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悬索桥 第一节 悬索桥总体设计 第二节 悬索桥构造 第三节 悬索桥施工 第四节 悬索桥计算 第五节 自锚式悬索桥简介 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第一节 悬索桥总体设计 1. 悬索桥的组成及发展概况 2. 悬索桥的结构体系 3. 悬索桥的总体布置 第九章第九章 悬索桥悬索桥 1. 悬索桥的组成及发展概况 悬索桥是由主缆、加劲梁、塔柱和锚碇构成 。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 悬索桥的四个发展阶段： 第一代悬索桥，采用天然材料修建，后期也采用了 铁索等，一般没有吊杆或吊索，承重结构与使用构 造合二为一。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第二代悬索桥，开始采用了吊杆将桥面与主索 分开。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第三代悬索桥，形成了美式悬索桥体系，主缆采用纺 丝法，加劲梁采用桁架梁，桥塔以钢塔为主。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第四代悬索桥，以流线形扁平钢箱为主要特征的 英式悬索桥。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 2. 悬索桥的结构体系 地锚式：单跨、三跨简支加劲梁、三跨连续加劲梁 第九章第九章 悬索桥悬索桥 自锚式：单塔双跨、双塔三跨 单塔双跨双塔三跨 第九章第九章 悬索桥悬索桥 带斜拉索的悬索桥 1883年建成的纽约布 鲁克林大桥，主跨 484m，是最早的带斜 拉索的悬索桥。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 斜拉悬吊混合式悬索桥 1997年建成的贵遵高等级公路乌江大桥，主跨 288m，主梁为高强预应力薄壁箱梁，采用全截 面缆吊预应力悬拼施工，最大吊重为76吨，是 世界首座吊拉组合桥。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 立面图 第九章第九章 悬索桥悬索桥 悬索桥 桥名国家主跨成桥时间 布鲁克林桥美国 486 1883 曼哈顿桥美国 4481909 华盛顿桥美国 10671931年一期，1962年二期 金门大桥美国 1280 1937 奥克兰海湾大桥美国 704 1936 韦拉扎诺桥美国 12981964 塞文桥英国987.61966 博斯普鲁斯大桥 土耳其 1074 1973 虎门大桥中国 888 1997 大贝尔特东桥丹麦 1624 1997 明石海峡桥日本 1991 1998 青马大桥中国 1377 1998 江阴长江大桥中国 1385 1999 润扬大桥中国14902005 第九章第九章 悬索桥悬索桥 总体布置应考虑的结构特性 跨度比 垂跨比 宽跨比 高跨比 加劲梁支承体系 主缆与加劲梁的连接 吊索间距 3. 悬索桥的总体布置 第九章第九章 悬索桥悬索桥 （1） 跨度比 三跨对称悬索桥边跨与中跨跨度比一般 为0.30.5。从结构特性来考虑，悬索桥单 位长度桥长所需钢材随跨度比减小而增大； 从结构竖向变形来看，则以减小跨度比有利 。 （2）垂跨比 主缆拉力随垂跨比按反比例关系变化。 垂跨比越大，悬索桥横向和竖向整体刚度越 小。地锚式悬索桥一般取1/8-1/12。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 （3）宽跨比 中小跨径一般大于1/20，悬索桥在1/60- 1/40. （4）高跨比 桁架式加劲梁：1/180-1/70； 箱形加劲梁：1/400-1/300. 第九章第九章 悬索桥悬索桥 （5）加劲梁支承体系 主要指在桥塔处主梁是否连续。一般三跨悬 索桥大多为非连续。 （6）主缆与加劲梁的连接 中央扣、中间斜索、边跨端部的端斜索 （7）吊索间距 跨径在80m到200m范围内的吊桥，吊桥间距 一般取58m。跨径增大，吊杆间距也应增大， 有时达20 m左右。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第二节 悬索桥构造 1. 桥塔 2. 缆索系统 3. 加劲梁 4. 鞍座 5. 锚碇 第九章第九章 悬索桥悬索桥 1.桥塔 1.1 桥塔结构形式 按材料分类：石砌圬工塔、摆动式钢塔、下 端固定钢塔、钢筋混凝土塔 按纵向结构形式：刚性塔、柔性塔、摇柱塔 按横向结构形式：刚构式、桁架式、混合式 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 刚性塔在主鞍座下设辊轴，使鞍座能够可沿纵向 移动。柔性塔鞍座固定于塔顶，构造简单，维修 保养容易。有些小跨度悬索桥中曾采用过摇柱式 塔，现已不再采用。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 日 本 关 门 桥 桥 塔 第九章第九章 悬索桥悬索桥 美 国 金 门 大 桥 桥 塔 第九章第九章 悬索桥悬索桥 1.2 塔柱截面形式 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 2.缆索系统 2.1 主缆 主缆的材料有藤索、竹索、铁索、眼杆链、 钢丝。