固结、塔梁分离;(c)塔、梁、固结;(d)梁体连续的延伸43(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,全桥的主梁布置为非连续体系,这时,主梁成为单臂梁或 T形刚构体系,见图 14.8。带有挂孔的主梁布置形式简化了结构体系,减少了结构的超静定

28、次数,能较好地适应两个索塔基础的不均匀沉降,可用于地基较差的地区。但是,主梁的非连续布置破坏了桥梁的整体性,施工时还需增加一套架设简支挂梁的设备。上海柳港桥就是在 200 m长主跨中央插 入30 m 长的一 个简支挂梁,形成非连续主 梁体系。现代斜拉桥已经很少采用这种布置。44桥面的连续性和桥梁整体性,同时,剪力铰设计、施工和养护较困难,一般应尽量避免采用这种布置。用剪力铰取代双塔三跨式斜拉桥主跨中央的简支挂梁,形成非连续主梁体系的另一种布置形式。剪力铰可以只传剪力和轴向力,不传递弯矩;也可以只传递剪力和弯矩,不传递轴向力,根据结构内力要求而定。剪力铰可以缓解温度内力的影响,但也破坏了45图

29、14.8主梁布置为非连续体系46(3)主梁的高跨比由于斜拉桥的结构特点,绝大多数斜拉桥的主梁高度沿跨长是不变的。主梁高 h 与主跨跨径的比值称为主梁的高跨比,高跨比愈小,则斜拉桥的柔细度愈大。早期稀索布置的斜拉桥,主梁的高跨比一般在 1/100 1/50。自密索体系出现后,主梁的高跨比不断减少,已突破 1/300。根据世界各国斜拉桥的统计资料分析,密索布置的斜拉桥,其梁高与主跨跨径的比值一般为 1/150 1/100,较多在 1/100 左右。公路斜拉桥设计规范规定,斜拉桥梁高与主跨的比值一般为 1/100 1/50,对于密索体系大跨径斜拉桥,比值可小于 1/200,而单索面斜拉桥梁高与主跨比

30、值应按抗扭刚度确定。4714.2.4结构体系斜拉桥是由 上部结 构的主 梁、斜 拉索、索塔 及下部 结构 的桥墩、桥台四种基本构件组成的组合体系桥梁。斜拉桥的结构体系可以根据主梁、索塔及其桥墩三种基本构件的不同结合方式形成不同的结构体系,也可根据斜拉索的锚拉体系来形成斜拉桥的不同结构体系。下面从这两个方面来介绍斜拉桥的结构体系。48(1)由梁、塔、墩的不同结合构成的结构体系1)塔墩固结、塔梁分离 飘浮体系主梁除两端有支承外,其余全部由斜拉索作为支承,成为在纵向可稍作浮动的一根具有多点弹性支承的单跨梁,见图 14.9(a)。飘浮体系的主要优点是满载时,塔柱处主梁不出现负弯矩峰值;温度及混疑土收缩

31、、徐变内力均较小,在密索情况下,主梁各截面的变形和内力的变化比较平缓,受力比较均匀。地震时允许全梁纵向摆动,从而起抗震消能作用。因此地震烈度较高地区应优先考虑选择这种体系。49移,并能使主梁在横向形成较为柔性的约束,保持良好的动力性能。但飘浮体系斜拉桥在采用悬臂施工时,塔柱处梁段需临时固结,以抵抗施工过程中的不平衡弯矩和纵向剪力。空间动力计算表明,由于斜拉索不能对主梁提供有效的横向支承,所以对飘浮体系必须施加一定的横向约束,提高其振动频率,改善动力性能。为抵抗由于风力等引起的横向水平力,一般在塔柱和主梁之间设置板式橡胶支座和聚 四氟乙烯 盆式橡胶 支座以限 制主梁的 横向位50图 14.9斜拉

