（市政工程专业论文）三塔拱形塔斜拉桥的静态力学性能研究.pdf

三塔拱形塔斜拉桥的静态力学性能研究 摘要 随着斜拉桥建造技术和经济的发展，能满足较大跨越能力的多塔斜拉桥 方案越来越受到桥梁工程师们的青睐，而多塔斜拉桥中又以预应力混凝土三塔 斜拉桥居多。对于预应力混凝土三塔斜拉桥，如何确保活载作用下结构整体刚 度并保持结构美观是发展这类桥型的关键问题。为此以马鞍山长江公路大桥右 汊三塔拱形塔斜拉桥为工程背景，运用有限元软件m i d a s c i v i l 建立全桥空间 模型对该桥进行静力计算，然后对该桥的中塔刚度进行探讨。在此基础上，通 过改变支承条件，结构布置，主梁、索塔和斜拉索的刚度以及辅助墩的设置来 研究这些因素对三塔拱塔斜拉桥力学行为的影响他三塔斜拉桥的设计提供参 考。通过一系列的工作，可为其 关键词：三塔拱形塔斜拉桥：刚度；静态；力学性能 s t a t i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e s e a r c ho f t h r e e - - a r c h - - p y l o nc a b l e - s t a y e db r i d g e a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc a b l e s t a y e db r i d g e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y a n d e c o n o m y ，e n g i n e e r sp a y m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t ot h em u l t i s p a n c a b l e s t a y e db r i d g ew h i c hc o u l dm e e tt ol a r g e rs p a n n i n gc a p a c i t y ，a n dt h e p c t h r e e - p y l o nc a b l e s t a y e d b r i d g e s a r eu s e dm o r e a sf o rp ct h r e e 。p y l o n c a b l e - s t a y e db r i d g e ，h o wt o i n s u r et h ew h o l es t r u c t u r a ls t i f f n e s sa sw e l la st h e b e a u t i f u la p p e a r a n c eu n d e rt h el i v el o a di st h ek e yp r o b l e m a c c o r d i n g l y ，b a s e d o n t h e t h r e e - a r c h p y l o nc a b l e s t a y e db r i d g e o ft h er i g h tb r a n c h o fc h a n g j i a n g h i g h w a vb r i d g eo fm a a ns h a n b u i l du pt h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ew h o l e b r i d g ew i t hm i d a s c i v i l ，o n el a r g e s c a l e f e ms o f t w a r e ，a n dc a r r yo u ts t a t i c c a l c u l a t i o n t h e nd i s c u s st h es t i f f n e s so ft h em i d d l et o w e r a f t e rt h a t ，o nt h e b a s i so ft h i sf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，r e s e a r c ht h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t h r e e p y l o nc a b l e s t a y e db r i d g et h r o u g hc h a n g i n gs u p p o r tc o n d i t i o n ，s t r u c t u r a l a r r a n g e m e n t ，t h es t i f f n e s so f b e a m 、t o w e ra n ds t a yc a b l e ，a n da s s i s t a n tp i e rs e t t i n g t h ew o r ka i m st op r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fo t h e rt h r e e 。