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斜拉桥的类型及构造特点

发布者: redflag | 发布时间: 2018-10-17 15:45| 查看数: 210| 评论数: 0|帖子模式

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斜拉桥是由主梁、拉索及索塔组成的组合结构体系。 主梁直接承受车辆及各种荷载的作用;拉索为主梁提供跨间弹性支承,并承受由此传来的由荷载引起的巨大拉力;拉索的拉力通过对索塔的压力传至基础和地基,同时其水平分力对主梁产生强大的轴向压力。对于采用预应力混凝土材料的主梁,拉索的水平拉力可视为一种体外预应力,对主梁受力尤为有利。
1.斜拉桥的类型
(1)不同塔数的斜拉桥
根据桥址的水文地质条件和需要跨越的空间距离的不同,斜拉桥可采用如下形式:
①独塔斜拉桥;
独塔形式斜拉桥多用于跨越距离相对较小的桥位。当独塔两侧跨度相差较多时,桥塔通常采用后倾式斜塔设置。根据力学和经济方面的对比分析,独塔式斜拉桥稍占优势。目前世界上最大跨度的独塔式斜拉桥是俄罗斯乌里扬诺夫斯克的伏尔加河桥,独塔两侧主跨各为407m;
天津海河大桥主桥为独塔斜拉桥,全长2650米,主跨310米为钢箱梁结构;边跨190米为砼箱梁结构,主塔高168米;桥面按四车道标准设计,宽23米,通航净空为37.5米。
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图5.3.1 天津海河大桥
②双塔斜拉桥;
双塔、多塔式斜拉桥适用于水流断面宽阔,桥下需要宽阔净空的桥位;目前世界上最大跨度的双塔式斜拉桥是日本1999年建成的主跨为890m的双塔式斜拉桥—多多罗大桥;法国跨越赛纳河的诺曼底桥,主跨为856m居第二位;南京长江二桥以628 m居第三位。我国设计的苏通长江公路大桥为主跨 1088米的双塔斜拉桥,桥面宽 34米,六车道,2008年建成后是世界上跨径最大的斜拉桥。
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图5.3.2 南京长江二桥
多塔斜拉桥
双塔、多塔式斜拉桥适用于水流断面宽阔,桥下需要宽阔净空的桥位;斜拉桥一般不采用多塔形式(1),其主要原因是多塔式斜拉桥的中间塔没有端锚索来有效地限制它(或它们)的塔顶纵向水平位移。因此,已经是柔性结构的斜拉桥采用多塔式将使结构的柔性更大,随之而来的是造成变形过大。而采用多塔式斜拉桥时,通常是将中间塔作成纵向刚度很大的刚性塔,但其造价昂贵,因而经济上常常又不划算。
香港的汀九桥(5.3.3)是一座已经建成的三塔四跨式斜拉桥,跨度为127+448+475+127m,总长1177m。中间塔采用两道独立的长斜索来增加塔的纵向刚度。
郑州黄河公路二桥:五塔六跨的形式(5.3.4),中间跨径为200m,边跨为90m。
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图5.3.3 香港汀九桥
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图5.3.4 郑州黄河公路二桥
(2)斜拉桥的结构体系
根据主梁与索塔和桥墩的连接或支承方式不同,又可分为四种结构体系:
①悬浮体系;
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这一体系用拉索将主梁全部吊起,主梁两端置于桥台支座上,类似于具有弹性支承的单跨梁。拉索多采用密索布置,主梁各截面的内力和变形变化较为平缓,但索塔受力较大。空间动力计算表明,体系在纵向可允许一定摆动,在横向须施加一定的横向约束,以改善其结构动力性能,提高其抗震能力。体系采用悬臂法施工时,在索塔处梁段需设置临时支架。
②支承体系;
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主梁除两端支承在支座上外,在塔墩上也设有支点,类似于跨内有弹性支承的连续梁。这种体系的主梁内力在塔墩支点处会出现较大负弯矩,通常须加强支承梁段的主梁截面。主梁支点处宜设置活动支座,以避免不均衡的温度变位或其它因素导致主梁和索塔内产生较大的附加弯矩。在横桥方向也须在桥台和塔墩处设置某些横向约束来改善体系的抗震性能。体系采用悬臂施工时,不需设置临时支架,施工较为方便。