32、桥的结构体系 现代大跨径混凝土斜拉桥大多数采用飘浮体系。美国的哥伦比亚桥、东亨丁顿桥及日照高架桥,我国的武汉长江公路桥、重庆长江二桥、铜陵长江大桥、上海南浦大桥和杨浦大桥(钢混凝土结合梁)都采用这种体系。51中心悬吊下来的斜拉索(一般称 0 HJ 索),并在成桥时调整支座反2)塔墩固结、塔梁分离,在塔墩处主梁下设置竖向支承半飘浮体系(图 14.9(b)此时,半飘浮体系的主梁成为在跨内具有多点弹性支承的连续梁或悬臂梁。主梁可布置成连续体系,也可在中跨跨中设剪力铰或简支挂孔,主梁布置成非连续体系,挂孔需有一定长度,避免当一侧悬臂受车辆荷载作用时挂梁发生过大倾斜,影响行车顺畅。半漂浮体系的主梁内力在

33、塔墩支承处出现负弯矩峰值,通常须加强支承区段的主 梁截面。温度及 混凝土 收缩、徐变内 力也 较大。但是,如在墩顶设置可调节高度的支座或弹簧支承来代替从塔柱J力,以消除大部分收缩、徐变等不利影响,这样与漂浮体系相比,无论在经济上还是在美观上均优于漂浮体系。我国辽宁长兴岛主跨176 m 的双塔双索面混凝土斜拉桥就是采用半飘浮体系,主梁为连续体系。523)塔梁固结、塔墩分离 塔梁固结体系塔梁固结并支承在桥墩上,这时主梁相当于顶面用斜拉索加强的一根连续梁或悬臂梁,(见图 14.9(c)。主梁和塔柱内的内力和挠度直接与主梁和塔柱的弯曲刚度比值有关。塔梁固体系的主要优点是取消了承受很大弯矩的梁下塔柱部分

34、。代之以一般桥墩,使塔柱和主梁的温度内力极小,显著减小主梁中央段承受的拉力。但当中跨满载时,由于主梁在墩顶处的转角位移导致塔柱倾斜,使塔顶产生较大的水平位移,因而显著增大了主梁的跨中挠度及边跨的负弯矩,并且上部结构的重力和活载反力均由支座传给桥墩,这就要求设计 很大吨位的支座,故一般仅用于小 跨径斜拉桥。对于大跨径斜拉桥,由于上部结构反力过大,可能需要设计上万吨的支座,使支座构造复杂,制作困难,且动力特性不理想,抗风抗震不利,故不宜采用,法国的伯劳东纳桥(主跨 300 m)采用塔梁固结体系,主梁布置连续体系,支座用 10 块橡胶支座围成圆周,中心用 800 mm 联结管,管内填充环氧树脂。53

35、4)主梁、索塔、桥墩三者互为固结 刚构体系梁、塔、墩固结(图 14.9(d),主梁成为在跨内有多点弹性支承的刚构。这种体系的优点是结构刚度大,主梁和塔柱的挠度均较小,不需要大吨位支座,最适合悬臂法施工。刚构体系动力性能差,尤其在窄桥时。因此,该体系用于地震区及风荷载较大的地区时,应认真进行动力分析,且在固结处主梁负弯矩极大,此区段内主梁截面必须加大。为了消除固结点处及墩脚处产生的温度附加弯矩,可在双塔三跨式梁跨中设置可以允许水平位移的剪力铰或挂梁,但这样会导致行车不顺畅,且对养护不利,所以,梁、塔、墩固结体系较适合于独塔双跨式斜拉桥。在塔墩很高的双塔三跨式斜拉桥中,若采用双薄壁柔性墩,以适应由

36、于温度、混凝土收缩、徐变和活载等使结构产生的水平位移,形成连续刚构体系,既能保持刚构体系的优点,又能使行车平顺舒适。54以上 4 种结构体系的斜拉桥都有实际桥例,但由于飘浮体系具有充分的刚度,受力比较均匀,主梁可作为等截面而简化施工,且抗风、抗震性能也较好等特点,是现代大跨径斜拉桥使用较多的一种体系。表 14.3 是 4 种结构体系的比较表,可供参考。5556(2)按斜拉索的锚拉体系1)自锚式斜拉桥(Self-anchored Calbe-stayed bridge)自锚式斜拉桥的塔前侧斜拉索分散锚固在主梁梁体上,而塔后侧的斜拉索除了最后的锚固在主梁端支点处以外,其余斜拉索则分散锚固在边跨主梁