p y l o n c a b l e s t a y e db r i d g e k e y w o r d s ：t h r e e 。a r c h p y l o nc a b l e s t a y e db r i d g e ；s t i f f n e s s ；s t a t i c ；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e 2 插图目录 图1 1 跨江主体部分线路平面布置图4 图1 2 右汊桥位图4 图1 3 右汉桥方案构思5 图1 4 方案一结构布置图6 图1 5 方案二结构布置图6 图1 6 方案三结构布置图6 图2 1 双塔斜拉桥的力学行为9 图2 2 三塔斜拉桥的力学行为1 0 图2 3 刚性塔方案1 5 图2 4 加劲索方案16 图2 。5 汀九大桥设塔间倾斜索加劲1 7 图3 1 右汊三塔拱塔斜拉桥的结构布置图2 4 图3 2 主梁横断面布置图2 5 图3 3 中塔和边塔结构布置图2 7 图3 4 辅助墩与过渡墩构造2 8 图3 5 主塔施工流程示意图2 9 图3 。6 主梁施工主要流程示意图3 0 图3 7 拱塔立面与正面造型3l 图3 8 主塔造型演变3l 图3 9 全桥有限元模型3 4 图3 1 0 主梁活载竖向变形图3 6 图3 1 l 中塔活载变形图3 6 图3 1 2 边塔活载变形图3 6 图3 1 3 恒载与活载作用下索力图3 8 图3 。1 4 组合一中塔内力图4 0 图3 1 5 组合一中塔应力图4 l 图3 1 6 组合二中塔内力图4 2 图3 17 组合二中塔应力图4 2 图3 1 8 组合三中塔内力图4 3 图3 1 9 组合三中塔应力图4 4 图3 。2 0 组合一下边塔应力图4 5 图3 2 1 主梁竖向挠度变化对比图4 6 图3 2 2 索力变化对比图4 7 图3 2 3 主梁最大竖向挠度与中塔塔顶位移的变化关系4 7 6 图3 2 4 中塔刚度与中塔塔顶位移的变化关系4 9 图4 1 基本模型5 3 图4 2 模型一5 3 图4 3 模型二5 3 图4 4 模型三5 3 图4 5 模型四5 3 图4 6 活载作用下各模型的内力位移对比图5 5 图4 7 基本模型的变形与主梁刚度的关系5 6 图4 8 基本模型的中塔弯矩与主梁刚度的关系5 7 图4 。9 基本模型的主梁内力与主梁刚度的关系5 7 图4 1 0 基本模型的塔顶位移与桥塔刚度的关系5 9 图4 1 1 基本模型的中跨和边跨跨中挠度与桥塔刚度的关系5 9 图4 12 基本模型的中塔弯矩与索塔刚度的关系6 0 图4 一1 3 基本模型的主梁弯矩与索塔刚度的关系6 0 图4 1 4 中跨跨中弯矩和中塔塔底弯矩与拉索刚度的关系6 2 图4 15 斜拉索应力幅对比6 4 图4 16 辅助墩个数对斜拉桥内力影响对比6 5 图4 17 辅助墩个数对斜拉桥变形影响对比6 5 图4 18 辅助墩个数对斜拉索应力影响对比6 6 表格目录 表1 1 右汊斜拉桥方案比选汇总表7 表2 1 国内外已建成的三塔斜拉桥实例1 8 表2 2 某些三塔斜拉桥的桥塔参数2 0 表3 1 方案要点一览表2 3 表3 2 混凝土材料性能指标3 2 表3 3 钢绞线性能表3 3 表3 。4 结构变形表3 5 表3 5 各组合作用下结构反力表3 7 表3 。6 斜拉索强度验算表3 8 表3 7 中塔应力表4 4 表3 8 各组合下边塔内力4 4 表3 。9 边塔应力计算表4 6 表4 1 活载与温度作用的不同支承体系下的结构位移5 l 表4 2 活载作用的不同支承体系下的结构内力5 l 表4 3 全桥温度均匀变化作用的不同支承体系下的结构内力5 2 表4 4 活载作用下各模型的位移比较5 4 表4 5 活载作用下各模型的内力比较5 4 表4 6 主梁惯性矩增至1 2 倍时各模型结构变形比较5 8 表4 7 索塔刚度增至1 2 倍时各模型结构变形比较6 l 表4 8 结构位移与拉索刚度的关系6 2 表4 9 辅助墩对结构内力影响6 3 表4 1 0 辅助墩对结构位移影响6 3 表4 11 辅助墩对结构内力的影响6 5 表4 1 2 辅助墩对结构变形的影响6 