③塔梁固结体系;
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相当于主梁、索塔和拉索构成一根特殊加强的连续梁。主梁与索塔的内力以及变形,直接同主梁与索塔的弯曲刚度以及索拉力有关。结构体系整体受力类似于连续梁。必须指出,当相邻桥跨荷载作用不够均衡时,如仅中跨满载时,主梁在支点处的转角位移会使索塔倾斜,导致塔顶出现较大水平位移,主梁的跨中挠度和边跨的负弯矩明显增大,设计时应给予重视。此外,其墩顶支座反力巨大,需设置大吨位支座。
④刚架体系。
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主梁、索塔和桥墩在连接处形成整体十字固结,类似于跨内有弹性支承的T形刚架和连续刚架结构。这一体系结构整体刚度较大,主梁和索塔变形均较小。但梁与塔固结处结构构
造和受力均较复杂,固结处的主梁要承受很大的负弯矩,其截面要有足够强度。这一结构形式不需任何支座,非常适于悬臂平衡对称施工。但温度变化在固结处引起的附加弯矩极大,为减少和消除极大的温度内力,有时在主梁跨中设置剪力铰或挂梁。
(3)斜拉桥结构体系的比较与选用
①斜拉桥体系的选用应充分考虑各体系的构造和受力特点以及施工等各种因素,应满   足结构构造简洁,受力合理,动力性能良好,施工方便等要求。
②上述四种结构体系均有实际桥例。其中悬浮体系主梁受力均匀合理,结构整体抗风、抗震性能较好,且施工方便,是采用较多的斜拉桥结构型式。塔梁固结体系结构内力分布较合理,可当作特殊的连续梁体系,可采用普通桥梁下部结构。
③斜拉桥的桥塔数对斜拉桥各跨之间的跨径比影响较大。对于独塔体系斜拉桥边跨与主跨的比一般取为0.50~1.0,而双塔体系一般取为0.25~0.50。
④  斜拉桥的跨径比主要由全桥刚度、拉索疲劳强度、边跨拉索锚固方式及施工方法等因素综合考虑确定,对独塔体系还需考虑桥位的地形和地质条件。
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2.混凝土斜拉桥的构造特点
混凝土斜拉桥的拉索、主梁和索塔各有不同的构造形式和相互连接方式。
(1)拉索
拉索是斜拉桥的主要承重构件,多采用抗拉强度高、疲劳性能好和弹性受力范围大的优质钢材制成。一般拉索的造价约占全桥的25~30%。
目前采用较多的有平行钢丝束,钢绞线束和封闭式钢索,在某些桥上还有采用高强钢筋和型钢的。
平行钢丝束目前使用非常普遍,我国绝大多数斜拉桥均用这种在预应力混凝土桥中常用的钢丝索(图5-13a)。其特点是弹性模量和疲劳强度较高,比较容易按设计要求改变截面大小,但其防腐和安装较麻烦且费用较高。
用高强钢丝扭结的钢绞线也是一种用于斜拉桥的拉索,通常采用若干股平行捆绑成索束,这种索多在工厂预制。其特点与平行钢丝束类似,但其弹性模量较低,非线性变形较大。
封闭式钢索由异形钢丝轧制而成(图5-13b)。特点是内部结构紧密,表面封闭,运输、安装和防腐较容易,但其弹性模量较低,非线性变形较大,不适应于对斜缆索的伸长非常敏感的斜拉桥。钢绞线束和封闭式钢索用于斜拉桥逐步在减少。
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图5.3.5 拉索截面形状
①拉索的纵向布置
      辐射式布置是将全部拉索的一端集中于塔顶,另一端以不同的角度沿梁分散锚固,使各根拉索都具有尽可能大的倾角,使其能充分发挥作用。但当拉索数量较多时,塔顶处拉索过于集中,使锚头拥挤,构造处理和安装均较困难和复杂。
       竖琴式布置是各拉索彼此平行,并沿主梁和索塔分散锚固,适用于拉索较少的情况。其外形较简洁,连接构造较易处理。
       扇式式布置是介于辐射式和平行式之间的形式,拉索在索塔和主梁上均按等间距布置,但各索并不相互平行,其兼有以上两种形式的优点,因此较多的斜拉桥采用这种形式。
