（道路与铁道工程专业论文）自锚式悬索桥吊索施工张拉合理状态的确定.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近几年来，随着自锚式悬索桥越来越广泛地应用，特别是在我国，自锚式 悬索桥更是受到了许多工程师的青睐。自锚式悬索桥之所以得到了大力推r ， 主要是因为该类桥具有美观的桥型；在其适用的跨径范围内，建造的工程费用 相对其他桥型而言更低廉。然而，自锚式悬索桥的设计计算理论和旎工技术相 对比较薄弱，有关这方面的研究在国内外还比较少，现有的理论、设计方法和 施工都还有待在实践工程中去检验、提取、归纳与总结。从事这方面的研究工 作无疑是很有意义的。 本文对自锚式悬索桥现有的吊杆张拉施工方法进行了分析总结，以抚顺万 新大桥为工程背景，针对第一遍吊索张拉的合理性问题，在抚顺万新大桥吊索 张拉实际的施工方法的基础上，提出了与之相比较的吊索张拉施工方法，并借 助a n s y s 有限元程序对两种方法进行了分析、比较。本文提出的第一遍吊索张 拉的合理状态是：从桥塔的两侧对称地向中跨跨中和边跨两岸张拉，在张拉过 程中，先张拉的吊索张拉力较小，后期张拉的吊索张拉力逐渐增大至最终索力。 在第一遍吊索张拉完成后，除个别吊索外，其他的吊索都达到了较好的张拉力。 本文通过对两种施工方法的张拉过程分析比较，得出以下结论：( 1 )自锚 式悬索桥吊杆张拉中，采用从主塔向中跨或边跨张拉时，先、后张拉的吊杆之 b j 有较大的影响，会导致吊杆的张拉力松弛现象的发生。从主塔同时向中跨和 边跨对称张拉吊杆的方法优于从主塔仅向跨中对称张拉吊杆的方法。张拉力采 用改进的方法时吊杆张拉力是比较合理的，此时吊杆处于最佳的张拉状态。( 2 ) 在张拉吊杆时，塔顶鞍座位移受中跨跨径1 4 跨和3 4 跨处的吊杆张拉力影响 最大。( 3 ) 当采用本文所讨论的实际的施工方法时，中跨跨径1 4 跨和3 4 跨处 的张拉力出现增大，且最明显；当采用改进的方法时，中跨跨径1 4 跨和3 4 跨处的吊杆张拉力会产生减小，且最明显。两种方法均会导致主塔边跨一侧的 最临近的一根吊杆有较大的张拉力增量。 关键词：自锚式悬索桥，吊杆，张拉，施工 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ts o m ey e a r s ，w i t he x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fs e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o n b r i d g e ，s p e c i a l l yi nc h i n a ，s e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o nb r i d g ei sd r a w i n gm o r ea n d m o r e p e o p l e sa t t e n t i o n i ti s f o ra e s t h e t i cb r i d g et y p eo fs e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o n b r i d g e a n df o rb a r 罾a i nc o n s t r u c t i o nc o s t b u ti t s d e s g n c a l c u l a t l o n t h e o r y a n d c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y a r ew e a kl i n k ，a n dp r e s e n tt h e o r i e s ，d e s i g nm e t h o da n d c o n s t r u c t i o nm e t h o da l ln e e dt ov e r i f i e d s u m m a r i z e d s oi th a sai