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金理王些太堂 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：满滂丰签字日期：撕c 7 r 年4 月上f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金起兰些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金起王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：番廊辛 导师签名： 签字日期：呻年年月上f 日 学位论文作者毕业后去向： 书n 州 签字魄力，( 7 卿月t 7 日 工作单位：上两审p 遵垣今轨遵互逝专曼1 t 1 越电话：纰l 一6 弓5 斗年占5 0 通讯地址：上两币天日t 与曙习。3 邮编： 2 0 0 0 够 一3 一 致谢 本论文是在导师杨成斌教授的亲切关怀和悉心指导下完成的，从论文选 题、资料收集、数据整理到论文的撰写、论文修改、论文成稿，每个环节都倾 注了杨老师的心血。近三年来，杨老师从学习和生活各方面都给于我无微不至 的关怀、鼓励和精心指导。杨老师老师渊博的学识、开阔的思路、严谨求实的 治学学风、诲人不倦的学者风范、刻苦专研精神和开创创新精神、宽容、豁达 的胸襟以及注重实践实用的作风始终是我学习的风范，成为我笔永远宝贵的 财富。在论文完成之际，我谨向杨老师致以深切的敬意和衷心的感谢! 感谢土木与水利工程学院的各位领导和老师，他们的辛勤工作和热心的指 导为我的求学和论文写作创造条件和机会! 感谢安徽省交通规划设计研究院和中铁大桥局勘测设计院年轻优秀的工 程师们，他们丰富的设计经验和耐心的解答使我的专业知识更向实际靠拢。 感谢师门所有的兄弟姐妹们在我论文撰写过程中给我关心和无私的帮助。 感谢在我学习、工作和成长过程中所有关心和帮助过我的人们。 最后，谨以此文献给我最亲爱的家人，衷心感谢我的父母多年以来对我学 业的支持和鼓励。在此向我的父母表达我最深的敬意和永远的爱。 作者：潘路平 2 0 0 9 年4 月2e t 第一章绪论 1 1 三塔斜拉桥的发展概况及国内外研究现状 1 1 1 三塔斜拉桥的发展概况 三塔斜拉桥属于多塔斜拉桥的一种。随着国民经济的发展，大跨径桥梁成 为形势所需。当需要多个较大通航孔或地形等其他条件制约耐，有可能要修建 多塔斜拉桥。 世界上最早的多塔斜拉桥是委内瑞拉的马拉开波( m a r a c a i b o ) 桥，建于l9 6 2 年。由于理论和技术的不完善，多塔斜拉桥发展较为缓慢，直到2 0 世纪9 0 年 代，人们又重新重视这一桥型，设计并修建了一些多塔斜拉桥，我国也修建了 香港汀九大桥、岳阳洞庭湖大桥等多塔斜拉桥。随着计算理论和施工技术的进 步，多塔斜拉桥将得到新的发展。 目前国内外已建成的三塔斜拉桥有【8j ： 墨西哥墨兹卡拉大桥：这是一座三塔双索面结合梁斜拉桥，跨径布置为 ( 5 7 + 7 9 8 6 + 3 1 1 4 + 2 9 9 4 6 + 8 3 8 4 + 6 7 8 7 ) m 。主塔在顺桥向为变宽度独柱， 在横向呈花瓶形。主墩为混凝土空心墩。主梁由两工字形钢梁与混凝土桥 面板组成。斜拉索呈扇形布置，索距为1 2 m 。塔墩固结，主梁在纵向仅与 左塔固结。 香港汀九大桥：这是一座三塔四索面结合梁斜拉桥，跨径布置为 ( 12 7 + 4 4 8 + 4 7 5 + l2 7 ) m 。主塔为独柱式，顺桥向中塔宽为lo m ，边塔宽为 8 m ，横桥向中塔和边塔宽度均为5 m 。斜拉索为4 索面布置，每2 个索面拉 一个4 车道主梁，在每隔13 5 m 处( 斜拉索在主梁上的锚固处) 用横梁将2 个主梁连接，以传递斜拉索横向水平分力。以往多塔斜拉桥常采用刚性塔 方案，而汀九大桥用了柔性塔，它的加劲方法是设置倾斜加劲索，即用加 劲索将中塔塔顶与两个边塔处的桥面相连，以此控制中塔的变位。这种处 理方式大胆而有创意，但这种加劲索的布置也影响了桥梁的美观。 台北的淡水河桥( 光复桥) ：这是一座形式上的三塔斜拉桥。跨径布置为 ( 7 6 + 13 4 + 1 3 4 + 6 7 ) m 。采用预应力混凝土梁式截面主梁。该桥在两个主跨 的中间设有能转动与伸缩的铰，这样整个结构实际上是三个以塔为中心的 双向伸臂结构物用铰进行串连，斜拉索与桥塔对主梁仅起到了体外预应力 索与转向支架的补强作用。 岳阳洞庭湖大桥：这是一座三塔双索面预应力混凝土斜拉桥。跨径布置为 ( 1 3 0 + 3 1 0 + 3 1 0 + 1 3 0 ) m ，为全飘浮体系。索塔为宝石形，塔身及横梁均采 用5 0 号预应力混凝土空心截面。