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悬索桥悬索桥的构造与设计悬索桥的实例介绍主要内容•悬索桥的组成•悬索桥的形式•悬索桥的各部分构造•悬索桥的设计第一部分悬索桥的构造与设计一、悬索桥的组成组成：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；通过塔顶索鞍悬挂在主塔上并锚固于两端锚固体中的柔性承重构件。主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件；支承主缆的重要构件。加劲梁是悬索桥承受风荷载和其它横向水平力的主要构件，提供桥面和防止桥面发生过大的挠曲变形和扭曲变形，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。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地锚式与自锚式悬索桥地锚式：主缆拉力依靠锚固体传递给地基。自锚式：主缆拉力水平分力直接传递给加劲梁（轴向压力）承受；竖直分力（较小）由端支点承受。适宜：跨度不大、软土地基、城市桥等。双链式悬索桥（小跨度悬索桥）双链式悬索桥的恒载及均布活载由上下链平均负担，非均布活载以及半跨活载时结构的受力及变形特性较好，分散构件受力可减小构件截面尺寸和单件重量；缺点：构件增多分散，安装及养护维修不利。二、悬索桥的形式地锚式悬索桥的孔跨布置形式(力学体系)单跨：适于边跨建筑高度小、曲线边跨。由于边跨主缆的垂度较小对荷载变形有利，架设主缆时索鞍预偏量较大；梁端用吊杆或者摆柱作支撑的悬浮体系，纵向位移不受限制。1385米江阴大桥。三跨：最常见。两跨：（单边跨）一岸建筑高度小和曲线边跨时。1377米青马大桥。多跨：因中间桥塔和两边桥塔的塔高不同导致主缆垂度偏大，悬索桥整体刚度降低，非均布活载下塔顶变位及加劲梁挠曲变形和弯矩较大；固有振动频率降低。故中塔必须加大刚度（4柱立体桥塔）或者减小主缆垂跨比。悬索桥的形式（续）单塔悬索桥效果图单塔悬索桥直布罗陀跨海大桥空间主缆悬索桥南备赞悬索桥刚性缆索体系悬索桥三、悬索桥的构造主缆•材料有效拉应力大；拉伸延伸率小；弹模大；截面密度大；疲劳强度高、徐变小；成缆锚固及防锈容易；价廉物美。•类型钢丝绳主缆：钢绞线绳、螺旋钢丝绳、封闭式钢绞线索等，适于600米以下；平行丝股主缆：采用空中绕线法——AS法或者预制丝股法——PS法），适于400米以上，是现代悬索桥主缆的主流结构类型。大跨多采用耐疲劳的高强钢丝，因为钢绞线虽然施工方便，但弹模较低使结构变形增大，截面形状不易按照设计形状压紧，防腐较难，适于中小跨度。•结构形式双面平行主缆（绝大多数）；单面主缆；空间主缆；复式主缆（双链吊桥：朝阳大桥）。•截面形状（六角形）尖顶形：将钢丝索故在竖向排列，列间插放隔片有助于通风和保持真圆度较高的截面形状，截面温度均匀。主缆施工之初的钢丝定位较难。平顶形：下层的钢丝索股会受到较大的挤压力，截面水平直径较竖向直径大。方阵式：竖横双向均利于插放隔片，钢丝束股数目较为灵活，紧缆机操作时也较容易形成圆形截面。悬索桥的构造——主缆方阵式主缆断面施工中的主缆断面主缆编制方法AS法：通过牵引索作来回走动的编丝轮，每次将两根钢丝从一端拉到另一端，待钢丝达到一定数量后（可达400～500根）编扎成一根索股。钢束股数较少，便于集中锚固，起吊设备轻便；架设主缆时抗风较弱所需劳动力也较多。PS法：避免了钢丝编成钢丝束股的作业从而加快主缆的施工进度，但要求大吨位的起重运输设备和拽拉设备来搬运钢丝束股。目前多采用61、91、127Φ5左右钢丝，最重可达40吨。悬索桥的构造——主缆AS法示意图主缆断面AS法示意图主缆的防护（不可更换的主要受力构件，必须防腐）锈蚀原因：架设期间水份进入；防护完成后因主缆线形变化、温度变化引起伸缩而导致粗糙表面的油漆开裂和索夹上受损的密封部位开裂，水的渗入导致主缆湿度高而锈蚀。