       星式布置是将拉索一端集中在梁的一点上,另一端沿索塔分散布置。这种布置使索梁连接构造复杂,又不符合连接点沿梁纵向分散以减小跨径的原则,实际工程中较少采用。
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②拉索在桥梁横向的布置
      单面索一般设置在桥梁纵轴线上,通常作为桥面分车带,并具有最小的桥墩尺寸、简洁的构造形式和最佳的视线。但单面索只能支承竖向荷载,主梁横截面宜采用闭合箱梁,以便增强其抗扭刚度。(法国布罗托讷桥)
       双面索一般设置在桥面两侧,可布置为垂直索面或相向倾斜索面。垂直双面索适用于门式和双柱式索塔;倾斜双面索适用于A形、菱形和倒V形索塔,并能提高斜拉桥的抗风稳定性、抗扭能力,同时使主梁横向受压,有利于主梁受力,特别适用于大跨度斜拉桥。(南京长江二桥)
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③斜拉桥拉索的索距布置
       斜拉桥拉索的索距布置常用两种方式:疏索体系与密索体系。
       疏索体系斜拉桥跨径不大时可采用根数少,刚性大的稀索体系。混凝土主梁索距为15 ~30m,钢主梁索距为30 ~50m。其优点是索力容易调整;由于索距大,使主梁的弯矩和剪力较大,导致梁高和索力均较大,斜拉索锚固结构复杂,施工维护难度大。
       密索体系其拉索沿主梁布置的间距不大,主梁内力较为均匀,可大大降低梁高。每根拉索的拉力相对较小,使拉索的锚固及其锚固装置大大简化,方便了维护和换索;改善了结构的动力特性,提高了结构抗震和抗风能力。
        密索体系的索距与施工的吊装能力和悬臂浇筑的节段长度有关,通常混凝土主梁索距宜采用为4~12m,钢主梁索距宜采用为8~24m。拉索与主梁的夹角通常为25°~65°,45°角为最优角
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④斜拉索在索塔上的支承方式
斜拉索在索塔上的支承有两种方式:
①塔顶设索鞍,拉索不间断地跨越索鞍;这种方式主要用于辐射型拉索体系,索塔主要承受压力,但索鞍构造复杂,造价昂贵。
②拉索锚固于索塔。这种方式是目前采用最广泛的拉索支承方式,适用于密索体系,其构造简单,施工方便,易于保养、检修和换索,但需考虑索塔两侧拉索拉力不平衡在所索塔中引起的弯矩。
      斜拉桥拉索在主梁和索塔上的安装和锚固及锚固部位的构造和锚固装置,是斜拉桥体系能否正常工作的关键,也是比较复杂的。随着桥梁工程技术的发展,出现了许多新型的大吨位的锚固装置和新的拉索安装锚固方法,应根据工程的实际需要合理选用,设计中要考虑其对结构内力的影响及局部的复杂应力状态,采用合理的构造和配筋措施。
(2)主梁
v      混凝土斜拉桥常用的主梁结构形式有连续梁、悬臂梁、悬臂和连续刚构等。
v      早期修建的斜拉桥较多采用带挂梁的悬臂梁或悬臂刚架等外部静定结构形式,以避免或减小诸如地基沉陷、混凝土收缩徐变以及温度引起的附加内力;其结构整体性较差,对抗震不利,比较适用于软土地基。
v      近年来,逐渐趋于采用刚度大,整体性强的连续梁和连续刚架。其抗风、抗震性能较好,且挠曲线平顺,有利于行车。但在设计时应考虑徐变、收缩和温度变化引起的附加内力及对索塔内力的影响。
v      混凝土斜拉桥主梁的截面型式一般根据其索面布置和结构受力要求采用不同的形式(图5-16):
a.板式截面;b.分离式单室双箱截面;c.(或e.)封闭式箱形截面
d.半封闭箱形截面;f.箱形截面的改进截面
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图5.3.6斜拉桥主梁截面形式
        主梁横截面型式的选择应充分重视其抗风稳定性及不同截面型式对结构动力性能的影响,宜采用流线型横截面。由于多索式混凝土斜拉桥具有相当大的系统阻尼,其在空气动力稳定性方面比传统的吊桥要好得多。