中塔高于桥面1o o m ，高出承台顶面 1 2 5 6 8 m ，边搭高于桥面7 5 m ，高出承台顶面9 9 31m 。主梁采用分离式双主 肋兀型断面。双索面索呈扇形布置。中塔每边各2 2 对索，边塔每边各16 对索，全桥共1 1l 对索。该桥通过加大索塔尺寸和主梁高度、在中跨跨中 和边跨梁端加配重、减小背索索距等方法解决刚性塔的问题。 夷陵长江大桥：这是一座三塔单索面预应力混凝土斜拉桥。跨径布置为 ( 3 8 + 3 8 5 + 4 3 5 + 3 4 8 * 2 + 4 3 5 + 3 8 5 + 3 8 ) m 。采用中塔与梁墩固结，边塔处主 梁飘浮的结构体系。索塔纵向为单柱式，横向为倒y 形。主梁采用抗扭刚 度较大的箱形截面。该桥通过在两边跨各设两个辅助墩、将背索索距由8 m 减小至5 5 m 等方法提高结构整体刚度。 另外我国还有一批拟建的三塔斜拉桥，如武汉的二七长江大桥，主跨 6 l6 m ，它将是世界上最大跨度的三塔斜拉桥。还有济南的建邦黄河大桥，将是 黄河上第一座三塔斜拉桥。目前，我国的斜拉桥设计施工技术正处于高速发展 的阶段。 1 1 2 三塔斜拉桥的国内外研究现状 从2 0 世纪5 0 年代至今，中外许多桥梁学者都对多塔斜拉桥进行了研究。 和多塔斜拉桥一样，三塔斜拉桥由于中间塔没有边锚索固定，在中f b j 跨加载时， 中间塔的塔顶水平位移加大，导致整个结构变位过大，结构刚度问题成为设计 关键。因此中外学者的研究也围绕着如何提高三塔斜拉桥的整体刚度。 丹麦桥梁专家吉姆辛曾深入研究了多塔斜拉桥的性能1 9 j ，他认为减小中间 塔及梁变位的方法有：将各塔的顶部以水平加劲索相连；设置交叉加劲索，将 塔顶和相邻塔的桥面上以加劲索相连：加大桥塔( 特别是中间塔) 刚度；将斜拉 索在跨中附近交叉布置。并认为设水平加劲索和加大桥塔刚度最有效。同时认 为中间塔采用三角形塔柱能获得较大的抗弯刚度。 在设计香港汀九大桥的过程中，s c h l a i c h 教授对三塔斜拉桥进行了新的探 索，第一次采用柔性塔，以纵向、横向加劲索保证结构的整体刚度。并对全桥 进行了风洞实验，证明加设横向加劲索后，由风荷载引起的横向弯矩能降低 5 0 ，通过实验研究与理论计算后，认为采用柔性塔与纵向、横向加劲索的多 跨斜拉桥的气动稳定性能满足要求。 我国对多塔斜拉桥的研究较晚，主要研究围绕汀九大桥、洞庭湖大桥和夷 陵长江大桥展开。 胡建华、廖建宏等在设计洞庭湖大桥的过程中，对多塔斜拉桥的结构布置 2 及力学性能做了探讨，主要认为：从桥梁的美学效果上讲，不宜采用附设加劲 索的方案，斜拉索布置以扇形为好，确定p c 多塔斜拉桥合理成桥状态最好用 应力平衡法，同时应重视预应力次内力及活载的影响。 长沙交通学院的张起森教授、颜东煌博士及其课题组成员对洞庭湖大桥进 行了模型实验研究及理论分析。主要包括该桥的施工过程受力分析、梁塔几何 非线性分析。 同济大学的石雪飞等对三塔斜拉桥的结构体系和结构刚度进行了分析。 上海铁道学院的王刚副教授，以京沪高速铁路南京越江方案中的三塔斜拉 桥方案为例，分析了三塔斜拉桥车桥耦合振动，认为三塔斜拉桥只要自振频率 远离列车的激励频率，其横向和竖向刚度一般都能满足要求叽1 2 1 。 1 2 研究三塔斜拉桥的意义 自1 9 5 5 年瑞典建成第一座现代斜拉桥以来，斜拉桥这一结构形式在世界 上迅速发展，但现有的斜拉桥一般都是独塔双跨式或双塔三跨式，而三塔四跨 式且具有连续主梁的斜拉桥很少。一方面是由于这种桥型受力较为复杂，研究 工作做得很有限；另一方面是斜拉桥属超大跨径桥梁，需要多个超大跨径桥梁 来跨越的桥位情况比较少。 斜拉桥属高次超静定的柔性结构，受力性能比较复杂，而三塔斜拉桥的整 体刚度比独塔或双塔斜拉桥明显要小，受力性能也更为复杂。三塔斜拉桥由于 中间塔顶没有端锚索来有效地限制它的变位。因此，己经是柔性结构的斜拉桥 采用三塔四跨式将使结构的柔性更大，随之而来的是变形过大的问题。在现有 的已建斜拉桥中，三塔四跨式斜拉桥通常将中间塔做成刚性塔，或将中间塔的 后拉索做成相互交错，使中间塔的端锚索锚固在另一塔上。刚性塔的设置将大 大增加桥塔的造价，往往很不经济。因此，若能找到一种办法使三塔斜拉桥的 中间塔不做成刚性塔同时又能保证结构整体的刚度，必将大大减少三塔斜拉桥 的造价，提高经济效益。为了开发这种桥型，满足特殊使用要求，增加三塔斜 拉桥在实际工程上的可行性，有必要开展对三塔斜拉桥静力性能的研究。 1 3 课题来源 本课题来源于马鞍山长江公路大桥右汊桥梁的设计。 1 3 1 工程概述 拟建马鞍山长江公路大桥是继芜湖、铜陵、安庆长江大桥后，长江安徽段 上的第四座大桥。该桥及接线工程位于安徽省东部，连接马鞍山和巢湖两市。 线位总里程3 61 4 0 2 3 7 公里，其中跨江主体音| f 分1 1 k m 包括左汉桥和右汉桥以 及江心洲互通立交1 处。