防护方法：施工期间镀锌钢丝外涂底漆或者树脂类，然后手工满刮腻子，再缠绕钢丝（退火镀锌Φ4钢丝），最后作外涂装。改良措施：以S形截面的缠绕钢丝代替圆端面钢丝，使主缆表面光滑、丝丝相扣，油漆不易开裂、水不能渗入。开空气导入法：将除湿机产生的干燥空气用管道输送，通过入口索夹输入主缆，经出口索夹排出主缆（出入口索夹间距140米左右），一般可维持相对湿度在40％以下。悬索桥的构造——主缆悬索桥各部分构造——吊索（吊杆）吊索布置形式：竖直；倾斜（提高整体振动时的结构阻尼值）。材料：刚性吊杆（少量小跨：圆钢或钢管）；柔性吊索：钢丝绳或者平行钢丝索（多采用）。•钢丝绳索绳心式：以一股钢丝绳为中央形心，外围用钢丝束股围绕扭绞而成。股心式：7股钢丝束股扭绞而成，中央一股为股心。注意：钢丝束股的扭绞方向与其间钢丝的扭转方向相反。•平行钢丝索（PWS）：多根Φ5～7镀锌钢丝外加PE套管。索夹作用：刚性索夹与柔而松的主缆索体间的连接为不稳定连接。依靠摩擦力来保证主缆在受拉产生收缩变形时也不致滑动。构造：六边形（中小跨）：少用；圆形：一对铸钢半圆构件以高强螺栓相连接，依靠高强螺栓拧紧后的拉力来提供足够索夹固定位置的摩擦阻力，两半圆构件之间留有一定空隙，以保证螺栓拉力，空隙内填防腐料；索夹半圆内表面加工后不能磨光。骑跨式：索夹上半部有4各凸肋形成两条凹槽；销铰式：下侧半索夹下带有耳式吊板供销铰连接用。悬索桥各部分构造——索夹悬索桥各部分构造——索夹吊索与索夹的联结方式（钢丝绳）•4股骑跨式：两根两端带锚头的钢丝绳索绕跨在索夹顶部的嵌索槽中，锚头与加劲梁连接。不宜用平行钢丝索，索夹分左右两半。•双股销铰式：两根下端带锚头、上端带销铰的钢丝绳索或平行钢丝索，上端利用销铰与索夹下的耳板（吊板）连接，下端用锚头或者同样用销铰与加劲梁连接。索夹分上下两半。悬索桥各部分构造——索夹主缆与索夹的连接方式吊索与主缆连接4股骑跨式吊索与主缆连接双股销铰式索箍索夹图为香港青马桥图为骑跨式吊索与主缆（索夹）以及与加劲梁之间的连接桥塔材料：圬工（古老、小跨简易）；钢筋砼（框架式；实心矩形或者箱形）最高155米；钢（框架式、桁架式；箱形、多格箱形、H形）。桥塔纵向结构形式：•摇柱塔（摆动式）：单柱塔下设铰、塔顶索鞍固定于塔，适于小跨。•柔性塔：一般为下端固定式，塔顶水平变位量相对较大，适于大跨。•刚性塔：塔顶水平变位量相对较小，单柱或者A形，多用于多跨悬索桥的中间塔柱，纵向刚度较大，塔顶位移小从而减小加劲梁内的应力。悬索桥各部分构造——塔悬索桥各部分构造——塔桥塔横向结构形式：•刚构式（框架式）：单层或者多层门架，明快简洁。•桁架式：若干组交叉的斜杆与水平横梁组成桁架，施工时稍显困难。•混合式：仅在桥面以下设置交叉斜杆以改善受力和经济性能。塔柱横向可竖直或者稍带倾斜（斜柱式）或转折点（折柱式），后两者稳定性能好且较为经济。现代认为钢筋砼刚构式桥塔是悬索桥的桥塔最佳选择。虎门大桥主塔乔治华盛顿桥Panay-Guimaras锚碇（用于地锚式悬索桥）基本组成：主缆的锚碇架及固定装置、锚块、锚块基础。基本分类：重力式锚碇、隧道式锚碇、岩锚。重力式锚碇：依靠锚块自重来抵抗主缆的竖直分力，水平分力则由锚碇与地基之间的摩阻力（包括侧壁的）或者嵌固阻力来抵抗。•前锚式：主缆采用PS法施工时的缆索锚固方式，支承（定位）钢构架与传力钢构架的结合。•后锚式：主缆采用AS法施工时的缆索锚固方式，铸钢索靴与眼杆的结合。•现代预应力锚拉工艺：近期已经陆续取代前两者。悬索桥各部分构造——锚碇悬索桥各部分构造——锚碇隧道式锚碇（岩洞式）：主缆散开后各索股通过岩洞中的混凝土锚块内埋设的锚梁与拉杆的伸出端连接，并利用预应力工艺调整松紧。岩锚（岩孔锚）：各索股先分散在各个岩孔内（每股一个孔），最后再进入锚固室。主缆经散索鞍转向并在散索室分散后，每根钢丝索锚拉在钢杆上，钢杆再锚拉在浇注在传力块体内的锚板上，各钢杆与插放在各钻孔内的后张力筋连接，力筋最后在锚固室内张拉后防腐。