37、上或将一部分斜拉索集中锚固在端支点附近的主梁上。自锚体系斜拉索的水平分力由主梁的轴力来平衡。自锚体系中,锚固在端支点处的斜拉索索力最大,一般需要较大的截面,并且它对控制塔顶的变位起重要作用,是最重要的一根(组)斜拉索,被称为端锚索或边索(end anchor cable),见图 14.10。无论是双塔三跨式或独塔双跨式斜拉桥,绝大多数均采用自锚式体系。57图 14.10自锚体系斜拉桥的端锚索582)地锚式斜拉桥(Earth-anchored Calbe-stayed bridge)单跨式斜拉桥可采用地锚式。在地锚体系中,塔前斜拉索的拉力必须由相应的下部结构即地锚来承担。图 14.11 是一种典

38、型的地锚式单跨斜拉桥。59图 14.11地锚式斜拉桥60 3)部分地锚式斜拉桥(Partially Earth-anchored Calbe-stayed bridge)无论是双塔三跨式还是独塔两跨式斜拉桥,由于某种原因边跨相对于主跨很小时,可以将边跨部分斜拉索锚固于梁上,而部分斜拉索布置成地锚式,将斜拉索不平衡水平分力直接由边跨梁体传递给桥台。显然,上述 3 种体系的主梁轴向力的分布和正负号(拉压)是随斜拉桥斜拉索体系和主梁的支承条件不同而变化的。61(3)按照塔的高度不同而形成的结构体系矮塔部分斜拉桥结构如图 14.12 所示。由力学知识可知,在截面相同的情况下,塔的抗水平变位刚度与塔高

39、h 的三次方成反比,因为塔高降低则塔身刚度迅速提高。但塔高降低后拉索的水平倾角也将减小,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。矮塔部分斜拉桥由于拉索不能提供足够的支撑刚度,故要求主梁的刚度较大。因拉索只提供部分刚度,又称“部分斜拉桥”,其受力性能介于梁式桥和斜拉桥之间。62图 14.12矮塔部分斜拉桥(尺寸单位:m)63矮塔部分斜拉桥具有以下的特点:塔较矮。常规斜拉桥的高度与跨度之比为 1/5 1/4,而部分斜拉桥为 1/12 1/8。梁的无索区较长,没有端锚索。边跨与主跨的跨径比值较大,一般大于 0.5。梁高较大,高跨比为 1/40 1/30

40、,甚至做成变高度梁。拉索对竖向恒活载的 分担率小 于 30%,受力 以梁为主,索为辅。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。采用矮塔部分斜拉桥体系的有日本木曾川大桥(主跨 275 m)、日本冲原桥(主跨 180 m)、我国的芜湖长江大桥(主跨 312 m,钢桥)等。64(4)协作体系斜拉桥对于非对称布置 的独塔斜 拉桥,主跨跨度 较大时,远 离索塔的主梁由于斜拉索 倾角很小,支撑效率 降低,在活载作 用下将产生很大的弯矩,此时,可将斜拉桥主梁与连续梁、连续刚构、T 构、拱桥和悬索桥等协作,做成所谓协作体系。协作体系是利用两种桥型的相互协作,取长补短,起到 增大跨

41、径、便于 布索、改善边跨受力和控制主 梁挠度(刚度)等 作用,适 应于某 些特殊 困难 条件下的桥位的需要。我国宁波招宝山大桥,美国东亨丁顿桥均采用了这样的体系。65(1)斜拉索种类斜拉桥所用的斜拉索,由钢丝或钢绞线外加防护套制作而成。斜拉索的主要类型和构造如图 14.13 所示。14.3.1斜拉索14.3斜拉桥构造图 14.13拉索的种类和构造(a)平行钢丝索;(b)钢绞线索;(c)单股钢绞缆;(d)封闭式钢缆66 1)钢丝索 平行钢丝股索(Parallel Wire Strand,简称 PWS)平行钢丝股索是将一定根数的镀锌钢丝平行地捆扎成股,每根钢丝都是顺直而无扭转,股索的截面为六角形。

