钢桥设计5 悬索桥.ppt

第八章第八章 钢悬索桥钢悬索桥n8.1 悬索桥概述悬索桥概述u悬索桥的定义•悬索桥由主缆索、塔架、锚碇、吊杆、加劲梁和桥面等主要构件所组成，桥面荷载经加劲梁、吊杆传给主缆索，再由主缆索传至塔架和两端的锚碇n8.1悬索桥概述悬索桥概述u悬索桥的发展•1883年，第一座现代悬索桥，美国Brooklyn桥，主跨486m•1931年，第一座突破千米的悬索桥—主跨1006米的美国纽约华盛顿桥•1937年，主跨1280米的悬索桥，美国旧金山金门大桥•1940年，美国华盛顿州 塔科马悬索桥n8.1悬索桥概述悬索桥概述u悬索桥的发展•1997年，丹麦大海带桥, 主跨1624米悬索桥•1997年，中国香港青马大桥, 主跨1377米, 是当时最大跨度公铁二用悬索桥•1998年，日本明石海峡大桥，主跨1991米，是世界最大跨度悬索桥•1999年，中国江阴长江大桥，主跨1385米，中国第一座超千米悬索桥n8.1悬索桥概述悬索桥概述u悬索桥的发展•进入二十世纪以来，悬索桥进入了一个朝低高度主梁、高强度材料和大跨径方向发展的阶段，加劲梁以桁架为主，梁的高跨比在1/150左右•二战后，悬索桥进入了新的发展时期，欧洲各国采用了抗风性能好的薄壁箱形截面加劲梁。

n8.1悬索桥概述悬索桥概述u我国悬索桥的发展•汕头海湾大桥•西陵长江大桥(主跨900米)•广东虎门大桥(主跨888米)•香港青马桥(主跨1377米)•江阴长江大桥（主跨1385m）n8.1悬索桥概述悬索桥概述u按锚固形式分•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u按力学性态分•柔性悬索桥•刚性悬索桥n8.1悬索桥概述悬索桥概述u典型的悬索桥美国新的旧金山海湾大桥方案美国新的旧金山海湾大桥方案n8.1悬索桥概述悬索桥概述u典型的悬索桥美国金门大桥美国金门大桥n8.1悬索桥概述悬索桥概述u典型的悬索桥明石海峡桥明石海峡桥n8.1悬索桥概述悬索桥概述u典型的悬索桥江阴长江公路大桥江阴长江公路大桥n8.2 悬索桥构造特点悬索桥构造特点u主缆 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n8.2 悬索桥构造特点悬索桥构造特点u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n8.2 悬索桥构造特点悬索桥构造特点u加劲梁 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n8.2 悬索桥构造特点悬索桥构造特点u吊索 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。

n8.2 悬索桥构造特点悬索桥构造特点u锚碇 锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力传递给地基 n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u主缆•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；–平顶形；–方阵式；n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u主缆•编制方法——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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u主缆的保护•锈蚀原因 架设期间水份进入；防护完成后线形变化、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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u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）n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u吊索•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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u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。

n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u索夹•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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u吊索与索夹的联结方式•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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u吊索与索夹的联结方式•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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u吊索与索夹的联结方式n8.3 悬索桥的构造悬索桥的构造 特点特点u吊索与主缆连接•4股骑跨式n8.3 悬索桥的悬索桥的 构造特点构造特点u吊索与主缆 连接•双股销铰式索箍索夹n8.3 悬索桥的悬索桥的 构造特点构造特点u骑跨式吊索与主缆（索夹）以及与加劲梁之间的连接n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u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）n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u桥塔•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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u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n8.3 悬索桥构造特点悬索桥构造特点u桥塔n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u桥塔•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•钢筋砼刚构式桥塔是悬索桥的桥塔最佳选择n8.3 悬索桥构造特点悬索桥构造特点u加劲梁n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u加劲梁比 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此外，钢板梁也有采用n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u锚碇（地锚式悬索桥）•由主缆的锚碇架及固定装置、锚块、锚块基础组成•基本分类–重力式锚碇–隧道式锚碇–岩锚n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u锚碇（地锚式悬索桥）•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–目前预应力锚拉工艺已经陆续取代前两者n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u锚碇（地锚式悬索桥）•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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u锚碇（地锚式悬索桥）n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点 （重力锚碇实例）（重力锚碇实例）n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u目前常采用的锚碇构造n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u其它的特殊的锚碇•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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u索鞍（鞍座）•塔顶主索鞍•塔顶主索鞍–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•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。

n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u索鞍（鞍座）•塔顶主索鞍： 鞍槽、腹板底板和加劲肋板等（腹板传递鞍槽压力，横肋加强）构成•布置形式： 两块斜腹板；单（两）块竖腹板n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u索鞍（鞍座）•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n8.3 悬索桥的构造特点悬索桥的构造特点u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n8.3 悬索桥构造特点悬索桥构造特点u塔顶鞍座虎门主索鞍江阴主索鞍散索鞍n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u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•取消悬吊的边跨加劲梁又导致结构的整体刚度降低•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。

n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u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•钢桥塔的用钢量随垂跨比的增加而增加n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u垂跨比 （主缆矢跨比）•垂跨比越大，悬索桥的竖向、横向整体刚度越大•对振动特性的影响：垂跨比增大时，竖向挠振固有频率和极惯矩降低；扭振固有频率增大n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u高跨比（加劲梁高与主孔跨度之比） •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，•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n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u高跨比（加劲梁高与主孔跨度之比） •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 ；n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u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。

n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u宽跨比•一般而言，宽跨比越大，梁体越宽，梁体横向挠曲刚度越大•已建大跨度悬索桥的宽跨比大致在1/40～1/60 n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u加劲梁的支承体系•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n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u加劲梁的支承体系•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n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u加劲梁的支承体系：•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n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u主缆与加劲梁的特殊联结•传统做法：主缆只通过吊索与加劲梁联结n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u主缆与加劲梁的特殊联结•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n8.4 悬索桥的结构设计特点悬索桥的结构设计特点u主缆与加劲梁的特殊联结•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n8.5 悬索桥的计算方法悬索桥的计算方法u弹性理论•不考虑结构体系变形对内力的影响，按普通的结构力学方法计算，计算结构偏大这种方法只适用于跨度小于200m且加劲梁的高度为跨径的1/40左右时的悬索桥n8.5 悬索桥的计算方法悬索桥的计算方法u挠度理论•随着悬索桥向大跨度方向发展，主缆的几何非线性问题非常突出，必须考虑结构体系变形对内力的影响，这是二次内力影响问题，不能采用普通结构力学方法计算，从而发展了挠度理论，建立了非线性微分方程n8.5 悬索桥的计算方法悬索桥的计算方法u线性挠度理论•这是挠度理论的简化方法，随着悬索桥桥跨度的增大，活载与恒载之比变小，由活载所产生的缆索水平拉力的增量所分担的荷载降低值也相对变小，可以省略挠度理论中非线性微分方程的二次项，变成线性微分方程，这是简单的线性挠度理论。

n8.5 悬索桥的计算方法悬索桥的计算方法u非线性有限位移理论•该方法是适合于电算的有限元方法，全面考虑大位移引起的悬索桥几何非线性因素，计算结果比挠度理论精确。