斜拉桥

斜拉桥stayed-cablebridge环境与土木工程学院土木八班-李晓雪目录1.1概述1.2总体布置1.3斜拉桥的构造1.4斜拉桥的计算1.5斜拉桥的施工1.6实例1.1概述斜拉桥是将斜拉索两端分别锚固在塔和梁上，形成主梁、索塔、和斜拉索共同承载的结构体系。其中，主梁和索塔以受压为主，斜拉索受拉。索塔大都采用混凝土结构，主梁一般采用混凝土结构、钢-混凝土组合结构或钢结构，斜拉索则采用高强材料（高强钢丝或钢绞线）制成。99098765索塔索塔主梁未张拉的拉索斜拉桥中荷载传递路径是：斜拉索的两端分别锚固在主梁和索塔上，将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传至地基。图(a)表示三跨连续梁及其典型的恒载弯矩图，而图(b)为三跨斜拉桥及其恒载内力图。从图中可以看出，由于斜拉索的支承作用，使主梁恒载弯矩显著减小。此外，斜拉索轴力产生的水平分力对主梁施加了预压力，从而可以增强主梁的抗裂性能．节约主梁中预应力钢材的用量1.1概述斜拉桥属于高次超静定结构，包含较多的设计变量，桥型方案和寻求合理设计较为困难。现代斜拉桥的发展：第一阶段：稀索布置，主梁较高，主梁以受弯为主，拉索更换不方便；第二阶段：中密索布置，主梁较矮，主梁承受较大轴力和弯矩；第三阶段：密索布置，主梁更矮，并广泛采用梁板式开口断面。稀索布置密索布置密索布置：日本，1999年5月1日建成通车,其主跨长达890米,主梁为P.C.与钢箱梁混合结构1.2总体布置目录1.2.1跨距布置与分孔1.2.2索塔布置1.2.3拉索布置1.2.4主梁布置1.2.1跨距布置与分孔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，斜拉桥跨径在300—1000m之间是较为合适的。常见的布置形式有：独塔双跨式、双塔三跨式、多塔多跨式1.2.1跨距布置与分孔1、独塔双跨式斜拉桥独塔双跨式斜拉桥是较为常见的布置方式，其主孔跨径较小，适用于跨越中小河流与城市通道，如图19.1所示。独塔双跨式斜拉桥2、双塔三跨式斜拉桥双塔三跨式是斜拉桥最基本的布置方式，其主孔跨径大，适用于跨越较大的河流，如图19.2所示双塔三跨式斜拉桥1.2.1跨距布置与分孔3、多塔多跨式斜拉桥多塔多跨斜拉桥是另一种布置方式，它具有十分广阔的应用前景，如图19.3所示。由于多塔多跨式斜拉桥中间塔塔顶没有端锚索来有效地限制它的变位，因此，已经是柔性结构的斜拉桥采用多塔多跨式将使结构柔性进一步增大，可能导致变形过大。多塔多跨式斜拉桥1.2.2索塔布置索塔设计必须适合于拉索的布置，传力应简单明确，在恒载作用下，索塔应尽可能处于轴心受压状态。所塔的布置形式有可从纵向和横向两方面考虑1.2.2索塔布置纵向布置形式从顺桥向，索塔的布置形式主要有单柱式、倒Y型、A字型等几种，如图19．4所示。单柱式主塔构造相对较为简单，而A字型与倒Y型在顺桥向刚度大，能有效抵抗较大的负弯矩，有利于承受索塔两侧斜拉索的不平衡拉力A字型1.2.2索塔布置横向布置形式从横桥向，索塔的布置方式主要有柱型(单或双)、门型或H型、A型、倒Y型及菱型等，如图19．5所示。柱型塔构造简单，但承受横向水平力的能力低。较单柱型而言，门型塔抵抗横向水平荷载的能力较强。A型和倒Y型主塔具有较大的横向刚度，但其构造及受力复杂，施工难度较大。1.2.2索塔布置塔的高跨比拉索与主塔对整个斜拉桥结构的刚度、经济性都存在影响，一般塔高与中跨之比H／L中≈1／4--1／7比较合适，同时这也是最恰当的景观角度。另外，要保证足够的梁下空间，以使得梁下的净空与塔柱、主跨维持一种平衡的美感，避免不协调的状况发生。具体计算时考虑索对梁的支承刚度分两种情况：1）普通索；2）端锚索1.2.2索塔布置普通索拉索锚点处荷载P作用下，主梁下挠量：32tansincos3PbPbEAEI2sincos值最大，拉索的支承刚度最大，α为55°最大；tanα越小，塔的支承刚度越大。