斜拉桥与悬索桥

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1、大跨径桥梁建设中的关键技术武 汉 科 技 大 学 城 市 建 设 学 院武 汉 科 技 大 学 城 市 建 设 学 院湖 北 省 首 批 博 士 服 务 团 成 员湖 北 省 首 批 博 士 服 务 团 成 员葛洲坝试验检测有限公司葛洲坝试验检测有限公司( (挂职挂职) ) 朱红兵朱红兵 斜 拉 桥第一节第一节 概述概述美国佛罗里达州的坦帕湾美国佛罗里达州的坦帕湾(墨西哥湾内）墨西哥湾内） 1987年建成，扇形双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，主跨年建成，扇形双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，主跨365.8m（时世界最长）（时世界最长）防护岛防护岛防护岛防护岛防护墩防护墩防护墩防护墩防护墩防护墩 防撞

2、保护系统可承受防撞保护系统可承受8.78.7万吨油轮、时速万吨油轮、时速1010海里海里/h/h速度的冲击力；主孔跨速度的冲击力；主孔跨的各孔均封闭。的各孔均封闭。大跨度桥梁提高整体刚度和减轻风、雨振的必要性大跨度桥梁提高整体刚度和减轻风、雨振的必要性第五节第五节 主要结构体系主要结构体系第六节第六节 主梁构造主梁构造 悬索桥悬索桥一、一、 悬索桥的组成悬索桥的组成 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。v 主缆主缆是结构体系中的主

3、要承重构件；通过塔顶索鞍悬挂在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。主塔上并锚固于两端锚固体中的柔性承重构件。v 主塔主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件；支承主缆的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。重要构件。v 加劲梁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，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，提供桥面和防止桥面发生过大的挠曲变形和扭曲变形，主主要承受弯曲内力。要承受弯曲内力。v 吊索吊索是将加劲梁自重、外荷载传递到主缆的传力构件，是是将加劲梁自重、外

4、荷载传递到主缆的传力构件，是连系加劲梁和主缆的纽带。连系加劲梁和主缆的纽带。v 锚碇锚碇是锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力传递给地基。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悬索桥各部分的作用v 地锚式悬索桥地锚式悬索桥 主缆拉力依靠锚固体传递给地基。主缆拉力依靠锚固体传递给地基。v 自锚式悬索桥自锚式悬索桥 主缆拉力水平分力直接传递给加劲梁主缆拉力水平分力直接传递给加劲梁（轴向压力）（轴向压力）承受；承受；竖直分力（较小）由端支点承受。适宜：跨度不大、软竖直分力（较小）由端支点承受。适宜：跨度不大、软土地基、城市桥等。土地基、城市桥等。二、悬索桥的形式二、悬索桥的形

5、式v 地锚式悬索桥的孔跨布置形式地锚式悬索桥的孔跨布置形式( (力学体系力学体系) )单跨单跨：适于边跨建筑高度小、曲线边跨。由于边跨主缆的垂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。限制。13851385米江阴大桥。米江阴大桥。三跨三跨：最常见最常见。两跨两跨：（单边跨（单边跨）一岸建筑高度小和曲线边跨时。）一岸建筑高度小和曲线边跨时。13771377米青米青马大桥。马大桥。多跨多跨：因中间桥塔

6、和两边桥塔的塔高不同导致主缆垂度偏大，因中间桥塔和两边桥塔的塔高不同导致主缆垂度偏大，悬索桥整体刚度悬索桥整体刚度降低降低，非均布活载下塔顶变位及加劲梁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。挠曲变形和弯矩较大；固有振动频率降低。故中塔必须故中塔必须加大刚度（加大刚度（4 4柱立体桥塔）或者减小主缆垂跨比。柱立体桥塔）或者减小主缆垂跨比。悬索桥的形式（续）悬索桥的形式（续）单塔悬索桥效果图单塔悬索桥效果图单塔悬索桥单塔悬索桥直布罗陀跨海大桥直布罗陀跨海大桥空间主缆悬索桥空间主缆悬索桥南备赞悬索桥南备赞悬索桥刚性缆索体系悬索桥刚性缆索体系悬索桥三、悬索桥的构造三、悬索桥

