吊桥构造及设计下

吊桥构造及设计下

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）。 布置形式： 两块斜腹板： 大部分鞍下应力由斜腹板 直接 径塔柱两侧横壁板传给桥塔、 单（两）块竖腹板 ：大部分压力经鞍座板 间接 传递给塔柱顶板。 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 8 ～ 12 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。 悬索桥各部分构造 —— 索鞍 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。 悬索桥各部分构造 —— 索鞍 香港青马桥主索鞍 虎门主索鞍 江阴主索鞍 展束锚固索鞍（散索鞍） 小海带桥 四、悬索桥的设计 悬索桥 悬索桥的美学考虑 国际著名建筑美学专家 JENSEN Poul Ove 认为：美的可感知性和结构的实在性之间具有强烈关系，最有效地挖掘材料强度和材料特殊属性的结构形式是最美的。主要构件为受拉或承压的结构通常比受弯结构更容易感知 ， 悬挂结构的美学潜能是十分优越的。 具有柔梁和悬挂系统的大跨度桥梁具有内在美，给设计者提供了一个创造真正伟大设计的机会。但是，是否能够成功依赖于设计者的意愿和能力。有意识地和一致地设计所有构件，不但要满足指定功能，而且在视觉上相互补充而形成一个整体。 缆索承重桥梁的美学考虑（续） 悬索桥的美学比例 （ 1 ）边跨跨经应小于主跨跨经的一半。可达 0.21 ～ 0.31 （ 2 ）桥下空间应呈扁平，桥面越高，跨经越大 （ 3 ）加劲梁易扁平，使空气动力性能好而外形纤巧 （ 4 ）锚碇安全而不过于庞大 （ 5 ）桥塔结构简洁而不失雄伟 悬索桥的设计 悬索桥的设计 悬索桥的总体设计 适用范围 1000 米以上几乎是唯一可选桥型； 300 ～ 1000 米之间采用砼加劲梁也可与斜拉桥竞争。 与其它大跨度桥梁的比较选择 拱桥： 主拱是压弯构件，过大的轴力和弯距会使其失稳，材料强度很难发挥；拱质量中心较高，不利于抗震；施工抗风难。 斜拉桥： 受压弯的加劲梁在跨度很大时恒载压力巨大，截面尺寸势必加大；跨度较大时刚度较好；施工抗风难。 结构特性要点 跨度比 垂跨比 宽跨比 高跨比 加劲梁的支承体系 主缆与加劲梁的特殊联结 悬索桥的设计 跨度比 （边跨与中跨之比） 一般取值自由度较小，为 0.3 ～ 0.5 。 单位桥长用钢量随跨度比的减小而增大； 结构的竖向变形及竖向挠角随跨度比的减小而减小。 大跨悬索桥多小边跨来增加刚度的同时又使用钢量较省，跨度比在 0.2 ～ 0.4 之间。 悬索桥的设计 —— 结构特性要点 Messina 海峡大桥立面图 Messina 海峡大桥 最终方案选用主跨为 3300m 的悬索桥，本土侧和西西里岛侧的边跨分别为 810m 和 960m ，共长 5070m 。除主跨全长用竖直吊索悬吊加劲梁之外，两个边跨都是在桥塔附近较短的局部区段内设有竖向吊索，在西西里岛侧由于地形较高设有若干短跨小墩。 跨度布置实例 ： 垂跨比 （主缆矢跨比） （ f/l ）一般取值范围为 1/9 ～ 1/12 。 