m p o r t a n ts e n s ef o r s t u d yo f t h e s ew o r k i nt h ep a p e lt h em e t h o d sa r es u m m a r i z e df r o mp r e s e n tc o n s t r u c t i o nm e t h o d b a s e do nt h ed a t ao fw a n x i n b r i d g e b r i n gf o r w o r dt h ec o m p a r ec o n s t r u c t i o nm e t h o d w t h p r a c t i c a l c o n s t r u c t i o nm e t h o df o rt h e r a t i o n a l i t y o ft h ef i r s tc a b l e t e n s i o n a n a l y s e sa n dc o m p a r et h e mb ya n s y s t h er a t i o n a l i t ym e t h o do ff i r s tc a b l e t e n s i o n i st h a tt e n s i l ec a b l e sf r o mt h eb r i d g et o w e rt om i d s p a na n ds i d es p a nw i t hi n c r e a s i n g t e n s i o n a t i e rt h ef i r s tc a b l e - t e n s i o n t h em o s tc a b l e sg e tt h ei d e a lt e n s i o ne x c e p t s o m e o n e t h i sp a p e rd r a w ss o m ec o n c l u s i o nb y a n a l y s i sf o r t h et w o c o n s t r u c t i o nm e t h o d s ： ( 1 ) f o rs u s p e n s i o nc a b l et e n s i o no fs e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o nb r i d g e ，w h e nt h e m e t h o dt h a tt e n s i o nc a b l ef r o mt l l eb r i d g et o w e rt om i d s p a no r s i d e s p a ni sa p p l i e dt h e c a b l e sh a v eo b v i o u s r e c i p r o c a l e f f e c ta n dr e s u l ti nt h e p h e n o m e n ao ft e n s i o n r e l a x a t i o n t h ec a b l et e n s i o nm e t h o dt h a t 疔o m b r i d g et o w e r t om i d s p a na n ds i d es p a n i sb e t t e rt 1 1 a nf r o mb r i d g et o w e rt o m i d s p a na n dt h et e n s i o ni s i nr e a s o n a n dt h e s u s p e n s i o nc a b l et e n s i o ni sb e t t e r ( 2 ) d u r i n gc o n s t r u c t i o no fs u s p e n s i o nc a b l et e n s i o n t h ed i s p l a c e m e n to fs a d d l eo nt o