重力式锚碇（采用较多）隧道式锚碇•重力式锚碇用于持力层位于地表以下20～50米较合理；过深可以采用深基础：沉箱、沉井、桩、管柱等。•隧道式锚碇用于基岩外露处，主缆各索股集中在一个岩洞内锚固。•挪威研究的新型锚碇，例如“瑞典高海岸大桥”，构造简单而经济。重力式锚碇外观图•图a）为现代预应力锚固系统（前锚式）•图b）为一般后锚式锚固系统青马大桥锚碇索靴特殊锚碇多跨悬索桥的共用锚墩三角形空腹构架式重力锚平板式重力锚软土层中的深基础重力锚悬索桥各部分构造——锚碇三角形空腹构架式重力锚丹麦大海带桥悬索桥各部分构造——加劲梁结构形式：•钢板梁•钢桁梁•钢箱梁•砼箱（板）梁比较项目加劲梁形式钢桁梁钢箱梁砼箱梁抗风性能涡流激振最不易发生易发生不易发生自激振动可能性大可能性小静态阻力系数大小小风致变形大小小结构刚度小大结构梁高高低低用钢量最大低最低桥面系一般与主梁分离一般与主梁结合为整体为主梁的一部分制造制造杆件多，节点结构复杂，标准化大量生产困难箱梁由板构件组成，标准化大量生产容易工厂预制节段，标准化生产容易施工架设单根杆件平面构件立体节段多样化节段法架设或与现浇节段并用预制节段法养护养护维修油漆养护难油漆养护方便一般无需养护桥面菲结合型损伤时易与主梁结合损伤难维修损伤时易维修钢板梁的横截面悬索桥各部分构造——加劲梁钢桁架的横截面：双层公路桥面钢桁架梁公铁两用的双层桥面钢桁架梁单层桥面钢桁架梁流线型闭合式桁架箱梁——香港青马大桥钢桁架加劲梁的特点：通透梁体，抗风稳定性好；空间桁架结构，抗扭刚度较大；不易产生颤振、抖振和涡激共振。悬索桥各部分构造——加劲梁一般桁架加劲梁横截面在两片主桁架的外围，沿着桥梁纵向每隔4.5米加设一道包括上下桥面系横梁、两侧尖端形导风角与中间两根立柱等构件组成的六边形横向主框架，在导风角部分用1.5毫米后的不锈钢板围封。这样连同上下横梁部分的正交异性钢桥面板，组成一个类似与钢箱梁的封闭性截面。上层桥面的中央3.5米宽度部分和下层桥面的铁道桥面系部分均以交叉的斜杆代替正交异性板，整个截面中央部分形成一条纵向的上下通风道，对抗风极为有利。闭合式钢桁梁横截面香港青马大桥汲水门大桥（斜拉桥）钢箱梁的特点采用正交异性钢桥面板和带加劲肋的薄钢板组成，能充分发挥薄钢板比厚钢板力学性能好的优点，利于焊接，同时，正交异性板具有很高的承载力，截面设计更为经济合理。为提高梁体抗失稳能力，纵向每隔一定间距设置框架横联或横向联结系，相邻两横联之间可加设横向加劲肋，支座处横联更应加强；为保证翼缘板及腹板屈曲稳定，受压区架设纵向加劲肋(多为闭口纵肋：抗扭刚度大；屈曲稳定好；外侧贴角焊缝长度减少一半)，连续贯通的纵肋可作为翼缘板截面的一部分予以计算。悬索桥各部分构造——加劲梁钢箱梁内部构造钢箱梁的横截面：扁平棱形钢箱梁增设抗风分流板的扁平棱形钢箱梁流线型钢箱梁增设抗风分流板的流线型钢箱梁悬索桥各部分构造——加劲梁1500米以上的悬索桥尽可能采用开槽分离箱，及其它导流稳定措施才能满足要求。加劲梁宽达60.4m，由3个纵向的钢箱、钢箱梁之间的钢桥面板和钢横梁等三部分组成。钢横梁的立面作成倒梯形，中间部分高约5m。横梁间距30m，纵向箱梁净跨径26m。主跨的宽跨比为1/54.6。能够经受高于216Km/h的大风；公路平台能够承受大于140,000辆/天的交通量；双线铁路允许通过列车200辆/天。（3300米方案）钢箱加劲梁横截面Messina海峡大桥青龙大桥布置图箱型加劲梁截面构造中央开槽箱梁混凝土加劲梁的横截面：预应力混凝土箱梁在总用钢量上稍有减少，抗风、变形（刚度）较好，流线型梁体外形美观、养护容易；但总造价偏高，施工架设胶南、工期长，抗震性及适应性较差，吊索及索夹工作量加大。汕头海湾大桥：单箱三室预应力混凝土箱梁预应力混凝土板梁悬索桥各部分构造——加劲梁汕头海湾大桥（452米）砼箱加劲梁横截面加劲梁的桥面构件：钢筋混凝土桥面板钢桥面板桥面板上的铺装层要求：高温稳