垂跨比对 主缆拉力 影响较大，垂跨比越小主缆拉力越大，从而所需主缆截面面积越大，增加单位桥长用钢量。 钢桥塔的用钢量随垂跨比的增加而增加。钢桥塔时， 总用钢量 随着垂跨比的加大而略有降低；混凝土塔时，大跨径的总用钢量随着垂跨比的增加而略有增加。 垂跨比越小，悬索桥的 整体刚度 越大。 对 振动特性 的影响：垂跨比增大时：竖向挠振固有频率降低，扭振固有频率增大。 悬索桥的设计 —— 结构特性要点 高跨比 （加劲梁高与主孔跨度之比） 悬索桥加劲梁在恒载作用下除了承受与吊索节间长度有关的挠曲应力外，一般处于无应力状态，所以 加劲梁高度与主孔跨度基本没有关系 。减小加劲梁竖向变形的有效办法是减小跨度比而不是增大加劲梁高度。 一般而言，桁架式加劲梁的高度为 8 ～ 14 米，箱型加劲梁高度为 2.5 ～ 4.5 米。 已建桁架式加劲梁悬索桥的高跨比大致在 1/180 ～ 1/70 ； 箱型加劲梁悬索桥的高跨比大致在 1/400 ～ 1/300 ； 问题： 扁平钢箱梁 的流线型设计有利于风动稳定，但高度太小会导致加劲梁抗扭刚度削弱太多，容易导致涡振和抖振发生而导致结构疲劳。因此，一般控制高宽比在 1/7 ～ 1/11 。 悬索桥的设计 —— 结构特性要点 宽跨比 一般中小跨度桥梁：（ B/l ）一般取值范围为大于等于 1/20 。但是大跨度悬索桥的宽跨比尚无合理而科学的标准。 一般而言，宽跨比越大，梁体越宽，梁体横向挠曲刚度越大，可以非常有效地减小边跨梁体的横向最大挠角以及主跨梁体的横向最大挠角（对主跨梁体的横向最大挠度减小不是很显著）。 已建大跨度悬索桥的宽跨比大致在 1/40 ～ 1/60 。 悬索桥的设计 —— 结构特性要点 悬索桥的设计 —— 结构特性要点 加劲梁的支承体系 ： （塔墩处是否连续） 简支（双铰）体系：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。不太适合铁路桥。 1385 米江阴大桥。 连续体系：加劲梁挠度（竖向及横向）、梁端角变位及伸缩量较小。但是，主塔支点处产生较大弯距；梁穿过塔，使塔柱间横向间距大，基础尺寸也相应加大；制造、架设误差以及基础的不均匀沉降对加劲梁应力影响较大。 单跨悬索桥中的一些特殊布置：单跨悬索桥加劲梁在两个非悬吊的边跨内各带有连续伸出段。可有效减小变形。 悬索桥的设计 —— 结构特性要点 主缆与加劲梁的特殊联结及其它 ： 传统做法：主缆只通过吊索与加劲梁联结。 特殊做法：主跨中点将主缆与加劲梁直接固结。优点：可以减小非对称荷载作用下的挠度，提高纵向位移的复原力，减小正常情况下活载引起的振动以及风荷载和地震荷载引起的纵向位移量。 1959 年法国首创，现逐渐广泛。 布置方式： 主跨跨中设计特殊夹具连接主缆与加劲梁；主跨跨中设计一对相对的短斜索；主跨跨中（中斜索）以及边跨端部（端斜索）设计一对相对的短斜索。 悬索桥的减振措施主要包括：纵向弹性支承， 主缆在跨中与主梁固接 、抗风索 悬索桥的设计 —— 结构特性要点 主缆 主缆设计主要内容如下 几何线形的确定： 主缆中心线控制点理论高程计算； 矢跨比的选择 （ 1:9 ～ 1:11 ）； m↓ 时 , 全桥刚度 ↑, 主缆拉力 ↑ 。 截面及预制平行钢丝束布置 ；空隙率约为 0.17 ～ 0.21 左右，备由着色观察钢丝和标准长度钢丝各一根，沿索长全使用长度内不能有接头， 2 米左右布置定型强力胶带。 