w e r t o pi sa f f e c t e dm o s to b v i o u s l yb yt e n s i o ni n1 4 m i d s p a na n d3 4m i d s p a n ( 3 ) w h e nt h ef i r s tm e t h o di sa p p l i e d ，t h es u s p e n s i o nc a b l e t e n s i o ni nl 4 m i d s p a na n d3 4m i d s p a ni n c r e a s ea n da r em o s to b v i o u s ；w h e nt h e s e c o n dm e t h o d t h e s u s p e n s i o n c a b l et e n s i o ni nl 4 m i d s p a na n d 3 4 m i d s p a n d e c r e a s ea n da r em o s to b v i o u s t h et w om e t h o d sa 1 1 1 c a dt ot h et e n s i o no f s u s p e n s i o n c a b l eo f s i d e s p a n i nn e a r e s tb r i d g et o w e ri n c r e a s em o r e o b v i o u s l y k e y w o r d s ：s e l f - a n c h o r e d s u s p e n s i o nb r i d g e ，s u s p e n s i o nc a b l e ，t e n s i o n ， c o n s t r u c t i o n i l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 悬索桥的历史是古老的，原始社会就有用拉索支承梁做桥的实例。比如早 期热带原始人利用森林中的藤、竹、树茎做成悬索桥以渡小溪，使用的悬索有 竖直的、斜拉的，还有两者混合的，这就是最早的悬索桥的雏形。 悬索桥以其独特的结构，优美的造型，合理的受力等优势在近几百年，特 别是2 0 世纪以来，得到了迅猛的发展。最初的熟铁链杆悬索桥建于17 4 1 年的 英国，跨径为2 1 3 4 m ，使用了6 1 年。在经过一个多世纪的发展，直到1 8 8 3 年， 由罗勃林( j a r e o b i n g ) 设计的布鲁克林桥在美国纽约建成，主跨4 8 8 m ，当 时被称为世界工程第八大奇迹。由于高强钢丝在布鲁克林桥建造中被应用，使 得桥梁的跨径有了较大提高，桥梁的建筑材料也产生了质的飞跃，因而该桥也 被认为是现代悬索桥的开山鼻祖。随后悬索桥的发展开始以较快的步伐向前迈 进，大致经历了三个主要的发展阶段：一、2 0 世纪6 0 年代以前以美国为中心的 悬索桥第一次大发展。在这期间在计算理论上有了很大的提高，从弹性理论到 挠度理论，因而也使得悬索桥的跨径从几百米发展到千米以上，从比较笨重的 加劲梁到飘逸轻盈的梁结构，应该说悬索桥有了质的飞跃，特别是塔科玛桥事 故之后，悬索桥的设计建造理论被人们认识的更加清楚，人们更能科学地对待 这种大跨桥梁。二、2 0 世纪6 0 8 0 年代，以英、法为中心的第二次发展，主要 成就是悬索桥的加劲粱的型式从钢桁架变成了扁平箱梁，吊杆也有了倾斜的型 式。主要的代表桥型是s e v e n 桥等。三、2 0 世纪7 0 年代以后的日本悬索桥。在 这期间悬索桥的施工方法有了根本的改变，从空中纺线法到了平行钢丝索股法， 克服了施工中的许多不足，跨径也有了较大的突破，明石海峡桥跨径达到了 1 9 9 0 m 。以上三个时期的悬索桥都各有特点，从不同方面体现了社会文明和技术 的进步。“1 我国悬索桥发源甚早，已有3 0 0 0 余年的历史，居世界前列。其发展大致可 分为三个时期：古代悬索桥、近代悬索桥和现代悬索桥。自2 0 世纪9 0 年代以来 我国也相继修建了一批悬索桥，如汕头海湾桥、虎门大桥、江阴长江大桥、香 武汉理工大学硕士学位论文 港青马大桥以及现在正在修建的武汉阳逻长江大桥。