现代悬索桥采用钢丝绳（跨度500m 以下） 和平行钢丝束两种。平行钢丝束分为预制平行束 股和空中纺丝法。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 主缆丝股排列型式 尖顶型、平顶型 紧缆后丝股的截面 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 2.2 吊索 （1）吊索的材料 可用钢丝绳、平行钢丝束或钢绞线等材料制作 。 （2）与索夹的连接方式 骑跨式、销铰式 （3）竖吊索与斜吊索 传统的吊索都是垂直的，从英国的塞文桥开始 使用斜吊索。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 2.3 索夹 索夹由铸钢制作，分成左、右两半或上、下两半 。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 3. 加劲梁 加劲梁主要起支承和传递荷载的作用。加劲 梁大都采用等高度钢桁架梁或扁平钢箱梁。桁架 的抗扭刚度相对较小，所以其梁高比流线型箱梁 的要高得多，以满足抗风要求。 加劲梁结构形式：（1）钢板梁（2）钢桁梁 （3）钢箱梁（4）钢筋混凝土箱梁 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 4. 鞍座 4.1 塔顶主鞍座 设在塔顶的鞍座叫主鞍，一般由铸钢件构成， 包括鞍槽、腹板、底板、加劲肋等。鞍槽采用铸 钢件，鞍槽下的支撑结构用厚钢板的焊接结构， 鞍槽与支撑结构之间也用焊接。为方便吊装，主 鞍座在纵向可分为两段或三段吊装。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 日本关门悬索桥主索鞍 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 4.2 副鞍座 边跨较大时，可在边墩设副鞍座。设置 在边跨靠岸端的墩架或钢排架顶，改变主 缆在竖直面内的方向，以便进入锚碇。 （1）固定式 （2）辊轴或摇杆式 第九章第九章 悬索桥悬索桥 新港桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 4.3 散索鞍 将钢丝束股在水平和竖直方向散开以便 于锚固。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 5. 锚碇 地锚分重力式和隧洞式（或岩洞式）两种。 重力式地锚尺寸大，工程量也大。 隧洞式地锚工程量较小，但需有坚实山体岩层可 加以利用。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 日本明石海峡桥锚碇 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 当主缆在锚碇前墙处需要展开成丝股并改变方向时 ，则需设置主缆支架。主缆支架可以设置在锚碇之 外，也可以设置在锚碇之内。主缆支架主要有三种 形式：钢筋混凝土刚性支架、钢制柔性支架及钢制 摇杆支架。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第三节 悬索桥施工 1.基本施工步骤 2.主缆架设 3.加劲梁的安装 第九章第九章 悬索桥悬索桥 1.基本施工步骤 先修建基础、锚碇、桥塔； 利用桥塔架设施工便道（称为猫道）； 通过猫道来架设主缆； 安装吊索、拼装加劲梁。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 2.主缆架设 （1）准备工作：安装吊机、各种鞍座、绞车 及转向设备。 （2）架设导索 （3）架设拽拉索和猫道 （4）架设主缆 （5）安装吊索 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 架设导索的两种方法 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 3.加劲梁的安装 两种方案： 1.从跨中向桥塔附近推进 2.从桥塔向跨中推进 第九章第九章 悬索桥悬索桥 方 案 一 第九章第九章 悬索桥悬索桥 方 案 二 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第四节 悬索桥计算 1.静力计算方法 2.动力计算方法 第九章第九章 悬索桥悬索桥 1.静力计算方法 竖直荷载作用下的计算方法： 弹性理论、挠度理论、有限位移理论 第九章第九章 悬索桥悬索桥 1.1 弹性理论 弹性理论的基本假定如下： （1）主缆无弯曲刚度，加劲梁沿桥纵向抗弯 刚度不变； （2）恒载集度沿跨度方向均布且全部由主缆 承受，恒载下主缆的几何形状为二次抛物线 ； （3）活载作用下不考虑吊索的伸长。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 根据以上假设，可以得到加劲梁任意截面的活载弯矩 如下： 式中：mq0为相应简支梁弯矩，即活载使基本体系产生 的内力；hq为活载产生的主缆水平力；y为相应截面主 缆竖向坐标（以塔顶为零点）。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 弹性理论将悬索桥作为线弹性结构进行计算 ，叠加原理及影响线加载均适用，但没有考虑恒 载对竖向刚度的贡献，也没有考虑位移的非线性 影响，其计算结果是偏安全的。