42、大型的平行钢丝股索可直接单独用作拉索,大多数情况是每根拉索由多股平行钢丝股索组成。平行钢丝股索由于钢丝未经旋扭,抗拉强度和弹性模量均未削减,与单根镀锌钢丝相同,抗疲劳性能也较好。缺点是钢索刚度较大,不易弯曲,架设困难,容易引起弯曲次应力。67 平行钢丝索(Parallel Wire Cable)平行钢丝索是将若干根预应力钢丝平行并拢、扎紧,整体穿入聚乙烯套管内,并在张拉结束后压注水泥砂浆防护,成为平行钢丝索,见图 14.13(a)。平行钢丝索截面不要求是六角形,因此截面内的钢丝根数可以自由地选定。平行钢丝索的各项物理特性与平行钢丝股索基本一致。半平行钢丝索(Partially Parallel

43、 Wire Cable)将若干根钢丝平行绞拢,且同心同向作轻度扭绞,扭绞角约为2 4,再用包带扎紧,最外层直接挤裹聚乙烯索套防护,就成为半平行钢丝索,也称为新型 PWS、螺旋型 PWS 或称为半平行钢丝股索。这种索挠曲性能好,可以自由地缠绕在卷筒上进行长途运输,宜在工厂中机械制作。从试验得知,扭绞角小于 4 时,其弹性模量和疲劳性能不受损减。68组成钢丝索的高强钢丝,其标准强度不得低于 1 600 MPa,目前,常用 5 或 7 根镀锌钢丝制钢丝索配用镦头锚或铸锚。半平行钢丝索由于可在工厂内制作并配装锚具,不仅制作质量有保证,而且大大简化了施工现场工作,因此,已逐步取代平行钢丝索。2)钢绞线索

44、钢绞线的标准强度可达 1 860 MPa,用钢绞线制成钢索可以进一步减轻拉索的重力。69管中,并压注水泥砂浆。平行钢绞线常配用夹片式群锚,先逐根张拉建立初应力,然后调整张拉至设计规定应力。平行钢绞线索(Parallel Strand Cable)将 7 丝钢绞线按平行股索中的钢丝排列方法平行排列,布置成正六角形截面,就成为平行钢绞线索,如图 14.13(b)所示。平行钢绞线索既可在工厂制造,也可在现场制作。在工地用若干根钢绞线制成拉索,穿入预制的聚乙烯套管、钢管或玻璃纤维加筋的塑料管,然后压注水泥砂浆或环氧砂浆,或者将一根钢绞线涂防锈油脂后挤裹聚乙烯护套,再将带有护套的钢绞线穿入大的聚乙烯套7

45、0图 14.14钢丝束构造(a)半平行钢丝束;(b)平行钢丝股索(PWS)71 半平行钢绞线索半平行钢绞线构造和制作方法与平行钢绞线相同,只是在索中钢绞线集中排列后再轻度扭绞而成。钢索中钢绞线的方向应与单根钢绞线中的钢绞扭绞方向相反。半平行钢绞线索均在工厂制作好后运往工地,它可以配装冷铸锚。3)单股钢绞缆单股钢绞缆以一根钢丝为缆心,逐层增加钢丝,同一层的钢丝直径相同,但逐层钢丝的扭绞方向相反,以抵抗张拉时的扭矩,最后形成一根单股钢绞缆,如图 14.13(c)所示。单股钢绞缆配用热铸锚。由于扭绞关系,其抗拉强度及弹性模量有所降低,截面孔隙率也较大。单股钢绞缆用作斜拉索时,可采用镀锌钢丝制作,最外