跨江主体部分线路平面布置见f 罔： 幽1 1 踌江主体部分线路平面布置削 江心洲汉道左汝为主汉，右汉为支汉。右汉土桥位于江心洲南岸靠近马 鞍t l l 市区一侧，与著名的采石矾风景区相距约2 公里，距离城市中心也仅为十 几分钟的车程，与开发区的城市建设基本连成一片同时北岸则是风景秀丽的 江心洲。因此，右汉主桥在一定程度上接近为城市桥粱，桥粱景观要求较高。 翻卜2 是右汉桥位图。 1 32 右汉桥的建设条件 幽1 2 右汉桥位幽 江心洲右汉属弯曲型河型，洪水期江面宽约9 0 0 m ，枯季宽约5 5 0 m 。多年 来平面及深泓变化不大，深槽位于右侧。 交通部文件【2 0 0 6 6 3 2 号“关于马鞍山长江公路太桥通航净空尺度和技 术要求的批复”要求支汉( 即右汉) 按i i i 级航道设计要求单孔单向通航净宽 不小于1 9 0 m ，单孔双向通航净宽不小于3 3 0 m ，通航净高不低于1 8 m 。江心洲 右汊的河势条件要较左汊稳定，基岩较浅，建桥条件较好”。 1 3 3 右汊桥的方案构思 基于右汊桥的建设条件，在桥型方案的设计上除了安全经济外，需要综合 考虑航道、港口以及桥梁景观等因素。 右汊桥的方案构思思路如图1 3 。 总体设计理念 一跨过江p 独柱双塔斜拉桥 桥巍择，总办案，两跨过江。独柱三塔斜拉桥”耋主：柔羹茬曩推荐方案 图1 3 右汊桥方案构思 根据建设条件和技术标准，以及相关专题研究成果，遵照交通部的相关批 复，总体跨度按照通航孔要求并兼顾长江大堤综合布置：针对3 3 0 m 单孔通航 采用一跨过江方式，主跨度采用3 8 0 m ；针对1 9 0 m 双孔通航采用两跨过江方式， 主跨度采用2 2 6 0 m 。 对于本桥3 8 0 m 和2 6 0 m 左右的跨度，可供考虑的有梁、拱、斜拉、悬索等 方案。考虑到建设场地的地质条件、结构性能、造价以及景观，舍弃了拱桥、 悬索桥、连续刚构桥方案，最终右汉桥型选用斜拉桥。 1 3 4 右汉斜拉桥的方案 一、方案一：主跨2 2 6 0 m 拱形塔斜拉桥方案1 本方案跨径布置为( 3 7 2 5 + 8 2 7 5 + 2 2 6 0 + 8 2 7 5 + 3 7 2 5 ) m ，全长7 6 0 m ，为三 塔双索面半漂浮体系( 见图1 4 ) 。主梁采用预应力混凝土分离式双箱断面， 主塔采用椭圆拱形混凝土桥塔，下部采用承台及群桩基础。通航孔由主桥2 x 2 6 0 m 的主跨跨越，南岸大堤由边跨跨越，全桥满足通航净宽、净空要求，同时 也满足大堤通车净空和防洪通道要求。 图1 4 方案一结构布置图 二、方案二：主跨2 2 6 0 m 部分斜拉桥方案 本方案跨径布置为( 1 3 5 + 2 2 6 0 + 13 5 ) m ，全长7 9 0 米为三塔单索面体系 ( 图1 5 ) 。主梁采用混凝土变高度箱型断面，主塔采用独柱形式，布置于中 央分隔带，中塔采用塔墩粱固接，边塔采用塔粱固接，墩梁分离，下部采用承 台及群桩基础。通航孔由主桥2 x2 6 0 m 的主跨跨越，南岸大堤由边跨跨越，全 桥满足通航净宽、净空要求，同时也满足大堤通车净空和防泱通道要求 图1 5 方案二结构布置图 三、方案三：双塔斜拉桥 本方案跨径布置为( 5 15 + 1 2 35 + 3 8 0 + 1 2 35 + 5 15 ) m ，全长7 3 0 米，为双塔双 索面固结体系( 图卜6 ) 。主梁采用流线型混凝土双箱单室截面，主塔采用独 柱形式，布簧于中央分隔带，主塔墩采用较为柔性的双薄壁形式，下部采用承 台及群桩基础。通航孔由主桥3 8 0 m 的主跨跨越南岸大堤由边跨跨越，全桥 满足通航净宽、净空要求同时也满足大堤通车净空和防洪通道要求 幽1 6 方案三结构布置闰 1 3 5 右汊斜拉桥方案比选 表1 1 列出了从经济技术施工等方面对右汊斜拉桥的三个方案进行比选的 内容，经过综合比较，三塔拱形塔斜拉桥方案最为优越。 表1 1 右汊斜拉桥方案比选汇总表 方案一：拱塔斜拉桥方案二：部分斜拉桥方案三：双塔斜拉桥 方案形式3 8 + 8 2 + 2 6 0 + 2 6 0 + 8 2 + 3 8 = 13 5 + 2 6 0 + 2 6 0 + 1 3 5 = 5 1 5 + 1 2 3 5 + 3 8 0 + 1 2 3 5 + 5 1 5 = 7 6 0 m7 9 0 m7 3 0 m 三塔双索面半漂浮体三塔连续斜拉组合体双塔单索面吲结体系。单柱 址七h 刊斗系。采用混凝土边箱梁断系。主梁采用连续箱梁，塔，主梁为流线型双箱单室截 缅1 叫掣风面、半椭圆拱型桥塔，塔独柱桥塔，中塔塔梁墩面，主塔与主梁采用塔墩梁吲 梁分离。固结，两边塔塔梁吲结。结。 