7、的构造( (一）主缆一）主缆 材料要求材料要求 有效拉应力大；拉伸延伸率小；弹模大；截面密度大；疲有效拉应力大；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。劳强度高、徐变小；成缆锚固及防锈容易；价廉物美。 大跨多采用耐疲劳的高强钢丝。大跨多采用耐疲劳的高强钢丝。 钢绞线虽然施工方便，但弹模较低使结构变形增大，截面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。形状不易按照设计形状压紧，防腐较难，适于中小跨度。 类型类型 钢丝绳主缆：钢绞线绳、螺旋钢丝绳、封闭式钢绞线索钢丝绳主缆：钢绞线绳、螺旋钢丝绳、封

8、闭式钢绞线索等，适于等，适于600米以下。米以下。 平行丝股主缆：采用空中绕线法平行丝股主缆：采用空中绕线法(AS法法)或者预制丝股法或者预制丝股法(PS法法)， 适于适于400米以上，是现代悬索桥主缆的主流类型。米以上，是现代悬索桥主缆的主流类型。 结构形式结构形式 双面平行主缆（绝大多数）；单面主缆；空间主缆；双面平行主缆（绝大多数）；单面主缆；空间主缆； 截面形状（六角形）截面形状（六角形）主缆主缆施工中的主缆断面主缆编制方法l AS法：通过牵引索作来回走动的编丝轮，每次将两根钢丝从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（可达一端拉到另一端，待

9、钢丝达到一定数量后（可达400400500500根）根）编扎成一根索股。钢束股数较少，便于集中锚固，起吊设备编扎成一根索股。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。轻便；架设主缆时抗风较弱所需劳动力也较多。l PS法：其主要工序为：其主要工序为：丝股牵引架设：利用拽拉设施将预丝股牵引架设：利用拽拉设施将预制丝股通过猫道拽拉架设；制丝股通过猫道拽拉架设；索股提升横移和入鞍：牵引结索股提升横移和入鞍：牵引结束后，将索股从滚轮上提起，并横移至鞍座上方，整形后入束后，将索股从滚轮上提起，并横移至鞍座上方，整形后入鞍；鞍；索股垂度的调整：晚上气温稳定时进行索股垂度的

10、调索股垂度的调整：晚上气温稳定时进行索股垂度的调整，即对基准丝股的跨中绝对标高和非基准丝股的跨中相对整，即对基准丝股的跨中绝对标高和非基准丝股的跨中相对标高进行控制调整，锚固。标高进行控制调整，锚固。 我国所建的大跨度悬索桥基本都采用我国所建的大跨度悬索桥基本都采用PS法架设法架设（进度（进度快，目前多采用快，目前多采用6161、9191、12751275左右钢丝，最重可达左右钢丝，最重可达4040吨）。吨）。AS法示意图主缆断面AS法示意图（二）吊索（吊杆）（二）吊索（吊杆）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

11、行钢丝索（多采用）。 平行钢丝索（PWS）：多根57镀锌钢丝外加PE套管组成。 作用：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变形时也不致滑动。 构造：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。（三）索夹（三）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

12、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。主缆与索夹的连接方式吊索与主缆连接吊索与主缆连接4股骑跨式股骑跨式吊索与主缆连接吊索与主缆连接双股销铰式双股销铰式 材料：圬工（古老、小跨简易）；钢筋砼（框架式；实心矩形或者箱形）；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。

13、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。（四）桥塔（四）桥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。 通常认为钢筋砼刚构式桥塔是悬索桥的桥塔通常认为钢筋砼刚构式桥塔是悬索桥的桥塔最佳选择。最佳选择。虎门大桥主塔虎门大桥主塔 乔治华盛顿桥乔治华盛顿桥锚碇基本分类：锚碇基本分类：重力式锚碇：重力式

14、锚碇：依靠依靠锚块锚块自重来抵抗主缆的竖直分力，水平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。阻力来抵抗。隧道式锚碇（岩洞隧道式锚碇（岩洞式）：式）：主缆散开后各索股通过岩洞中的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。力工艺调整松紧。岩锚（岩孔锚）：岩锚（岩孔锚）：各索股先分散在各个岩孔内（每股一个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孔

