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第五章斜拉桥第一节概述一、斜拉桥的组成及受力特点1、组成：斜拉桥又称斜张桥，是一种桥面体系以主梁承受轴向力(密索体系)或承受弯矩(疏索体系)为主，支承体系以拉索受拉和索塔受压为主的桥梁。2、主要特点：跨越能力大具有良好的结构刚度和抗风稳定性依靠斜拉索的应力调整，可以设计得很经济结构轻巧，适应性强利用斜拉索，发挥无支架施工的优越性二、斜拉桥的发展历史1、早期：斜拉桥的雏形远在几百年之前就出现过。老挝和爪哇很早就有原始的竹制斜拉桥，早期斜吊在树上，后来发展为斜吊在竹柱上。古埃及的海船上也出现过用绳索斜拉的工作天桥等等，这些结构中所具有的斜拉桥特征已明晰可见。1617年，威尼斯建筑大师福斯图斯·费尔安蒂翁斯(Franstus·Verantius)在达尔玛提亚出版的一部著作中发现了第一座用斜拉索吊拉的桥梁，近似于悬索桥和斜拉桥的混合结构。1784年Loscher在德国设计过一座木斜拉桥。1817年在英国出现的King’sMeadow桥和Dryburgh桥都初具斜拉桥的形式。但Dryburgh桥仍以悬索桥为主，其斜索仅起辅助作用。1868年在捷克希拉格出现的FranzJoseph桥也是混合结构。1873年，英国泰晤士河上修建了艾尔伯特(Albert)桥，似乎已过渡到以斜拉为主的形式。法国1907年的Cassagne桥与1925年的Lezardrieux桥虽都有近代斜拉桥的形式，但前者有短竖索，后者则斜索有交错。1926年，由西班牙工程师托罗加(Tottojr)设计，修建于西班牙古尔达勒特(Guadalete)河上的第一座钢筋混凝土斜拉结构腾普尔(Tempul)渡槽，是引人注目的结构物，它的中孔为57.3米，设有两个铰结构。在以上近三百年时间里，斜拉桥经历了—个由缆索悬吊体系到悬吊—斜拉混合体系再到单纯斜拉自锚体系的发展过程。这个时期斜拉桥发展非常缓慢，主要因当时没有高强材料，斜拉索易于松弛，对复杂的超静定结构缺乏计算分析手段，往往这类结构建成不久就因整个体系松弛，造成很大变形和破坏，导致事故的发生。如1824年修建的跨越萨勒河的斜拉链条桥，在1825年由于一次火炬游行而致垮塌，造成50人丧生的悲剧。还有l9世纪20年代，纳维叶(Navier)作了斜拉结构破坏原因的分析并得出结论，其结论之一就是吊桥优于斜拉桥。这些都对斜拉桥的发展起了阻碍作用，在以后的一段时间，斜拉桥的修建很少，它的发展基本上处于停滞状态。2、近代：第二次世界大战以后，由于钢材的短缺，促使人们对桥型做重新的思考和研究。德国人狄辛格尔(F·Dischinger)首先认识到了斜拉桥结构体系的优越性，并大力加以提倡。他在1949年，发表了对斜拉桥结构研究的成果，指出对斜拉索必须施加足够的应力来消除长索自重垂度带来的柔度影响，借以使梁体的变形保持在较低的水平上。1955年他设计并建成了世界上第一座现代化的斜拉桥—瑞典斯特姆特(Stromsund)钢斜拉桥，从此开始了现代斜拉桥的发展历史。时隔不久，在德国又建造了两座大跨度的钢斜拉桥，它们是杜塞尔多夫(Dusseldorf)北桥(1957)和科隆的塞维林(Severin)桥(1959，主跨302m)，巩固了现代斜拉桥的地位。值得一提的是，这两座桥的主梁是使用了正交异性钢桥面板的钢箱梁，后者还是世界上第一座非对称式钢斜拉桥。1957年第一座混凝土斜拉桥出现了，但跨径仅为17.53米+51.9米+17.53米，它可以看作是5年后建成的马拉开波(Maracaibo)桥的试验桥，以此为起点，揭开了混凝土斜拉桥建设的序幕。1962年在委内瑞拉建成的马拉开波(Maracaibo)桥是一座大型的桥梁，全长8.85公里，其中混凝土斜拉桥部分为160米+5x236米+160米。马拉开波桥(Maracaibobridge)位于南美洲国家委内瑞拉的第二大海港城市马拉开波市，是世界上第一座公路预应力混凝土斜拉桥。该桥为六塔双索面稀索体系双箱单室预应力混凝土箱梁斜拉桥，24组拉索从塔顶拉向桥面，桥塔纵向为A形，横向为门字形，下塔柱另有X形墩向上支撑桥面。马拉开波桥主桥共有5孔，跨径235米，宽17.4米，塔高86.6米，梁高5.4米，全桥长8.7公里，由意大利结构专家工程师莫兰第于1957年设计，1958年动工，1962年建成通车。1962年法国东兹尔(Donzere)PC斜拉桥，主跨度81m，桥长160m。1963年前苏联基辅的第聂伯尔(DneprBridge)斜拉桥，主跨144m，桥长474.14m。