1.2.2索塔布置端锚索中跨布载时，水平力F作用下，塔顶水平位移为：2sincosFHEAα为35°时，Δ最小，端锚索提供的支承刚度最大综合考虑索和塔的共同影响，对于每座斜拉桥存在一个最佳高度H，使得索和塔对主梁的支承刚度达到最大。1.2.3拉索布置1、索面布置索面布置主要有单索面、平行双索面、空间斜向双索面等类型，如图19．6所示。1.2.3拉索布置平行双索面类型对主梁截面抗扭有利，主梁可采用较小抗扭刚度的截面并且具有较好的抗风稳定性，斜向双索面对桥面梁体抵抗风力扭振十分有利，尤其适合于特大跨径的桥梁，倾斜的双索面应采用倒Y型、A型或双子型索塔。若跨径过小，考虑视野问题，不宜采用。单索面类型兼具美学与结构的优势，但拉索不起抗扭的作用，主梁要采用抗扭刚度较大的截面。这种体系不适合太宽的桥1.2.3拉索布置2、拉索立面布置索面形状主要有（a）辐射形、（b）竖琴形和（c）扇形三种类型竖琴形1.2.3拉索布置辐射形布置的斜拉索沿主梁为均匀分布，而在索塔上则集中于塔顶一点。斜拉索的垂直分力对主梁的支承效果大，塔顶上的锚固点构造复杂。竖琴形布置的斜拉索成平行排列，外形美观，相较于辐射形拉索与主梁的夹角较小，提供的竖向支承力小，拉索的用钢量大。扇形布置的斜拉索相互不平行，它结合了上面两种布置方式的优点，且克服了二者的缺点，是一种较理想的索形，设计中被广泛应用。1.2.3拉索布置3、索距的布置斜拉桥的索距为斜拉索在主梁上锚固点之间的间距。索距布置分为“稀索”和“密索”两种形式，现代斜拉桥多采用“密索”形式。密索有如下优点：（1）索距小，主梁弯矩小；（2）索力较小，锚固构造简单；（3）锚固点附近应力流变化小，补强范围小；（4）利于悬臂架设；（5)易于换索1.2.4主梁布置主梁是斜拉桥直接承受荷载的重要构件，由于密索体系的发展使主梁变得更为轻薄纤细。主梁纵断面线型通常采用水平直线，对于桥跨较大或需要保证桥下净空时，也可采用纵向竖曲线，这样可以避免跨径较大造成拉索的下垂感，从而影响整个桥型的美观，并保持极强的跨越感。1.3斜拉桥的构造斜拉桥的构造主要从三个方面考虑：1）主梁的构造（截面形式，梁高）、2）主塔的构造（组成，截面形式，锚固方式）、3）拉索的构造（锚具与类型，锚固与减震方式）1.3.1主梁的构造主梁的作用有三个方面：1、将恒、活载分散传给拉索。梁的刚度越小，则承担的弯矩越小；2、与拉索及索塔一起成为整个桥梁的一部分，主梁承受的力主要是拉索的水平分力所形成的轴压力，因而需有足够的刚度防止压屈；3、抵抗横向风载和地震荷载，并把这些力传给下部结构斜拉桥的主梁截面形式有:梁式、板式、肋板式、箱形、半封闭形截面等。1、板式板式截面的主梁一般适用于双面密索体系的混凝土窄桥，尤其是对于斜索锚固在实体边主梁的情况。其具有构造简单，建筑高度小，抗风性能好，施工方便的优点，如图19．8所示。当板厚较大时，可采用空心板式断面。荆州长江公路大桥主梁2、箱型截面混凝土箱形截面主梁，是现代斜拉桥中经常采用的截面形式，它具有良好的抗弯与抗扭刚度，能适应稀索、密索、单索面、双索面等不同的布置情况。主要有分离式单室双箱截面、半封闭式箱形截面、封闭式箱形截面、三角形箱形截面，分别如图abcd所示分离式单室双箱截面分离式的两个箱体各自锚固于拉索，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。施工较为方便，但全截面的抗扭刚度较差。1.5%1.5%1%1%17511501150拉索1752650300武汉长江二桥双箱形主梁半封闭式箱形截面其两侧为三角形封闭箱，端部加厚以便锚固拉索，外缘做成风嘴状，以减少迎风阻力。由于中间无底板，自重变得较轻，其适用于双索面斜拉桥。美国P—K桥三角形双箱梁封闭式箱形截面其箱梁中心对准斜拉索平面，两个箱梁用于承重和锚固拉索，箱梁顶设置桥面系。具有较好的抗弯和抗扭刚度，既可用于单索面的斜拉桥，也可用于双索面的斜拉桥。