无论是跨径、设计方法、 施工工艺都达到了世晃先进水平，但大多数桥梁都是沿用已有的技术，在各个 方面创新较少。因此，我们应该在前人的基础上更深入地开展这类桥梁的科学 研究工作，使得我国的桥梁建设水平成为世界桥梁的领跑人。 悬索桥根据主缆的锚固方式可分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥，悬索桥 主要承重构件主缆锚固在锚碇上，称为地锚式悬索桥，地锚式悬索桥需要庞大 的地基锚碇来锚固主缆拉索，这就要求地基有相当的承载力，然而在相当一部 分地域，一方面不需要太大的跨径，另一方面地基承载力较差，不适合修建大 体积锚碇，况且，真正一座好的桥梁不在于其跨径是否是第一，还要综合考虑 其技术性、经济性，美观性，特别是与周围的人文、地理环境相融台的程度。 在悬索桥的家族中，还有另外一种桥型一自锚式悬索桥。由于这类桥主缆锚固 在梁端，依靠梁端锚块、支承等提供稳定力，因而其跨径不可能很大，但是她 具有悬索桥的美观；不需要修建大体积的锚碇，适应地质条件差的地区；跨径 布置可以灵活处理；受力性能好，与系杆拱桥类似，但吊杆长度普遍比系杆拱 桥的吊杆短，其矢跨比选择的余地比系杆拱大，结构的稳定性比系杆拱桥好， 在3 0 0 m 左右的跨径中有较强的竞争力。 1 2 近代自锚式悬索桥 早期的悬索桥跨径不大，同时又要修建大的锚碇，一方面对于地质条件很 差的地区不适于建造大面积的锚碇，另一方面而言，中小跨径的桥梁梁体刚度 相对比较大，本身就能跨越定的跨径，大体积的锚碇可以不修建，从而节省 投资。人们开始寻找能取代锚碇，又能充分利用缆索性能的桥型。1 9 世纪后半 叶，奥地利工程师约瑟夫朗金和美国的工程师查理斯本德分别”1 独立的构思 出自锚式悬索桥的造型。本德在1 8 6 7 年申请了专利，朗金则在1 8 7 0 年在波兰 建造了一座小型的铁路自锚式悬索桥。自锚式悬索桥在德国兴起是在2 0 世纪， 1 9 1 5 年，德国设计师在科隆的莱茵河上建造了第一座大型自锚式悬索桥科 隆一迪兹桥。艺术委员会选择这个方案是因为它的外型美观，而工程师们是因 为担心地质条件不允许修建锚碇。主缆的眼杆结构使其能够方便地锚固到加劲 梁上。世界各国的设计师都认为该桥是一种创新，在它建成后的1 4 年里影响了 其它桥梁的设计。 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 2 5 1 9 2 8 年间在匹兹堡阿勒格尼河上修建的3 座非常相似的桥说明自锚 式悬索桥在美国的应用受到重视。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。受1 9 1 5 年科隆一迪兹桥的启发，匹兹 堡的设计师选择了自锚式主缆。匹兹堡桥很明显模仿了科隆一迪兹桥的眼杆结 构、拱形桥塔和连续钢箱梁。与科隆的情况一样，匹兹堡的工程师也指出恶劣 的地质条件不可能修建锚旋。匹兹堡的三座悬索桥比科隆桥的跨径要短，采用 的是悬臂施工。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，直到主跨合龙和主缆在中间连接起来。这种施工技术避免了导航误 差，比科隆一迪兹桥的旌工有了很大进步。匹兹堡每一座桥的工期都在1 5 个月 之内。当1 9 2 8 年第六街桥通车时，该桥获得了美国钥结构协会评出的第一年度 最佳桥梁的荣誉。1 9 9 5 年修复后，这3 座桥在建成7 0 年后仍旧正常工作。” 日本东京的清洲桥也是一座自锚式悬索桥，主要是受科隆一迪兹桥的影响 而修建的，它是日本的第一座自锚式悬索桥。德国莱茵河上科隆一迪兹桥建成 后2 5 年间又修建了4 座悬索桥，最著名的是1 9 2 9 年建成的科隆一米尔海姆桥， 主跨3 1 5 m 。在2 0 世纪3 0 年代，工程师们认为自锚式悬索桥加劲梁的轴力将使 该种桥梁的受力性能接近于弹性理论，所以这段期间美国和德国修建了许多座 自锚式悬索桥【5 】在这之后人们的注意力开始转向大跨度的地锚式悬索桥，因为在 这个时候理论上开始遁向成熟，客观上也要求以大跨度的桥梁来跨越江河湖海。 