46、层应加涂防锈涂料。单股钢纹缆只能在工厂中生产,其柔性好,可成盘运输至现场安装,但用作混凝土斜拉桥的拉索较少。724)封闭式旋钮钢缆(Locked Coil Rope)封闭式旋钮钢缆的核心部分是由多层圆形钢丝组成,在它的外面有逐层绞裹梯形截面的钢丝,接近外层时绞裹 Z 形截面的钢丝,相邻各层钢丝的旋扭方向相反,最后形成一根粗大的钢缆,如图 14.13(d)所示。封闭式钢缆中的梯形和 Z 形钢丝彼此侧向紧扣,基本上是面接触,因此结构紧密,截面孔隙率很小,水分不易浸入,表面光滑,故称为封闭式钢缆。封闭式旋钮钢缆使用镀锌钢丝制作,还可在钢丝上涂防锈脂,最外层涂防锈涂料防护。它配用热铸锚具,只能在工厂中

47、制作,盘绕后运到施工现场。由于扭绞,封闭式钢缆的抗拉强度和弹性模量比平行钢丝索略低。73(2)斜拉索端部配件(锚头)上述斜拉索只有在其两端配装了合适的锚具后才能成为可以承受拉力的拉索,锚具必须能顺畅地将索力传给索塔和主梁。锚具是斜拉桥的极其重要的部件,它的质量和性能对整个斜拉桥结构的可靠性有着直接影响。常用的拉索锚具有热铸锚、墩头锚、冷铸锚及夹片群锚等几种。前 3 种是拉锚式锚具,可以事先装固在钢索两端。配装夹片式群锚的拉索,张拉时千斤顶直接拉钢索,张拉结束后锚具才发挥作用,所以夹片式群锚又称为拉丝式锚具。锚具的主要构造为锚环、锚圈、锚垫板、填充固化料、防漏板及夹片等;为便于穿索张拉,在锚具尾

48、部须设置张拉联结器及引出杆联结等附属构造。74 (1)混凝土主梁1)横截面形式混凝土斜拉桥主梁截面形式的选择,除一般桥梁必须考虑的因素外,还应充分考虑抗风稳定性,特别是大跨径斜拉桥的风振问题,同时要考虑扭矩的传递、主梁对拉索索力的传递问题。主梁的截面形式要方便拉索的张拉和锚固,应根据拉索的布置及施工方法综合考虑,正确选择主梁截面形式。14.3.2主梁75混凝土主梁常用的截面形式如图 14.15 所示。图 14.15(a)为实体双主梁截面,适用于双索面体系的混凝土主梁截面。两个分离的主梁之间由混凝土桥面板及横梁联结,拉索可直接锚固在主梁中心处,也可以锚在伸臂横梁的端部。这是一种较简单的混凝土主梁

49、截面形式,也是采用较多的一种主梁截面形式。主跨440 m的重庆长江二桥混凝土主梁就采用这种实体双主梁截面。76板式边主梁是从 双主梁或 边主梁的 截面形 式逐渐 演变 而成(图 14.15(b)。所谓边主梁,是指主梁位于两边,且梁高相对于桥宽而言又很小,但两根边主梁之间仍有混凝土桥面板及横梁连结,横梁底与主梁齐平,形成底部挖有一个个空槽的板式梁体。低高度边主梁的截面带有风嘴尖角,以适应大跨径斜拉桥的抗风要求。拉索直接锚固在边主梁的下面,以不致削弱原来就小的主梁截面。横梁间距一般取拉索索距的一半,为 5 6 m。主跨425 m 的挪威海尔格兰特桥,混凝土土梁就是这种截面形式,梁高仅 1.2 m,

50、主梁的高跨比为 1/354。图 14.15(c)、(d)、(e)为分离的双箱截面形式。图(c)为带有竖腹板的矩形箱形截面,箱梁用于承重及锚固拉索,箱梁之间设桥面系。这种截面形式的最大优点是采用悬臂施工较方便。但由于斜拉桥主梁截面尺寸较小,采用挖空的箱形截面节省的混凝土数量不多,而引起内模板、横隔梁钢筋布置、拉索锚固等趋于复杂,并77增加施工困难和费用,所以,近年来已较少采用。在抗风要求高的大跨径斜拉桥中,由分离双箱截面逐步向实体双主梁截面发展,或向外侧为斜腹板、内侧为竖腹板的倒梯形箱形截面(图 14.15(d)和三角形箱形截面(图 14.15(e)发展,两箱之间为整体桥面板,横截面外侧做成风