三角形箱形截面种形式对于抗风最有利。既适用于单索面的斜拉桥，也适用于双索面的斜拉桥。13000700025001502302150挪威Skarnsunddet桥主梁梁高的确定混凝土斜拉桥的截面尺寸直接影响结构的抗弯和抗扭刚度，同时，其梁高对截面的内力的影响也极大，并与拉索间距大小直接相关。主梁的高跨比：稀索：1／40—1／70密索：1／70—1／200双索面：1/100—1/150单索面：1/50—1/100高宽比不宜小于1/10。（若高宽比过小其抗扭性能不能保证）1.3.2主塔的构造1、塔的组成主塔主要由两部分组成：塔柱和塔柱间的横梁或其他构造。塔柱间的横梁或其他连接构件，如图19．10所示。塔柱之间的横梁分为承重梁与非承重梁两种，前者为设置于主梁支座的受弯横梁及塔柱转折处的压杆(或拉杆)横梁，后者为塔顶横梁和塔柱无转折的中问横梁。塔柱是索塔的重要构件。塔柱根据其适用情况可分外单塔柱和双塔柱。单塔柱用于单索面斜拉桥，主梁截面采用箱型，当塔柱断面不大时，可以采用圆形、矩形等。索塔构件组成1.3.2主塔的构造2、主塔的截面形式凝土塔的截面形式主要如下：实心体截面、H形截面和箱形截面形式等等倒角或圆角利于抗风。H形截面对抗风最为不利1.3.2主塔的构造2、索塔的锚固方式对于实心体截面和H形截面形式的索塔而言，由于锚固是对面张拉、交叉进行的，水平力互相抵消，塔内不存在张拉力。对于箱形截面形式的空心索塔而言，采用布置预应力筋与钢横梁的方式来承担拉索较大的水平拉力。预应力筋的布置方式主要有两种如图19．14所示和图19．15所示。钢横梁的方式是采用布置钢横梁来承担拉索的水平拉力，如图19．16所示。1.3.3拉索的构造拉索的构造基本上分为整体安装的拉索和分散安装的拉索两大类。前者的代表为平行钢丝索配冷铸锚，将平行钢丝索中的钢丝换成等截面的钢绞线即成为钢绞线索。后者的代表为平行钢绞线索配夹片锚具。常用的拉索还有封闭式钢缆封闭式钢缆1.3.3拉索的构造1、平行钢丝索配冷铸锚1.3.3拉索的构造2、平行钢绞线索配夹片锚1.3.3拉索的构造2、拉索与混凝土梁的锚固箱内具有加劲斜杆的单索面斜拉桥。双索面分离双箱或单索面整体箱。双索面分离双箱或单索面整体箱。适用于双索面斜拉索1.3.3拉索的构造拉索在索塔上的锚固实体塔交错锚固塔内设钢管钢扁担锚固牛腿只受竖向力钢锚箱锚固预应力空心塔点非交错锚固，设环向预应力筋1.3.3拉索的构造3、拉索的减震减震措施主要由三种：1）阻尼减震法2）气动控制法3）磁流变减震法1.3.3拉索的构造阻尼减震法阻尼减振法是在拉索上设置阻尼支点，阻尼支点可以采用高阻尼黏弹性材料或黏性剪切型阻尼器来实现。内置式阻尼器1.3.3拉索的构造气动控制法气动控制法是将光滑的拉索做成具有螺旋凸纹、条形凸纹、圆形凹点、条纹凹纹等形式，通过提高拉索表面的粗糙度，有效地减小风振的影响。日本多多罗大桥拉索上的圆形凹点1.3.3拉索的构造磁流变减震法磁流变减振法是用磁流变阻尼器取代油阻尼器，来实现斜拉桥的“风雨振”问题。多多罗大桥的制振缆索1.5斜拉桥的计算目录1.5.1斜拉桥计算的主要特点1.5.2斜拉索的垂度效应计算1.5.3索力的初拟和调整1.5.4非线性问题的计算1.5.1斜拉桥计算的主要特点斜拉桥是由塔(压弯)、梁(压弯)、拉索(拉)三种基本构件组成的桥跨结构支承(或固结)在桥墩上的缆索承重结构，是典型的组合结构体系。其计算模型及理论按不同阶段有所不同。分阶段设计概念设计阶段技术设计阶段施工阶段特殊分析恒载索李计算与调整可选用古典结构力学方法或平面杆系模式，采用计人收缩徐变的材料非线性理论，特大跨径斜拉桥亦可考虑按二阶理论进行分析，中等跨径的斜拉桥可选择平面杆系模式及考虑收缩、徐变的材料非线性理论计算恒载作用下的内力;超大跨径时宜采用有限位移理论。荷载、地震荷载、局部温差等空间荷载，若仅关心其静力响应，可选用空间杆模式。拉索锚固区、塔梁固结区、不同材料主梁结合区等的应