在欧洲2 0 世纪3 0 、4 0 年代还在修建自锚式悬索桥，二战以后，德国面临着大 量的桥梁修复工作，但一种新的缆索承重桥一斜拉桥开始占据桥梁界的主导地 位，最后一座自锚式悬索桥是1 9 5 4 年在德国的杜伊斯堡修建的，跨径为2 3 0 m 。 1 3 现代自锚式悬索桥 1 3 1 日本此花大桥 自2 0 世纪8 0 年代起，悬索桥的发展接力棒交到日本人的手中，日本修建 了大量的悬索桥，但主要都是地锚式，在积累了相当的设计与施工经验后日本 于1 9 9 0 年修建了此花大桥( 原名大阪北港联络桥) ，这是自1 9 5 4 年来修建的第 一座特大跨自锚式悬索桥。跨径布置为1 2 0 + 3 0 0 + 1 2 0 m ，是现在已建成的最大跨 的自锚式悬索桥。该桥采用单主缆，用p w s 法施工，包含3 0 束股，每束1 8 4 丝。 武汉理工大学硕士学位论文 仅一个索面，吊索做成倾斜形，构成三角形吊杆，与钢箱加劲梁一起，体现了 英国式悬索桥特点。钢箱加劲梁为三室箱，梁高3 1 7 m ，箱总宽2 6 5 m 。由于单 索面，按抗扭刚度的需要，箱高较大。塔呈花瓶形，但下塔柱较矮。人字形上 塔柱要在加劲梁节段架设后才能安装。【6 】 目4 e * 一i l 一1 1 d _ l 2 * 图1 1 日本此花大桥( 单位：1 1 3 ) 如果说1 9 1 5 年科隆一迪兹桥是自锚式悬索桥的第一个里程碑，那么此花大 桥算得上是第二个里程碑，对其它桥梁的设计影响很大。最舆型的代表是韩国 著名的永宗大桥，其结构造型和尺寸都与此花桥非常相似。3 0 0m 的主跨和a 形 桥塔与此花大桥完全相同，但是它们有3 个显著的不同点：为了减小加劲粱中主 缆产生的轴向力，主缆的垂度加大到6 0m ，比此花大桥增加了2 0 ，矢跨比l ： 5 ；永宗大桥采用2 根主缆，从塔顶到加劲梁跨中呈空间三维曲线，加大了桥梁 的横向稳定性；加劲梁为7m 高的桁架，下层为铁路线，在没有主缆的情况下 很容易施工。【，1 1 3 2 美国旧金山一奥克兰海湾新桥 2 0 世纪3 0 年代中期修建的旧金山一奥克兰海湾桥，是当时世界最长的、技 术水平很高的桥梁，至令仍为旧金山半岛至东海湾的主干线，车辆繁忙，每天 武汉理工大学硕士学位论文 通行近2 8 万车次。设计的地震力很小，其东桥( 钢桁架桥) 于1 9 8 9 年在早氏7 1 度地震烈度时局部坍塌，因此决定修建新海湾桥来代替现有东桥。考虑1 5 0 0 年 回归期的地震。主航道桥为自锚式悬索桥，单塔，跨径为3 8 5 + 1 8 0 m 。两主缆直 径0 7 8 m ，东侧( 3 8 5 m 侧) 锚固在东墩处的梁上，其索鞍由箱梁支承，并设计成 可移动的，以平衡两主缆索力差。西侧( 1 8 0 m 侧) 主缆通过两分离的索鞍环绕在 西墩上，这两个分离索鞍固定在西墩上，在施工期间两主缆索力差异采用一顶 进的座板来平衡。塔高1 6 0m 。主缆不跨越而是固定在单一的索鞍上。塔由4 柱 组成，沿高度用剪力杆连接。塔柱为钢箱。柱间有间距3m 的横隔梁连接。上 部结构为两个空心的各向异性钢箱，箱内横隔板间距5m ，支承各向异性板，并 将吊杆荷载分布在箱梁上，箱梁间用宽l o m 、高2 5 m 、间距3 0 m 的横粱连接。 该横梁承受吊杆横向7 2 m 跨的荷载，保证两箱在荷载、特别是风和地震荷载时 的整体作用。吊杆设在两箱的外侧，形成两空间索面，很美观。本桥即将开工， 建成后将为世界上最大的自锚式悬索桥。 除此之外，还有韩国的s o r o k 岛桥，跨径1 1 0 + 2 5 0 + 1 1 0 m ，垂跨比1 ：5 ；1 9 9 6 年哥本哈根的国际桥梁和结构协会( i a b s e ) 学术会议论文集中介绍的瑞士h 内 瓦湖桥比较方案，这是一座比较新型的三跨悬索桥，跨径布置为3 0 3 + 9 5 0 + 3 0 3m 。 采用单主缆，两个人字形的吊索面。主跨跨中约2 0 0i n 长的主缆在梁体内部， 与梁固结，使结构具有很高的刚度，受力性能介于悬索桥和斜拉桥之间。 