建安费 桥长2 7 5 9 7 6 02 5 0 l 7 9 02 7 0 0 7 3 0 ( 亿元m ) 技术经济 指标 10 3 7 1 ( 元m 2 ) 9 3l2 1 0 5 6 9 主梁采用边箱梁，施工 主梁采用变高度箱双箱单室流线形截面、鱼腹 方便，用料较省。半椭圆梁，全宽达3 4 m 。主梁形单柱桥塔塔，中央索面，双 拱型桥塔造型新颖。主跨受力介于连续梁( 刚悬臂挂篮施：1 ：技术成熟。 2 6 0 m 的三塔斜拉桥规模构) 与斜拉桥之间，优 主跨达3 8 0 m 梁宽达3 4 5 m ， 适中，基岩面较浅，桩长势互补，后期当收缩徐采用中央索面，在同类型桥梁 t 程特点较短，施l 经验成熟。变导致主梁下沉时，可中规模居前列。 拱型桥塔解决了“宽通过调整拉索，改善土 桥低塔景观筹、宽桥单索梁线形。 面抗扭筹”的缺点。主跨达2 6 0 m ，在 同类型桥梁中规模居 前列。 默至黠蒹一 一跨过江，满足单孔双向通 航要求，桥塔位丁江边，船撞 概率较低； 主塔基础规模适中，布跨合 理，对防洪影响较小： 结构所采用的材料满足环 保要求，施，r 采取一定措施 后，对环境也不会造成人的影 响。 7 方案一：拱塔斜拉桥方案二：部分斜拉桥方案三：双塔斜拉桥 3 8 + 8 2 + 2 6 0 + 2 6 0 + 8 2 + 3 8 = 1 3 5 + 2 6 0 + 2 6 0 + 1 3 5 = 5 1 5 + 1 2 3 5 + 3 8 0 + 1 2 3 5 + 5 1 5 = 方案形式7 6 0 m7 9 0 m7 3 0 m 常规施工，难度一般 施工难度 拱塔模板用量较多，制 常规施工，难度一般常规施：1 二，难度一般 作复杂 施怒期 3 8 ( 月) 3 84 0 拱塔结构和形象创意中央索面，桥上视 桥犁新颖，桥塔高耸挺拔、 新颖生动，美术式a 字形野开阔。变高度主梁、主梁轻盈美观，塔梁细肖构造 拱门迎宾，烘托出“和谐”矮塔、稀索，刚柔相济，形成抚琴韵律： 的时代特征和生动的安相得益彰。侧面景观效果较为突出，正 徽形象：侧面景观效果较为面塔梓直立，景观辐射面较 拱塔和拉索形成多个突出，正面塔柱直立，小，景观效果稍逊。 景观效果曲面宛如时空隧道，桥外景观辐射面较小，景观 有景、桥内亦有景，立体效果稍逊。 景观突出： 全桥与开发区、江心 洲及采石矶风景区各景 点相互辉映、桥型与环境 协调美观。 综合比选综合以上比选并考虑景观冈素，推荐拱塔斜拉桥方案( 方案一) 。 1 4 本论文的工作 本文将详细介绍马鞍山长江大桥右汊推荐方案三塔拱形塔斜拉桥的设计， 并以此桥为基础进一步研究三塔斜拉桥的静力性能。本文拟展开的工作有： 1 、详细介绍马鞍山长江大桥右汊三塔拱形塔斜拉桥设计； 2 、用大型有限元计算软件m i d a s 建立空间模型对右汊桥进行静力计算，并 对中塔刚度进行探讨： 3 、探讨支承条件对三塔拱塔斜拉桥的力学性能的影响； 4 、探讨结构布置对三塔拱塔斜拉桥的力学性能的影响； 5 、探讨主梁、索塔和斜拉索的刚度对三塔拱塔斜拉桥的力学性能的影响； 6 、分析辅助墩对改善三塔拱形塔斜拉桥力学性能的作用。 8 第二章三塔斜拉桥的设计 2 1 三塔斜拉桥与普通斜拉桥的区别 三塔斜拉桥与普通双塔斜拉桥除在外形上有所不同外，力学行为也有所差 异。对图2 1 所示传统双塔斜拉桥而言，当跨中加载时，中跨将产生下挠，桥 塔向河侧偏移。由于边跨主梁刚度有限，边跨拉索索力增大不多，主梁将上挠， 只有锚固于桥台或边墩附近的边锚索，由于其锚固点的约束作用，边锚索中的 索力增量会比边跨中的其它拉索大很多，从而平衡了主跨中拉索索力增量，制 约了桥塔向主跨方向偏移。 图2 - l 双塔斜拉桥的力学行为 当边跨加载时，边跨主梁下挠，除背索外的斜拉索索力将增大，这使桥塔 产生偏向边跨方向的变位，边锚索中的索力因此而减小，同时中跨将产生上挠。 由此可知，在两塔斜拉桥中，边锚索对控制结构变形起着特殊而重要的作用， 由于边锚索在活载作用下的应力变化幅度较大，因此其疲劳问题也很突出。 对单塔斜拉桥而言，也存在着类似的结构行为。 对三塔斜拉桥来说，结构行为则有所不同。图2 2 所示为一个三塔斜拉桥 在活载作用下的力学行为。当荷载作用于其中一个中跨时，受载跨主梁产生下 挠，相邻桥塔偏向受载孔，而相邻中跨上挠，另一侧桥塔产生与受载孔桥塔反 向的位移。由于没有边锚索控制中间塔的变位，拉索系统的作用没能充分发挥， 三塔斜拉桥的整体变形通常只有靠主梁和桥塔的刚度来限制。 当荷载作用于相邻孔时，受载孔将下挠，桥塔则产生与前一情形反向的变 形，这就意味着结构每一构件都要承受两个相反方向的内力，将导致构件中较 高的应力幅。 综上所述，三塔斜拉桥的主要问题是：如何有效地控制结构在活载作用下 的变形与内力，或者说是如何有效提高三塔斜拉桥体系的刚度? 而控制中间塔 9 变位又是问题的关键环节。 