         斜拉桥主梁的截面尺寸直接影响主梁的抗弯、抗扭刚度以及截面的弯矩和扭矩,其梁高对截面内力影响极大,并与拉索间距大小有直接的关系。通常少索体系梁高取跨径的1/40~1/80;密索体系取索距的1/15~1/18或跨径的1/100~1/200。为了保证横向抗风稳定性,主梁的宽高比B/h应大于8~10,不宜小于6。主梁截面的其它尺寸可参考预应力箱型截面梁、肋梁式截面梁和拉索锚固装置确定。     
(3)索塔
索塔主要承受轴力,有些索塔也承受较大的弯矩。通常索塔可采用钢筋混凝土、预应力混凝土或钢材建造。其结构有多种类型,主要根据拉索的布置要求、桥面宽度以及主梁跨度等因素选用。
常用的索塔型式沿桥纵向布置有单柱型、A型和倒Y型。单柱型索塔结构简单,可以与各种横向布置不同的塔型相配合,其受力明确,但柱底反力较大,对基础要求较高。A型和倒Y型纵向刚度较大,稳定性好,有利于承受索塔两侧出现的不平衡的索拉力,还可以减小主梁在该支点处的负弯矩,尤其适用于较高的索塔,常常与横向布置为柱式、门式的塔型相配合,但其基础占地较大。
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(1) 索塔沿桥横向布置的形式
a.单柱式、双柱式塔
是最简单的悬臂索塔。由于其纵横刚度均较小,桥的主梁必须具有相当大的抗弯和抗扭刚度。单柱式索塔支承单面索,一般布置在桥梁中轴线,若采用双面索对主梁受力较有帮助,但拉索在索塔上的布置较困难,尤其当采用密索时;双柱式索塔一般为无横向联系的两根独立索塔,布置在车行道两侧,支承双面索。对于大跨度斜拉桥,在纵向大多采用A型或倒Y型式,以便承担索塔两侧不平衡的索拉力。
b.门式塔、斜腿门式塔
是由两根塔柱和横梁组成门式或斜腿门式框架,桥塔较高时可加设多道横梁,也可设交叉斜撑。这种索塔横向刚度可根据设计要求确定,有较大灵活性;在纵向可与单柱型、A型和倒Y型相配合,是应用较为广泛的索塔类型之一。斜腿式索塔横向刚度较大,但其基础占地较大;有时修改为菱形索塔,其横向刚度会有所降低。
c. 倒V型、倒Y型和A型塔
是两根塔柱相对倾斜在顶部交会在一起,或由一段很短的横梁在顶部连接。这种形式适合索塔较高的大跨度斜拉桥,既可保证桥面净空,又有较大横向刚度。主梁直接放置在桥墩上时,采用倒V型索塔;放置在两塔柱间的下横梁上时,采用A型索塔。这两种塔型既可用于单面索,也可用于双面索。倒Y型索塔主要用于单面索。以上三种塔型横向刚度较大,但占用基础较多,有条件可采用分离式基础,或采用底部横向回收的菱形索塔。
(2) 索塔横截面 、索塔的高度
索塔横截面根据设计要求可采用实心截面,当截面尺寸较大时多采用工形或箱形截面,对于大跨度斜拉桥采用箱型截面更为合理。
索塔的高度通常与桥梁主跨有关,索塔高度太低影响斜拉索发挥效率,太高将增加索塔的设计和施工的难度。此外索塔高度与跨度之比直接影响斜拉索的用量和其拉力。从已建成的预应力混凝土斜拉桥结构来看,斜拉桥主梁的最大跨度与索塔高度的比Lmax/H一般为3.1~6.3,平均约为5.0左右。对于双塔斜拉桥,其索塔高度与主跨的比在0.18~0.25的范围内较为经济合理。采用辐射型拉索时,这一比值可提高到0.3,采用竖琴型拉索可进一步提高到0.4。一般竖琴型比辐射型拉索用钢量多大约15~20%。对于独塔斜拉桥,塔高与主跨的比宜选用0.3~0.45。
(3)塔柱底部与桥墩和主梁的连接方式
索塔与桥墩固结可增加整个结构的刚度,便于施工,若桥梁地基的地质条件较好时,这是较合理的形式。主梁为连续梁时,可支承在索塔的下横梁上或桥墩上,形成支承体系;也可全部支承在拉索上,形成悬浮体系。索塔与主梁固结多用于单柱式索塔。这种方式将索塔与主梁固结,并支承在一般桥墩上,有利于消除地基因素对结构体系中内力的影响。但在荷载作用下,有时索塔产生较大倾斜,直接影响主梁的内力分布,应加强主梁的支承部位,并需在主梁的支点处设置强大的支座。当索塔与主梁和桥墩相互固结时,形成跨内有弹性支承的刚架结构。其斜拉桥整体刚度较大,主梁和索塔的变形较小,又不需要设置任何支座。但主梁固结处内力较大,结构及受力较复杂。温度、混凝土收缩和徐变等因素对主梁的内力有很大影响。通常在主梁跨中设置剪力铰或设置挂梁。

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