主缆无应力长度的计算 ：主缆成桥态长度；一、二期恒载作用下的弹性伸长；自由悬挂状态的伸长；无应力长度。 悬索桥的设计 —— 主缆 主缆的重力刚度 吊索及索夹 吊索： 现代 吊索索力计算 时应考虑加劲梁的荷载分配效应。设计拉力的荷载组合为：恒载＋活载＋温度效应＋制造误差＋架设误差＋弯曲二次应力。安全系数取值在 3.1~4.5 之间。 吊杆间距 影响桥面构造以及桥面系材料用量，一般为 5 ～ 8 米，最大可达 25 米以上。 索夹： 螺栓预应力损失在 30 ％～ 50 ％。 截面尺寸 的设计： a. 直径的确定； b. 应力验算：环向拉应力；圆周向弯曲应力；顺桥向弯曲应力；主缆直径平面的平均压力。 螺栓的预应力损失 ：主缆受力变细、镀锌层蠕动、钢丝变位；螺栓时效；索夹变形；温差等。 抗滑安全度： 定期紧固螺栓；考虑了螺栓预应力损失后安全系数不应低于 3 。 悬索桥的设计 —— 吊索 加劲梁 （直接承受竖向荷载；抵抗横向风压；抗震） 钢桁梁： 桁架设计 ：沿跨度等高；腹杆多为加竖杆的三角形；杆件多为四支角钢和钢板组成的 H 型截面，较长杆件可为箱形截面；桁架间按刚度控制设计纵横向联结系。 节点二次内力 的考虑：为了便于计算，假定桁架节点为铰接，而实际结构在荷载作用下桁架的变形受到刚性节点的约束时要产生附加弯距。（附加弯距的大小于交汇杆件的刚度有关，当杆件高度小于长度的 1/10 时，可不考虑附加弯距引起的二次内力。） 悬索桥的设计 —— 加劲梁 加劲梁 扁平钢箱梁： 设计计算内容： 钢桥面板 （第一结构体系：梁体系；第二结构体系：桥面体系，按正交异性板理论计算；第三结构体系：桥面板是支承在加劲肋上的连续各向同性板，作用在肋间的局部荷载由板传给加劲肋，此项计算可略。） 箱形截面 的应力设计计算：弯曲正应力和剪力（对称荷载）；扭转应力（偏心荷载、纯扭转、约束扭转）。 悬索桥的设计 —— 加劲梁 加劲梁 砼箱梁： 不多使用，适于 400 ～ 800 米。应为流线型全封闭式整体箱形截面，抗扭刚度大，抗风性能良好；较大的自重为主缆提供强大的初应力刚度，活载弯距与挠度也减小。其 构造类同于斜拉桥 。 汕头海湾大桥（主跨 452 米）。 结合梁： 混凝土桥面板与钢梁共同工作，梁的截面中性轴较高，混凝土受到的应力较小（包括负弯距所致的拉伸应力）。 重庆朝阳大桥（主跨 186 米） 。 悬索桥的设计 —— 加劲梁 加劲梁的风洞试验（节段模型风洞试验） 目的： 进一步改善加劲梁的基本截面，提高其气动稳定性能。 改进措施： 混凝土桥面板与钢梁共同工作横截面两侧增设分流板；增设导风尖角或改变导风尖角的角度；在横截面的四角增设导风附件，如翼板、转折器等；在桥面上布置一定的格栅形透风孔。 悬索桥的设计 —— 加劲梁 桥塔： 多为底部固定的柔性（框架、钢桁架）塔柱。 设计步骤为： 计算作用于塔的外力（塔顶竖直反力及加劲梁反力）及其位移（塔顶水平位移及加劲梁反力点的位移）； 拟定截面。以刚度为大致标准拟定各构件截面及尺寸； 塔顶及塔基的加劲； 应力及屈曲验算：顺桥向及横桥向（容许应力）； 验算腹杆及横系梁截面，多为横桥向控制； 承载力验算。 