w l 号墩塔 图1 - 2 美国旧金山一奥克兰海湾新桥( 单位：m ) o 一一l 甲 ：i十占 一 一 一 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3 3 中国的自锚式悬索桥 尽管自锚式悬索桥在国外产生发展的较早，在国内却很少建造，相关文献 也很少，使这种桥型在国内的发展远远落后于国外。2 0 0 2 年在大连建成了世界 上第一座加劲粱采用钢筋混凝士材料的自锚式悬索桥一大连金石潍金湾悬索 桥，此后大连理工大学桥梁研究所又设计了多座钢筋混凝土自锚式悬索桥，为 国内桥梁的建设提供了宝贵的经验。 金石滩金湾悬索桥是我国，也是世界上第一座钢筋混凝土结构的自锚式悬 索桥，位于大连金石滩旅游度假区的滨海路上，横跨帆船港池入海口，已成为 当地的一处特殊景观。金石滩金湾桥主桥为自锚式混凝土悬索桥，直接把主缆 锚固于加劲梁的两端，用加劲梁来抵抗主缆的水平分力，金湾桥总长1 9 8 m ，其 中主桥长1 0 8 m ，引桥长9 0 m ，主桥跨径为2 4 + 6 0 + 2 4 m ，桥宽l o m ，矢跨比为1 ：8 ， 双塔双索面结构。主缆跨过桥塔索鞍，不散开，两端锚固在差梁上，在端部主 索套筒内设减震器。主梁上吊杆间距为3 m 。金石滩悬索桥采用了新的结构形式， 总造价只有4 9 8 万元，不但取得了良好的经济效益，而且其独特的设计为美丽 的海滨城市大连又增添了一处亮丽的风景，同时也为该类桥型的建造提供了宝 贵的经验。【即 除金石滩金湾桥之外，抚顺万新大桥、延吉市布尔哈通河局子街桥、吉林 兰旗松花江大桥、苏州索山大桥、永康溪心桥等相继建成，而还有大量的自锚 式悬索桥正在施工和设计中，如位于湘江之上的三汉矾大桥，全长1 4 4 2 m ，主桥 跨3 2 8 m ，边跨为1 3 2 m ，两边对称分布，其主跨跨度为国内最大。已建和待建的 自锚式悬索桥见表1 1 1 4 科研发展水平及本文的工作 在近几年里，自锚式悬索桥已开始受到各国的重视，特别是在我国，并开 始出现良好的发展势头，跨径越来越大，结构也出现了多样化，如旧金山一奥克 兰海湾新桥得独塔就是典型代表。材料方面也有了大的变化，一改以往的钢梁， 混凝土材料也大面积用于梁和塔上，如金石滩金湾桥采用混凝土梁，就给我国 的自锚式悬索桥的建设开了好头；主缆有单缆、双空间缆、双平行缆及四缆( 如 佛山平胜桥) ；在近五年来，我国有大小十几座自锚式悬索桥屹立在各个江河湖 武汉理工大学硕士学位论文 海及城市，如此的发展速度使得科研方面远远地滞后，虽然我国在地锚式悬索 桥方面已有了较深的理论研究和施工经验，但是，由于两者的结构上的区别， 很多理论不能简单地套用，因此我们必须根据已有的研究方法，寻找科学的适 合自锚式悬索桥的一套理论。已有众多的科研人员、科研机构和工程人员投入 到了这方面的研究与探讨工作。有些学者对吊杆张拉的控制，局部锚固应力研 究等施工控制做了相应的分析，但大部分是应用平面单元程序来进行计算 分析，由于悬索桥结构受力的特殊性，用平面结构来分析空日j 结构不免有一定 的缺陷。 就目前的情况来说，对于自锚式悬索桥的研究，可检索到的文献资料面很 窄理论还未有定论，对自锚式悬索桥在理论和实践上的认识还不够全面。这就 要求科研，设计，施工人员要更好的来研究探讨，如何使自锚悬索桥的设计更 优越、施工更方便。我们可以借鉴桥地锚悬索桥、斜拉桥、系杆拱桥等成功或 成熟的设计，施工技术，用于自锚式悬索桥的各方面的研究。正是在这个基础 上作者才致力于相关的研究，以期能对之有更深的认识，能提出有益的建议以 促进其更快更好的发展 本论文主要是针对自锚式悬索桥在各施工阶段中吊索的张拉力大小、次序、 调索次数及相关的控制因素作探讨研究，提出在吊索张拉中最优化的方法及不 同阶段的主要的控制因素，对科学化施工作一些有益的建议。拟采用理论与实 践经验相结合的办法，以抚顺万新大桥为工程背景来进行建模分析，根据施工 的阶段，试加几种张拉方式，应用现有的有限元程序作建摸、计算，分别得到 对应的塔顶位移、各吊索产生的最大最小拉力、主缆线形等。 