2 2 斜拉桥的结构体系 图2 2 三塔斜拉桥的力学行为 2 2 1 按主梁受力形式划分的斜拉桥的结构体系及其特点 斜拉桥三大基本构件塔、梁、索各自型式多种，相互组合干变万化，一般 在初接触斜拉桥时，对于其结构形式的复杂多变，常有千头万绪，无所适从之 感。经研究表明，影响斜拉桥结构各部分受力的最根本因素是梁、塔、墩之间 的结合方式。在梁端加水平约束，边跨加辅助墩，加外边孔，中部设铰等只是 改善受力的一些措施，对梁、塔的受力影响处于次要地位。其他如梁、塔、索 的形式变化一般说来对本身或局部的受力或变形有影响，而对整个结构体系和 其他部分的受力和变形影响不大。 因此，按梁、塔、墩之间的连接关系将斜拉桥划分为几种基本的结构体系， 并研究各类结构体系的性能，同时根据实际情况选择合适的结构体系是斜拉桥 设计的重要组成部分。 按主梁的受力状态可将斜拉桥分为4 种结构体系： 一、 全飘浮体系 塔墩固结、塔梁分离，主梁除两端有支承外，其余全部用拉索悬吊，属于 一种在纵向可以稍微作浮动的多跨弹性支承连续梁。空间动力计算表明，由于 斜拉索不能对梁提供有效的横向支承，为抵抗由于风力等引起的横向水平力， 一般应在塔柱和主梁之间设置一种用来限制侧向变位的板式或者聚四氟乙烯式 橡胶支座，简称侧向限位支座。 该体系的主要优点有两点：其一是两跨满载时，塔柱处主梁无负弯矩峰值。 由于主梁可以随塔柱的缩短而下降，所以温度、收缩和徐变内力均较小。在密 索体系中主梁各截面的变形和内力的变化较平缓，受力较均匀；其二是地震时 l o 允许全梁纵向摆荡，成为长周期运动，从而吸震消能。 飘浮体系的缺点是：当采用悬臂施工时，塔柱处主梁需临时固结，以抵抗 施工过程中的不平衡弯矩和纵向剪力【l 】。由于施工不可能做到完全对称，成桥 以后解除临时固结时，主梁会发生纵向摆动，应予以注意。为了防止纵向飓风 和地震荷载使漂浮体系斜拉桥产生过大的摆动，影响安全，十分必要在斜拉桥 的塔上设置高阻尼的主梁水平弹性限位装置。 二、半飘浮体系 塔墩固结，主梁在塔墩上设置竖向支承，成为具有多点弹性支承的多跨连 续梁。该体系一般均设活动支座，以避免由于不对称约束而导致不均衡的温度 变位。主梁水平位移则由斜拉索制约。半漂浮体系若用一般支座来处理则无明 显优点，因为当两跨满载时，塔柱处仍有负弯矩尖峰，温度、收缩、徐变内力 较大。若在墩顶设置可调节高度的支座或弹簧支承来替代从塔柱中心悬吊下来 的拉索，一般称零号( o 木) 索，并在成桥时调整支座反力，以消除大部分收缩徐 变等不利影响，这样与飘浮体系相比，在经济和美观方面将会有一定好处i z j 。 三、塔梁固结体系 塔梁固结并支承在墩上，斜拉索为弹性支承，它可用于连续梁或悬臂梁， 视地质条件确定。梁的内力与挠度直接同主梁与塔柱的弯曲刚度比值有关。这 种体系的连续梁支座之一必须纵向固定，一般是一个塔柱支座固定，而另一个 在纵向可以活动。 这种体系的优点：有利于结构在混凝土收缩徐变及温度变化等因素作用下 的纵向变形。 缺点：( 1 ) 中孔满载时，主梁在墩顶处的转角位移导致塔柱倾斜，显著 增大了主梁跨中挠度和边跨负弯矩。拉索系统对控制结构的变形和弯矩的作用 非常有限，结构在活载作用下的变形几乎完全靠主梁的刚度来控制。( 2 ) 上部 结构重力和活载反力都需由支座传给桥墩，这就需要设置很大吨位的支座。在 中小跨径斜拉桥中，随着大吨位盆式橡胶支座的出现，简化了支座构造，为设 计施工提供了很大方便。然而在大跨径斜拉桥中，一方面仅靠主梁刚度无法有 效控制结构在非对称活载作用下的变形，另一方面这种结构体系可能要设置上 万吨级的支座，支座的设计制造及日后的养护、更换均较困难。因此这种结构 体系只适合小跨径的斜拉桥。 四、刚构体系 梁塔墩互为固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。 这种体系的优点：( 1 ) 免除了大型支座又能满足悬臂施工的稳定要求：( 2 ) 结构的整体刚度比较好，主梁挠度小。 缺点：混凝土收缩徐变及温度变化等因素将在结构中将产生较大的次内力 和变形。 在双塔斜拉桥中，为消除极大的温度应力，需在主梁跨中设置可以容许水 平移动的剪力铰或挂梁，从而导致行车不通顺。若做成主梁连续，怎样在保证 结构整体刚度的同时又使主梁在纵向的自由伸缩得以满足成为问题的关键。与 连续刚构的处理方法相类似，当桥墩足够高时，可将桥塔在桥面以下设置为沿 顺桥向分离的两根柱，既能获得较大的抗弯刚度，又可降低桥塔的抗推刚度。 在三塔斜拉桥中，也可在中塔处将梁与墩塔固结，而在边塔处将梁支承于墩上 或飘浮，以释放对主梁的纵向约束，我国的夷陵长江大桥即采用这种结构体系。 这四种体系相同活载作用下，刚构体系的刚度最大，塔梁固结体系的刚度 最小，漂浮体系和半飘浮体系刚度相差不大。塔身、塔底、梁身受力以及塔梁 温度内力最小的是塔梁固结体系，刚构体系由于墩与梁、塔固结，刚接点和塔 底出现极大的温度弯矩。