任务14斜拉桥的概述

任务14斜拉桥的概述

斜拉桥构造 一、斜拉桥的特点 斜拉桥是由 主梁、塔柱和斜拉索 三部分组成的一种组合体系结构。利用由塔柱伸出的斜拉索为钢筋混凝土主梁的弹性支承，以代替中间支墩，借以降低主梁的截面弯矩，减轻自重，显著得 增大了跨越能力 。同时，斜拉索拉力的水平分力对主梁起着轴向预应力作用，可以增强主梁的抗裂性能，节减了主梁高强钢材的用量。 从其力学特性分析，与传统的梁式桥比较，斜拉桥除斜拉索的水平分力所产生的轴向力影响外，大体上 具有弹性支承连续梁的性能 ；和悬索桥相比，作用在斜拉桥主梁上的 荷载通常是由锚固点直接传给斜拉索的 ；预应力混凝土斜拉桥更能充分发挥材料的性能；斜拉桥中，因斜拉索被张拉成直线形状，不发生大的位移，故斜拉桥 整体刚度要比悬索桥大的多。 斜拉桥充分利用斜拉索的刚性，巧妙地将索与梁结合起来。因此， 斜拉桥这一桥式属于梁式桥与悬索桥之间的大跨度桥梁 ，它可有效的用于 100—600m 之间的跨度。 根据以上特点，预应力混凝土斜拉桥具有下列显著的 优越性 ： 1 ．跨越能力大； 2 ．具有良好的结构刚度和抗风稳定性； 3 ．依靠斜拉索的应力调整，能设计的很经济； 4 ．结构轻巧，适应性强； 5 ．利用斜拉索，发挥无支架施工的优越性。 二、斜拉桥的总体布置 （一）孔跨布置 1. 双塔三跨式 这是一种最常见的斜拉桥孔跨布置方式。由于它的 主跨跨径 较大，一般可 适用于 跨越较大的河流。如下图所示。 主跨跨径 L2 与 边跨跨径 L1 之间的比例关系根据统计资料为： 钢斜拉桥 ： L1 ＝ (0.40-0.45)L2 ； 其他斜拉桥 ： L1 ＝ (0.33—0.50)L2 ； 一般接近于 L1 ＝ 0.4L2 。 国内统计资料显示： 上海杨浦大桥 ( 钢 ) ： L2 ＝ 602m ， L1 ＝ 243m ， L1 ＝ 0.40L2 ； 武汉长江二桥 ( 混凝土 ) ： L2 ＝ 400m ， L1 ＝ l80m ， L1 ＝ 0.45L2 ； 山东东营黄河大桥 ( 钢 ) ： L2 ＝ 288m ， L1 ＝ 136 ． 5m ， L1 ＝ 0.47L2 ； 广西红水河铁路桥 ( 混凝土 ) ： L2 ＝ 96m ， L1 ＝ 48m ， L1 ＝ 0.5L2 。 解决较大应力幅产生疲劳问题的办法 ：使边跨伸出一悬臂端 ( 端支点内移 ) ，由此对端支点产生预压，减小端支点上抬倾向，以减小端锚索的应力幅。如下图所示的 武汉长江二桥 就是这样做的。 2. 独塔双跨式 这也是一种常见的斜拉桥孔跨布置方式，如下图所示。由于它的主孔跨径一般比双塔三跨式的主孔跨径小， 适用于 跨越中小河流和城市通道。 独塔双跨式斜拉桥的 主跨跨径 L2 与 边跨跨径 L1 之间的比例关系一般为 L1 ＝（ 0.5—0.8 ） L2 ，但多数接近于 L1 ＝ 0.66L2 。 国内资料统计为： 重庆石门桥 ( 混凝土 ) ： L2 ＝ 230m ， L1 ＝ 200m ， L1 ＝ 0 .87L2 ； 广东南海西樵桥 ( 混凝土 ) ： L2 ＝ 125m ， L1 ＝ 110m ， L1 ＝ 0.88L2 ； 武汉汉水月湖桥 ( 混凝土 ) ： L2 ＝ 232m ， L1 ＝ 138m ， L1 ＝ 0.59L2 ； 重庆石门嘉陵江桥 武汉汉水月湖桥 3. 