15、），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，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。力筋最后在锚固室内张拉后防腐。（五）锚碇（五）锚碇重力式锚碇外观图重力式锚碇外观图 图图a a）为前锚式锚固系统）为前锚式锚固系统 图图b b）为一般后锚式锚固系统）为一般后锚式锚固系统（六）加劲梁（六）加劲梁结构形式：钢板梁钢桁梁钢箱梁砼箱(板)梁比比 较较 项项 目目加加 劲劲 梁梁 形形 式式钢钢 桁

16、桁 梁梁钢钢 箱箱 梁梁砼砼 箱箱 梁梁抗抗 风风 性性 能能 涡涡 流流 激激 振振最不易发生最不易发生易发生易发生不易发生不易发生自自 激激 振振 动动可能性大可能性大可能性小可能性小静态阻力系静态阻力系数数大大小小小小风风 致致 变变 形形大大小小小小结结 构构 刚刚 度度小小大大结结构构梁梁 高高高高低低低低用用 钢钢 量量最大最大低低最低最低桥桥 面面 系系一般与主梁分离一般与主梁分离一般与主梁结合为整体一般与主梁结合为整体为主梁的一部分为主梁的一部分制制造造制制 造造杆件多，节点结构杆件多，节点结构复杂，标准化大量复杂，标准化大量生产困难生产困难箱梁由板构件组成，标箱梁由板构件组成

17、，标准化大量生产容易准化大量生产容易工厂预制节段，工厂预制节段，标准化生产容易标准化生产容易施施工工架架 设设单根杆件平面构件单根杆件平面构件立体节段多样化立体节段多样化节段法架设或与现浇节节段法架设或与现浇节段并用段并用预制节段法预制节段法养养护护养养 护护 维维 修修油漆养护难油漆养护难油漆养护方便油漆养护方便一般无需养护一般无需养护桥桥 面面菲结合型损伤时易菲结合型损伤时易与主梁结合损伤难维修与主梁结合损伤难维修损伤时易维修损伤时易维修一般桁架加劲梁横截面钢箱梁内部构造加劲梁宽达加劲梁宽达60.4m60.4m，由，由3 3个纵向的钢箱、钢箱梁之间的钢桥面板和钢横梁个纵向的钢箱、钢箱梁之间

18、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，中间部分高约等三部分组成。钢横梁的立面作成倒梯形，中间部分高约5m5m。横梁间距。横梁间距30m30m，纵向箱梁净跨径，纵向箱梁净跨径26m26m。主跨的宽跨比为。主跨的宽跨比为1/54.61/54.6。能够经受高于能够经受高于216 216 Km/hKm/h的大风；公路平台能够承受大于的大风；公路平台能够承受大于140,000140,000辆辆/ /天的交通量；双线铁路天的交通量；双线铁路允许通过列车允许通过列车200200辆辆/ /天。天。 （3300米方案）钢箱加劲梁横截面MessinaMessina海峡大桥海峡大桥汕头海湾大桥汕头

19、海湾大桥（452米）砼箱加劲梁横截面索鞍（鞍座）支承主缆的支承件或配件 类型： 塔顶主索鞍； 支架副索鞍：边跨靠近岸端的墩架或钢排架的顶部，改变主缆在竖平面内的倾角。也可不设。 展束锚固索鞍：多设置在桥台上，使构成主缆的许多钢丝束股在水平向及竖直向分散开的支撑鞍座，并导引各索股入锚固部分。（七）索鞍塔顶主索鞍 主要构件：鞍槽、腹板底板和加劲肋板等（腹板传递鞍槽压力，横肋加强）。 塔顶鞍槽的纵向曲率半径：纵向圆弧半径（可为纵向非对称多段圆弧）不小于主缆直径的812倍，入口处鞍槽半径局部略小以防破坏主缆防腐。 鞍槽的截面形状：配合主缆钢丝索股的排列形状。 制造方法：全铸、铸件鞍槽焊接钢板（铸焊）倾向、全焊。散索鞍构造形式：为调节主缆在各种条件下的长度变化，散索鞍由辊轴、摇轴支承，或者作成摆柱构件。鞍槽的纵向曲率半径：入口处鞍槽形状与塔顶鞍槽相同，出口处略小，满足转向和散索。鞍槽的截面形状：配合主缆钢丝索股的排列形状。香港青马桥主索鞍虎门大桥主索鞍虎门大桥主索鞍江阴大桥主索鞍江阴大桥主索鞍散索鞍(展束锚固索鞍) 谢谢大家！