进入20世纪70年代后，预应力混凝土斜拉桥大量兴起，如1977年法国建成的普鲁东(BrotonneBridge)桥，主跨320m，桥长1278m。到了90年代，斜拉桥的跨度不断被创新，如挪威的斯卡恩圣特(Skamsundet)桥、日本的名港东、名港中央和名港西大桥、法国的诺谩底桥、日本的多多罗大桥，等等。3、我国斜拉桥的发展：1975、1976年分别建成76m、56m的两座混凝土斜拉桥（四川云阳汤溪河桥，上海新五桥）1981年第一座铁路斜拉桥：湘桂线红水河斜拉桥1987年第一座钢斜拉桥：288m的山东东营黄河桥1993年，杨浦大桥602米，世界纪录1998年第一座部分斜拉桥—漳州战备大桥2005年第一座钢塔斜拉桥南京长江三桥648m2008年，苏通大桥通车1088米，世界纪录三、斜拉桥的现状据国内学者的统计，世界各国现在已建成的各类斜拉桥大约300多座。快速发展的原因：计算机技术的飞速发展、超静定结构分析理论的不断完善、正交异性板的设计计算及制造技术的日趋成熟、预应力混凝土的兴起和发展、高强度缆索材料制造工艺的发展、防腐能力的提高、锚固方式以及高疲劳性能锚具的研究和开发、模型试验技术水平及试验能力的提高、以及以悬臂架设方法为主的施工技术的开发和完善等方面的原因。目前，密索斜拉桥已取代稀索斜拉桥，对于主梁来说，混凝土斜拉桥多采用双边主梁的形式，钢斜拉桥多采用流线型扁平箱梁；主塔大都采用混凝土结构，大跨度的桥塔多采用倒“Y”型或钻石型；种类趋于多样化，出现了被严国敏先生称为花色斜拉桥的结构型式。另外也出现了复合材料用于斜拉桥的修建。斜拉桥种类多种多样、丰富多彩。以加劲梁材料分有：钢斜拉桥、PC斜拉桥、结合梁斜拉桥和混合梁斜拉桥；以荷载类型分有：公路斜拉桥、铁路斜拉桥和公铁两用斜拉桥。加劲梁为钢的斜拉桥—般采用箱形断面，由于质量轻，施工节段长，跨越能力大，因此在斜拉桥发展的早期得到了广泛地应用，特别是在日本。PC斜拉桥的经济性好，自20世纪70年代以来发展迅速，我国也一直以修建PC斜拉桥为主。结合梁斜拉桥与PC斜拉桥相比，恒载较轻，安装节段长；与钢斜拉桥相比，刚度较大，可采用轻型而方便的开口截面，且抗风稳定性较好。分析结果表明，现有拉索的强度、拉索弹性模量降低引起的主梁挠度和弯矩以及结构的颤振临界风速等都不是斜拉桥跨径发展的障碍，对斜拉桥跨径发展的最大制约因素是斜拉索水平分力引起的主梁轴向力和斜拉索刚度。为减小主梁的轴向力，同时防止边跨支座出现过大的负反力，需加大边跨的重量和刚度，即采用混合梁斜拉桥：边跨为混凝土梁、中跨为钢梁或结合梁的斜拉桥。诺曼底桥和多多罗桥均为混合梁斜拉桥，混合梁斜拉桥是超大跨径斜拉桥的发展方向。现在主跨648m的南京长江三桥已成为跨度最大的钢斜拉桥；苏通长江大桥已创下新的混合梁斜拉桥世界纪录。由于铁路桥梁的荷载大，刚度要求高，斜拉桥用于铁路的实例不是很多。第二节斜拉桥的总体布置一、孔跨布置包括双塔三跨式、独塔双跨式及多塔多跨式等。1、双塔三跨式：主跨和边跨跨径之比应考虑全桥的刚度、拉索的疲劳强度、锚固墩承载能力等多种因素。常控制在2.0-3.0之间。端锚索索力最大，对控制塔顶变位起重大作用。边孔辅助墩：在边孔设置辅助墩，可以改善结构的受力状态，增加施工期的安全。边孔设一个辅助墩后，塔顶水平位移、主梁跨中挠度、塔根弯矩和边跨主梁弯矩都大大减少，一般约为原来的40％-65％，边孔加两个辅助墩，上述这些内力和位移虽然继续降低，但变化幅度不大；加三个辅助墩后，则上述内力和位移不再有明显变化。2、独塔两跨式：通常不等跨布置，主跨和边跨长度之比常在1.2～2.0之间。3、多塔多跨式：二、斜拉索的布置1、空间布置形式单索面、双索面（竖直双索面、倾斜双索面）2、立面布置形式辐射式、竖琴式、扇式3、拉索间距早期：稀索，主梁基本是弹性支承的连续梁。混凝土达15m~30m，钢斜拉桥达30m~50m现代：密索，主梁承受较大轴力，又是受弯构件。混凝土达4m~12m，钢斜拉桥达8m~24m4、拉索倾角(边索)辐射式或扇式：26o~30o竖琴式:21o~30o三、主梁的结构体系及布置1、主梁布置连续体系、非连续梁体系连续体系非连续体系2、结构体系按梁体与塔墩的连接分：漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系、刚构体系按拉索的锚拉体系分类：自锚式斜拉桥、地锚式斜拉桥、部分地锚式斜拉桥四、塔索的布置1、顺桥向布置：2、横桥向布置：3、索塔高度：双塔：H/l2=0.18~0.25单塔：H/l2=0.34~0.45