三塔四跨式和多塔多跨式 斜拉桥 很少采用 三塔四跨式或多塔多跨式，因为 中间塔顶 没有端锚索来有效地限制它的变位。 因此 ，柔性结构的斜拉桥或悬索桥采用多塔多跨式将使结构柔性进一步增大，随之而来的是 变形过大 。 三塔四跨式（洞庭湖大桥 ） 在必须采用多塔多跨式斜拉桥时，可将中间做成刚性索塔，或用拉索对中间塔顶加劲，如香港汀九大桥。 三塔四跨式（香港汀九大桥） 多塔多跨式（ Millau Viaduct ） （二）斜索布置 1. 索面布置 索面布置一般有 3 种类型，即 单索面、竖向双索面和斜向双索面 。 单索面 双索面 斜向双索面 单索面（钱江三桥） 从力学角度来看，采用单索面时，拉索对抗扭不起作用。因此，主梁应采用抗扭刚度较大的截面。采用双索面时，作用于桥梁上的扭矩可由拉索的轴力来抵抗，主梁可采用较小抗扭刚度的截面。至于斜向双索面，它对桥面梁体抵抗风力扭振特别有利。 斜向双索面（海口世纪大桥） 2. 索面形状 索面形状主要有 3 种基本类型，即 放射形、扇形和竖琴形 。 放射形 竖琴形 扇形 PASCO-KENNEWICK （放射形） 竖琴形（西樵山桥） 扇形（海印桥） 根据力学观点， 以放射形较优 。原因是： (1) 斜索与水平面的平均交角较大，斜索垂直分力对梁的支承效果较大，而对主梁产生的轴力较小； (2) 因斜索的水平分力在塔顶基本平衡，塔的弯矩较小。但放射形的斜索集中汇交于塔顶，塔顶构造细节较为复杂。反之， 竖琴形 由于所有斜索的倾角相同，锚固点结构可以单一化，塔上锚固点的间距大，对索塔的受力有利。 扇形 布置则介于两者之间，它的斜索垂直分力小于放射形但大于竖琴形，而水平分力大于放射形小于竖琴形。塔上锚固点的间距也同样介于放射形和竖琴形之间。 3. 索距的布置 索距的 布置 ，可以分为“稀索”与“密索”。现代斜拉桥则多为“密索” 密索优点 如下： (1) 索距小，主梁弯矩小； (2) 索力较小，锚因点构造简单； (3) 锚固点附近应力流变化小，补强范围小； (4) 便于伸臂架设； (5) 易于换索。 稀索 密索（法国诺曼底大桥） （三）梁体布置 1. 连续体系 在斜拉桥的全长范围内，梁体布置成连续的形式 ， 如图： 连续的梁体（湖北荆州长江大桥） 在某些场合下，由于结构受力的需要，还可将梁体的连续延伸至斜拉桥以外部分，即斜拉桥的梁体还与其边跨或主跨以外部分的引桥跨或其他跨的梁体相连。 梁体连续的延伸（日本 Ayunose Bridge ） 斜拉与连续混合（招宝山桥） 2. 非连续体系 一是在斜拉桥主跨中央部分插入一小跨简支结构。二是以“剪力铰”代替简支结构，这种剪力铰的功能是只传轴力、剪力，不传弯矩。 3. 主梁的跨高比 主梁的 跨高比 是指主跨 L2 与梁高 H 的比值。现代密索式斜拉桥主梁的跨高比一般在 100—150 之间。至于铁路、公铁两用斜拉桥。特别是主梁为钢桁架梁的，其主梁的跨高比不足 30 ，如下图的芜湖长江大桥 。 （四）索塔布置 1. 塔架的形式 单索面斜拉桥和双索面斜拉桥索塔塔架的纵向布置形式如图所示： 倒 Y 形（济南黄河桥） 图中的 (a) 为单柱形， (b) 为双柱形， (c) 为门形， (d) 为 H 形， (f) 为斜腿门式， (h) 为 A 形， (i) 为倒 V 形， (j) 为倒 Y 形； (k) 为宝石式 。 