漂浮体系和半飘浮体系除了半飘浮体系在支点处出现 负弯矩外，两者受力基本相同。 2 2 2 按拉索的锚固形式划分斜拉桥结构体系 一、自锚式斜拉桥 自锚式斜拉桥的桥塔前侧拉索锚固在主梁梁体上，而后侧拉索除了最后边 的锚固在主梁端支点处以外，其余拉索则分散锚固在边跨主梁上或将一部分拉 索集中锚固在端支点附近的主梁上。自锚体系拉索的水平分力由主梁的轴力来 平衡。在自锚体系中，锚固在端支点处的拉索索力最大，也是最重要的一根拉 索。一般需要较大截面，并且它对塔顶变位起到限制作用。这种锚固体系使用 最普遍，一般斜拉桥均采用此类锚固1 3j 。 二、地锚式斜拉桥 单跨式斜拉桥一般采用地锚式，全桥只需一个索塔，由于不存在边跨，塔 后拉索只能采用地锚式，拉索水平分力引起的梁内水平轴力必须由相应的下部 结构一一地锚来承担。 三、部分地锚式斜拉桥 无论是独塔双跨斜拉桥还是双塔三跨斜拉桥，由于某种原因边跨相对主跨 很小时，可以将边跨部分斜拉索锚固在主梁上，而另一部分拉索则锚固于主梁 之外的地锚上，形成部分地锚式斜拉桥。部分地锚式斜拉桥索塔两侧的不平衡 水平分力直接由边跨主梁传递给桥台或地锚。 四、无背索斜拉桥 斜拉桥设计为了追求景观效果，特意将索塔做成倾斜的，取消边跨一侧的 拉索，形成只有半个索面的斜拉桥一无背索斜拉桥。索塔向外倾斜，利用塔身 的重力平衡拉索的拉力，这样的设计不但节省了全部边跨的拉索，还得到了十 分独特、美观的造型。 1 2 2 3 斜拉桥的结构布置 2 3 1 立面布置 根据经济性和使用性确定了桥梁主跨后，继而就需考虑桥塔高度h 和边孔 跨径l l 的问题，这是斜拉桥总体布置中要解决的主要问题。 一、边跨跨径厶 当主跨长度确定以后，边跨长度对扇形体系的变形特征的影响具有决定 性。方面，从结构刚度考虑，我们希望小的边跨，因为这样提高了边跨加劲 梁的线刚度，可以有效减小中跨加载时的挠度，但过小的边跨会造成背索过分 张紧，在辅助墩处造成过大的拉力。另一方面，采用较大的边跨会使结构变柔， 当在边跨布载时，背索卸载，而当在中跨布载时，背索拉力增加，边跨越大， 这样的增幅就越明显，从而减小背索的耐久性。更为严重的是当边跨增加到一 定的长度时，背索会完全卸载，这对于自锚式斜拉桥是绝对不容许的。已有研 究表明，对于密索体系的独塔两跨斜拉桥，= ( 0 5 1 ) ，；双塔三跨斜拉桥，f 1 = ( o 3 o 5 ) ，通常以厶= o 4 ，居多。 二、桥塔在主梁中线以上的高度忍 一般而言，桥塔越高，其拉索的竖向分力就越大，对主梁的支承效果就越 好，但同时过高的桥塔，会使结构体系的刚度变小，对于中塔没有锚索的三塔 斜拉桥尤为明显。而且拉索随着桥塔高度的增加会变长，加大拉索的非线性特 性。因此对于每一座斜拉桥，都存在着一个合理的索、桥塔高度h ，使其能够 兼顾索长和塔对主梁的支承刚度。 研究表明，对于独塔两跨斜拉桥庇= ( o 21 0 3 7 ) ，；双塔三跨斜拉桥 忍= ( 0 2 5 0 2 8 9 ) ，比较适宜。 另外，不论是三跨还是两跨斜拉桥，主梁高和主跨比在1 5 0 1 15 0 之间， 一般可取1 1 0 0 。 根据已有资料统计，斜拉索倾角小于4 5 。时比较经济。斜拉索倾角一般在 2 5 。4 5 。之间。竖琴形布置取2 6 。3 0 。较多，辐射形或扇形布置取2 1 。一3 0 。之间，以2 5 。较为普遍。 2 3 2 平面布置 一般斜拉桥都按直线布置，但也有配合路线将桥梁部分或全部设置在曲线 上，可利用双索面的抗扭功能来减小对主梁抗扭刚度的要求。 2 3 3 横向布置 横向布置问题就是塔形、单索面或双索面或多索面的确定问题。对于没有 设置人行道的双索面斜拉桥，从提高抗扭刚度和保证拉索安全出发，拉索布置 在人行道以外较好，尤其对窄桥更是如此。较宽的桥中，在人行道和机动车道 中间一般设非机动车道，为减小横梁跨度，可将双索面布置在机动车道和非机 动车道之间。在城市斜拉桥中，可将人行道用悬臂梁向塔柱外侧挑出，使行人 绕道而过。 2 4 三塔斜拉桥刚度控制方法 三塔斜拉桥由于存在着结构体系较柔的特点。一般认为需采取一些措施增 大结构体系的刚度尤其对中塔进行加强或加劲才能使结构满足要求。本节主要 介绍目前已建斜拉桥所用的提高刚度的方法并讨论各方法的特点。 2 4 1 增大三塔斜拉桥主要构件的刚度 直接增大三塔斜拉桥主要构件的刚度，是提高三塔斜拉桥结构刚度的有效 措施之一。 一、增大主梁刚度 从理论上讲，三塔斜拉桥的整体刚度会随主梁刚度的增大而提高，直至主 梁接近刚性梁。但要在不增大主梁自重的同时大幅度增加主梁刚度，在实际中 很难做到，且对大跨径桥梁而言，控制结构自重至关重要。故在主跨跨径较大 时，一般不能完全依靠增大主梁截面来满足刚度要求，仅在小跨径斜拉桥中采 用此法。 依靠主梁的