悬索桥跨度较大 时，弹性理论的计算结果将严重偏离实际，加劲 梁截面尺寸过大，造成材料的浪费。弹性理论在 相当长的一段时间内支配着悬索桥设计，直至今 日，跨度小于200m的悬索桥设计仍可借用。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 1.2 挠度理论 1862年有学者提出了无加劲悬索桥的挠度理论 ，1888年，奥地利j.melan教授发表了有加劲悬索 桥的挠度理论并于1906年进行了改进。1908年， l.s.moiseiff在设计纽约manhattan大桥时首次采 用挠度理论并显示出该理论的优越性。此后，巴西 的florianpolis桥，美国的华盛顿桥、金门桥，英 国的福斯桥、塞文桥等大量悬索桥都采用了挠度理 论，并在实践中对理论进行了一些修正和发展。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 挠度理论基于以下假定： （1）加劲梁为等截面，恒载沿跨度方向均布， 恒载下主缆呈抛物线，加劲梁内无应力； （2）吊索为竖直，不考虑其在活载作用下的伸 长和倾斜，视为仅有竖向抗力的膜； （3）主缆和加劲梁只有竖向位移，不考虑其纵 向位移。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 根据挠度理论，地锚式悬索桥加劲梁任意截面的活载 弯矩为： 式中：挠度理论的计算值比弹性理论多了最后一项， 这表明主缆在恒载和活载下的水平力将起到减小加劲 梁中活载弯矩的作用。可以将上式写成微分方程形式 如下： 上述微分方程是非线性的，各国学者对其求解做了大 量的工作。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 1.3 有限位移理论 1966年，brotton引进矩阵位移法将悬索桥当 作平面杆系结构进行有限元分析，计入初始轴力和 大位移的二次影响，得到了非线性情况下的切线刚 度矩阵，并采用newton-raphson迭代法求解增量形 式的方程式。随后，saafan、tezcan、poskitt也 相继发表了他们的研究成果，从此悬索桥的分析步 入了有限位移理论时代。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 有限元位移理论将将悬索桥离散为杆系结构， 按非线性杆系有限元进行求解，可以计及吊杆的倾 斜与伸长、缆索节点的水平位移、加劲梁的水平位 移及剪切变形等任何非线性的影响及任意边界条件 ，而这些因素由于解析方法与微分方程的求解困难 在挠度理论中不得不加以忽略，因此有限位移理论 的计算结果更为精确，是目前大跨度悬索桥分析计 算中普遍采用的方法。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 2.动力计算方法 2.1 自由振动 2.2 强迫振动 （1）车振 （2）风振 （3）地震 旧塔科马大桥风毁录像 第九章第九章 悬索桥悬索桥 第五节 自锚式悬索桥简介 1. 自锚式悬索桥概况 2. 自锚式悬索桥受力特点 3. 自锚式悬索桥施工 第九章第九章 悬索桥悬索桥 1. 自锚式悬索桥概况 自锚式悬索桥与地锚式悬索桥结构形式上的 主要差别是将主缆锚固于加劲梁上，但两者的受 力体系及施工方法有着很大的差别。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 19世纪后半叶，奥地利工程师约瑟夫朗金和美 国工程师查理斯本德分别独立地构思出自锚式悬 索桥的造型，朗金在1859 年写出了这种构想，本 德于1867年申请了专利。 1870年，朗金在波兰设计建造了世界上首座小型 铁路自锚式悬索桥。 1915年, 德国设计师在科隆的莱茵河上建造了主 跨达185m的科隆-迪兹自锚式悬索桥，采用临时木 脚手架支撑钢梁直到主缆就位。该方案的选择主要 是因为其外形美观，而地质条件又不允许修建锚碇 。主缆采用了眼杆结构，因而能方便地锚固在加劲 梁上。科隆-迪兹桥1945年被毁，但原来桥台上的 钢箱梁仍保存至今。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 科隆-迪兹桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 科隆-迪兹桥建成后25年间德国在莱茵河上又 修建了4 座悬索桥，其中1929年建成的主跨315 m 的科隆-米尔海姆桥最为著名。这座桥最初选中了 钢拱桥方案，由于担心恶劣的地质情况不能承担拱 脚的推力，改为了自锚式悬索桥。尽管该桥在1945 年被毁后重新修建为地锚式悬索桥，但保持自锚式 悬索桥的跨径记录达70年之久。 第九章第九章 悬索桥悬索桥 科隆-米尔海姆桥 第九章第九章 悬索桥悬索桥 19251928年间美国宾夕法尼亚州匹兹堡市在阿 勒格尼河上修建的三座非常相似的自锚式悬索桥。在 规划第六、第七和第九街桥时，城市艺术委员会从美 观的角度提出了采用悬索桥。匹兹堡的工程师指出恶 劣的地质条件不能修建锚碇，因而选择了自锚式结构 ，并采用了类似科隆-迪兹桥的眼杆结构、拱形桥塔 和连续钢箱梁。匹兹堡桥主跨为131135 m，在眼杆 和加劲梁之间采用临时压杆作为支撑，从每个支撑向 外悬臂施工，直到主跨合拢和主缆在中间连接。这种 施工技术比科隆-迪兹桥有了很大进步，每座桥的工 期都在15个月之内。1995年维修后，这三座桥在建成 70年后仍然正常工作。