双柱形及门形塔架的面内刚度最小，适用于中小跨径的斜拉桥。对较大跨径的斜拉桥，从改善扭振的角度出发，一般倾向采用 A 形的或倒 Y 形的索塔。 H 形（东营黄河桥） 斜腿门式（天津永和桥） 倒 Y 形（杨浦大桥） 2. 塔的高跨比 塔的高跨比范围如下图所示。索塔的适宜高度 H 要由经济比较来决定。 H/l2 =1/4 ～ 1/7 H/l2 =1/2.7 ～ 1/4.7 （五）斜拉桥的锚拉体系 一般来说，悬索桥的主缆多数是地锚体系；而斜拉桥的斜索则相反，多数是自锚体系。 自锚体系斜拉桥的端锚索 地锚式斜拉桥 地锚式斜拉桥 三、主梁截面 （一）钢 梁 1. 工字形钢主梁 如下图所示，一般采用两根工字形钢主梁的“双主梁”布置。 工字形钢主梁（汀九大桥） 斜索下端一般直接锚固在钢主梁上，其锚固细节如下图所示。 汀九大桥的锚固 2. 钢箱梁截面主梁 钢箱梁截面，可以采用相当于工字形双主梁的布置方式，只是将工字形钢梁换成钢箱梁。在现代斜拉桥中，钢主梁更多地采用整体构造的流线型扁平钢箱梁 。 南京长江二桥钢箱梁截面 南京长江三桥钢箱梁截面（钢箱梁） 3. 钢桁梁 斜拉桥采用钢桁梁，主要是由于布置双层桥面的需要 。 在我国，有两座著名的公铁两用钢桁梁斜拉桥，分别是芜湖长江大桥和武汉天兴洲长江大桥。 芜湖长江大桥 武汉天兴洲长江大桥 4. 单索面斜拉桥中的钢梁截面 由于单索面斜拉桥的斜索对桥梁抗扭不起作用，因此一般都采用抗扭刚度较大的整体构造的箱梁。 湄南河桥单索面桥钢梁截面单位（ mm ） （二）混凝土梁 1. 实体边主梁和板式梁 实体边主梁是混凝土斜拉桥中比较简单的一种截面形式。下图所示为宜宾中坝金沙江大桥的主梁形式，采用双主肋加小纵肋型式，与横隔梁一起形成正交异型混凝土板，有效减小剪力滞效应。 实体边主梁和板式梁的截面形式，具有在结构上有效和施工简便的优点。 2. 箱形截面 混凝土斜拉桥主梁采用箱形截面，在现代斜拉桥中是经常采用的截面形式。这是因为它的抗弯和抗扭刚度大，能适应稀索、密索、单索面或双索面等不同斜索布置；其组合截面，也可以方便地形成封闭式的单箱形式或分离式的双箱形式，以适应不同桥宽的需要；截面的组合构造，也可以部分预制、部分现场灌筑，为桥梁施工方案提供更多选择单索面布置的箱形截面。 在双索面混凝土斜拉桥中，箱形截面的主梁常以分离式的两个箱体各自锚固于斜索，两箱之间则以横梁和桥面板连结。双箱梁的典型截面为倒梯形， 如下图所示济南黄河桥和武汉长江二桥 ： 泸州泰安长江大桥的单箱三室截面与分段现浇施工方案（单位 cm ） 泸州泰安长江大桥主桥跨度 208+270+35+30m ， PC 单箱三室箱梁， PC 索塔，不对称独塔双索面斜拉桥。单箱三室流线形梁段，梁宽 29.5m ，梁高 3m 。顶板厚 40~20cm ，底板厚 70~25cm ，腹板厚 50~25cm ，斜腹板厚 23cm ，斜拉索外侧设宽度 2.4m 的人行道悬臂。梁顶设 2% 双向桥面横坡。主梁截面宽高比 B/h=9.833:1 ，高跨比 h/L=1/90 ，跨宽比 L/B=9.153:1 。 黑龙江省绥芬河市新华街立交桥的主桥为 100m+100m 双孔独塔单索面斜拉桥，跨越绥芬河铁路站场。主梁横断面为全预应力混凝土单箱三室。