悬索桥的设计 —— 桥塔 鞍座 塔顶主索鞍： 索鞍鞍槽 曲面的半径 为主缆直径的 8 倍以上（日规）； 索槽形状 按绳股排列形状设计，内设衬垫以增大主缆与鞍座摩擦力； 大跨度悬索桥 主鞍座辊轴 在架梁过程中有用，成桥后固定于塔顶；柔性塔柱的主索鞍下可不设辊轴。 悬索桥的设计 —— 鞍座 鞍座 展束锚固索鞍： 一般应设置在辊轴、摇轴或摆柱上。 鞍座 进口处 设圆槽以与主缆圆截面适配。 在锚跨一侧的竖直方向将主缆各绳股分散开的 出口处 ，鞍座应使具有小偏角的上部绳股（在索鞍上支承于短区间）和具有大偏角的底部绳股（在长区间内支承）的延长线在上端汇交于一点，下端指向其锚固点。 鞍座索槽（鞍槽）在纵向的 曲率半径 应由大变小（多为复合圆 4 曲线）以使绳股压力沿长度方向均匀分布；按绳股水平曲率半径为竖直曲率半径的根号 3 倍来拟定索鞍的尺寸和形状。 在水平向加设鞍盖，鞍盖不能有将绳股向下压紧的竖向力，水平向也不能弯曲。 悬索桥的设计 —— 鞍座 锚碇 主缆与锚块的连接 ： 绳股由一连串 锚杆 传至锚块后部的锚梁上。 用可以调节长度（索靴与螺杆间）的 螺杆 代替前文的锚杆。 利用后张法 预应力钢筋 或钢丝束，将主缆绳股力传至锚块。 在混凝土端面处，通过座板使 螺杆与预应力筋 连接来传力。 主缆采用预制平行丝股时，直接通过绳股的 锚头 将主缆拉力传至锚块。 悬索桥的设计 —— 锚碇 锚碇 锚碇的计算 （容许应力法）： 基本要求： 锚碇不发生沉降、滑移和转动。 刚体，在主缆水平分力下不会 滑移 。 竖向压应力不应超过地基土的容许压应力，即不会 沉降和转动 。 现代对锚碇的计算分析更为复杂：稳定、基础长短期变位、抗震等动态分析。 锚碇问题难点在施工方面。 悬索桥的设计 —— 锚碇 支座 （基本要求：能够承受正、负反力。） 摇轴式 ： 固定支座： 上摇座、下摇座、销子； 活动支座： 在下摇座下加一排辊轴，有负反力时辊轴两侧设固定块件与底板焊牢。 连杆式： 两端有铰的连杆，纵向位移及转动自由，约束竖直位移及扭转。下承式时，连杆一端支承下弦杆；上承式时：连杆从上面吊起下弦杆（上端通过螺栓与塔柱内伸出的牛腿相联，下端与加劲梁下弦杆端节点相联）。 减震橡胶支座： 长大悬索桥使用的新型支座。 悬索桥的设计 —— 支座 弧形钢支座 适用范围：跨径 10 20m 构造特点：由上下垫板所组成，下垫板顶面切剥成圆柱体。固定支座需在上垫板上做齿槽（或销孔），在下垫板上焊以齿板（或销钉），安装后使齿板嵌入齿槽 ( 或销钉伸入销孔 ) ，以保证上下垫板之间不发生相对水平位移 安装要点 其它钢支座 其它钢支座 QGZ 球型钢支座 连杆支座 第二部分 悬索桥实例 悬索桥 广东虎门大桥 日本明石海峡大桥 江阴大桥 悬索桥的风毁 —— 旧塔可马大桥 —— 新纪元 江阴桥猫道 悬索桥 悬索桥 紧缆机紧缆 编缆 悬索桥 加劲钢箱梁的架设 悬索桥施工步骤图 悬索桥 悬索桥 江阴长江大桥 江阴长江大桥 混凝土索塔构造 1998日本1991 m 明石海峡大桥 明石大桥 地震前后总体图 明石大桥 —— 索塔构造图 明石大桥 —— 构造图 明石大桥 —— 构造图 悬索桥施工猫道 悬索桥加劲梁安装 悬索桥吊索的连接 悬索桥 江阴长江大桥 锚碇 汀九大桥 汀九桥 悬索桥 三角形框架式重力锚锭 悬索桥 施工猫道 悬索桥 索塔 钢桁梁 悬索桥 箱型梁 明石海峡大桥 日本 新塔可马桥 美国 旧塔可马桥 美国 谢谢