梁底平齐，梁高由外至内 1.8m ～ 1.92m 。梁顶宽 23.5m ，底宽 11.5m ，两侧悬臂各长 3.0m, 外腹板倾斜 。 混凝土单箱三室（绥芬河市新华街立交桥的主桥 单位： m ） （三）结合梁 结合梁斜拉桥是指钢主梁的上翼缘与设置其上的混凝土桥面板之间用剪力键结合共同受力的梁体结构。结合梁一般只适用于双索面斜拉桥。结合梁斜拉桥在 80 年代后才得到发展。其代表作首推加拿大的安那西斯 (Annacis) 桥其结合梁主梁截面如图所示。 （四）混合梁 混合梁斜拉桥是指其主跨为钢梁而边跨为混凝土梁的斜拉桥。钢梁与混凝土梁的连接点一般设在索塔附近，可以在边跨侧，也可以在主跨侧。斜拉桥边跨采用混凝土梁的构思，是取其梁的自重大，有利于边跨发挥其锚固跨的作用。 混凝土梁与钢梁的连接点选择在索塔附近，原因是该处梁的弯矩最小，梁的轴力为最大。对混凝土梁与钢梁连接的细节构造而言，传递轴力的构造要比传递弯矩的构造容易处理得多。 1994 年底法国建成的诺曼底大桥是混合梁斜拉桥，主孔跨度为 856m 。 诺曼底大桥主梁截面（单位 m ） 诺曼底大桥主梁截面 （五）斜拉桥三种主梁截面形式的比较 斜拉桥的三种主梁截面，即钢梁、混凝土梁和结合梁，其各自的特点可以通过下表来说明。表中混凝土斜拉桥与钢斜拉桥、结合梁斜拉桥的比较 ( 表中的 A 、 B 、 C 、 D 表示优劣等级 ) 。 项目 钢斜拉桥 结合梁斜拉桥 混凝土斜拉桥 性能要求 预制拼装 就地浇注 恒 载 A B C C 减轻桥梁自重 质 量 C B A A 空气动力质量 材料阻尼 C B A A 改善空气动力 徐变 A B C D 尺寸线形的稳定性 收缩 A B C D 尺寸线形的稳定性 耐久性 C B A A 最佳耐久性 改造的难易 A B C C 易于改造 施工的难易 B A C D 易于施工 路面造价 B A A A 降低路面的造价 斜索的连结 C B A A 连结的难易 斜索疲劳 C B A A 降低活载恒载比值 基本造价 C A B B 与跨度及地区有关 四、斜 索 （一）斜索的构造 在近代大跨度斜拉桥中，斜索的构造基本上分为整体安装的斜索和分散安装的斜索两大类。前者的代表为平行钢丝索和冷铸锚，后者的代表为平行钢绞线索和夹片锚。 1. 平行钢丝索和冷铸锚 平行钢丝索的截面组成和冷铸锚如图所示： 平行纲丝索和冷铸锚的斜索，整体在工厂制造。平行钢丝索由 φ5mm 或 φ7mm 高强度镀锌钢丝 ( 抗拉强度 σb ＝ 1600MPa 左右 ) 组成，一般排列成六角形。 平行钢丝索和冷铸锚，以其性能可靠 ( 承载能力、疲劳强度和防腐措施 ) 从 70 年代在欧洲和日本始用起至今已被广泛使用。 由于运输需求，钢索必须盘绕在圆筒上，为避免索的钢丝产生过高的弯曲应力和外包 PE 套被撕裂，一般规定圆筒直径不小于索径的 20-25 倍。 2. 平行钢绞线索和夹片锚 平行钢绞线索截面组成和夹片锚如图所示。将平行纲丝索中的钢丝换成等截面的钢绞线即成为平行纲绞线索。 平行钢绞线索和夹片锚 对平行钢绞线索和夹片锚体系，需要注意的问题是： (1) 夹片锚的疲劳强度； (2) 夹片和锚孔之间的圆锥度配合要精确，否则咬合力将集中在夹片小端形成“切口效应”，成为疲劳破坏之源； (3) 对夹片应设置防松脱装置，否则在较小索力 ( 小于 0.25 ) 下受振动荷载时，夹片可因咬合力不足而松脱导致事故； (4) 钢绞线进入锚管内有两处转折，一在钢绞线散开的约束圈处；二在钢绞线进入锚孔处。在第二个转折处，亦为拉索的锚固点，存在着固端挠矩。由于轴向索应力和挠曲应力的叠加，该处产生最大的应力幅。为分散应力幅，需在锚管内加设一“支承圈”。 （二）斜索的锚固 1. 斜索在主梁上的锚固 斜索在主梁上的锚固，可以分为“吊拉”和“承托”两种形式。在工字形主梁上，大都采用“吊拉”型式，如下图所示： 在混凝土主梁上，都采用“承托”型式，如下图所示： 斜索在混凝土主梁上的锚固 2. 斜索在索塔上的锚固 (1) 斜索在实体塔柱上的交错锚固，如图所示： (2) 斜索在空心塔柱上的非交错锚固，如下图所示： 空心塔柱非交错锚固（兰州小西湖桥） (3) 采用钢锚固梁锚固，如图所示苏通大桥的钢锚箱结构图： （三）斜索防腐 斜索防腐是斜拉桥设计的重要课题。 在现代斜拉桥所广泛采用的两种斜索 — 平行钢丝索和冷铸锚、平行钢绞线索和夹片锚中，斜索防腐的典型措施是这样的： 平行钢丝索和冷铸锚镀锌钢丝为挤高密度 PE 套所防护，裸索埋于冷铸锚的环氧树脂混合料中。钢丝受到镀锌层和高性能 PE 套的保护。 平行钢绞线索和夹片锚 镀锌钢绞线涂以油 ( 或蜡 ) 层后，用双层 PE 套防护并将整索平行钢绞线索和夹片锚 镀锌钢绞线涂以油 ( 或蜡 ) 层后，用双层 PE 套防护并将整索。 弯于 PE 套内，套内灌以水泥砂浆或其他有机防腐剂，裸索埋于钢套的防腐油脂中。钢绞线受到镀锌层、油层、 PE 层和 PE 套管的 4 层保护。 环氧全涂装无粘结筋（一根钢绞线） 国际预应力学会 (FIP) 有关体外索的防护措施建议 预应力钢材 管 道 腐蚀防护 锚具部压浆管 分离器及鞍座 a. 普通钢丝与钢绞线 b ．镀锌钢丝与钢绞线 c ．涂油、涂蜡或其他软防护和涂塑单根钢绞线 d ．环氧护面钢丝钢绞线和钢筋 钢管或波绞铁皮管 聚乙烯或聚丙烯管 用金属套管加劲的塑料管 水泥浆 油脂或与水泥浆组合 环氧沥青 蜡 沥青产品 聚氨酯水泥浆 a ．钢管或高密度聚以乙烯 钢管或高密度聚乙烯或两者组合 钢、铸铁或预制混凝土制成的梳形板 带有塑性垫块及滑动部件的鞍座 五、索 塔 斜拉桥的柔细感与直线感虽基本上来自于梁体与斜索。但索塔的形状对全桥的景观也至关重要，它在美学上几乎起决定性的作用。因此，必照非常慎重地选择索塔的形状，精心确定出优美的尺寸比例。具体的做法可借助于制作模型来进行比较，然后决定取舍并进行局部优化。 （一）索塔构件组成 组成索塔的主要构件是塔柱，另外还有塔柱之间的横梁或其他连结构件 。 索塔的构件 钢索塔横梁截面（南京三桥） （二）钢塔 索塔采用钢结构的实例以日本最多。钢塔柱的构造尺寸由塔柱的总高度 ( 从基础承台顶面主塔顶 )H 决定。在双柱索塔中，塔柱的横向最小尺寸 D 与塔高 H 的比例关系，一般为 H/D ＝ 35-45 ；如为单柱索塔，则塔柱 H/D 约为 20 左右。 钢塔塔柱截面 （三）混凝土塔 斜拉桥的混凝土索塔可分为实体塔柱与空心塔柱两类，但不论何类其截面基本上都采用矩形，并且一般是长边 L 为顺桥向，短边 B 为横桥向 。 矩形混凝土塔柱截面 非矩形混凝土塔柱截面 南京二桥（南汊）索塔结构示意图