武汉理工火学硕士学位论文 表1 - 1 已建、在建的自锚式悬索桥统计表 名称地点主跨度( m )矢跨比修建年代粱材料 科隆迪兹桥德国 1 8 4 5 1 8 61 9 1 5 年建成钢粱 第七街桥美国 1 3 48 1 8 11 9 2 6 年建成钢粱 清洲桥 日本 9 1 5 1 7 11 9 2 8 年建成钢梁 科隆米 ：海姆 桥 德国 3 1 50 1 9 ，11 9 2 9 年建成钢粱 此花大桥日本 3 0 0 1 6 01 9 9 0 年建成钢粱 永宗桥韩国 3 0 0 1 5 01 9 9 9 年建成钢梁 桂林丽君桥 中国 7 0 2 0 0 1 年建成钢梁 l n 会山一奥克兰 海湾新桥 美国 3 8 50 + 1 8 0 0 建造中钢梁 金石滩金湾桥中国 6 0 1 8 02 0 0 2 年建成混凝土梁 局子街桥中国 1 6 0 1 7 0建造中混凝_ 十粱 兰旗松花江人 中国 2 4 00 1 7 0设计中混凝土粱 桥 海盐塘桥 中国 7 2 o 设计中混凝： 粱 苏州索山大桥中国 9 02 0 0 3 年完丁混凝士梁 抚顺万新大桥中国 1 6 0o 1 6 02 0 0 3 年完丁混凝土梁 义乌江大桥中国 1 0 0 1 7 5建造中 钢一混凝土粱 佛山平胜大桥中国 3 5 0施工中 钢梁 江山北关大桥中国 2 0 72 0 0 3 1 2 动工 钢粱 天津子牙河桥中国 1 1 8完t 钢粱 湘江四桥中国 3 2 8 2 0 0 4 3 动工钢粱 绍兴滨海大桥中国 1 8 8 2 0 0 4 9 动上钢粱 8 武汉理 ：大学硕七学位论文 第2 章自锚式悬索桥结构组成及静力计算理论 2 1 自锚式悬索桥的结构组成 桥梁结构决定了其计算理论，因此要科学的研究自锚式悬索桥，就必 须先了解白锚式悬索桥的结构组成及各部分的作用。自锚式悬索桥主要有 以下几部分：主梁( 加劲梁) ，桥塔，主缆，吊索，主索鞍，副索鞍等。 如图2 - 1 图2 - 1 自锚式悬索桥构造图 1 主梁 主梁一般为加劲梁，其主要功能是提供桥面支撑供车辆和行人通行，并把 荷载传递给吊杆。因此加劲梁必须具有足够的刚度以防止桥面发生过大的挠曲 变形和扭曲变形，但随着桥梁跨径的增大，加劲梁的功能逐渐倾向于传递荷载， 同时加劲梁也是承受风荷载和其它横向水平力的主要构件，对大跨径悬索桥抗 风往往成为该桥的控制因素。大跨度悬索桥由于加劲梁自重的限制所以加劲梁 武汉理工大学硕士学位论文 均为钢结构，一般采用钢桁架形式和钢箱梁形式。对于钢筋混凝土材料的加劲 梁由于自重大所以就限制了跨径的大小。对于钢桁架形式、钢箱梁形式或钢 筋混凝土自锚式悬索桥跨径到底能达到多大现在没有定论，就目前而言，一般 认为在3 0 0 m 以内最具有经济竞争力。 2 桥塔 悬索桥的活载和恒载( 包括桥面、加劲粱、吊索、主缆和其附属构件如鞍座 和索夹等的重量) 以及加劲梁支承在塔身上的反力，都将通过桥塔传递到下部的 塔墩和基础。桥塔同时还受到风力和地震力的作用，桥塔的高度主要由垂跨比 确定。桥塔可采用钢结构( 国外采用较多) ，也可采用混凝土结构( 我国采用较 多) 。 3 主缆 主缆除承受自身恒载外，还通过索夹和吊索承受活载和加劲梁( 包括桥面系) 的恒载。主缆是几何可变体，主要承受拉力作用，可以通过自身弹性变形及其 几何形状的改变来影响体系平衡，表现出大位移非线性的力学特征，这是悬索 桥区别与其它桥梁结构的重要特征之一。主缆在恒载作用下具有很大的初始张 拉力，对后续结构形状提供强大的“重力刚度”，这是悬索桥跨径得以不断增大、 加劲梁高跨比得以减小的根本原因。主缆不仅主缆材料大多采用平行钢丝绳或 高强钢丝，由于平行线钢缆弹性模量高、空隙率小、抗腐蚀性能好，因此较多 采用。 4 吊索 吊索也称吊杆，是将活载和加劲梁的恒载传递到主缆的构件，上端通过索 夹和主缆相连，下端锚固在加劲梁上。吊索的长度直接决定了主缆的线形及加 劲梁弯矩的大小，因此吊索长度计算也至关重要。 5 主索鞍 主索鞍在主塔上，用来支承和固定主缆，通过它可以使主缆的拉力以垂直 力和不平衡力的方式均匀的传递到塔顶。主索鞍的构造一般为辊轴式，在塔顶 可以有一定范围的位移，有利于桥塔的受力。为了减少塔顶索鞍处钢丝的弯曲 次应力，塔顶鞍座的弯曲半径一般是主缆直径的8 1 2 倍。 6 锚固索鞍 锚固索鞍位于主缆锚固处，其作用是将主缆的索股散开，分别锚固在锚固 武汉理工大学硕士学位论文 区的锚块上。主要目的是改变主缆的方向，把主缆的钢丝绳股在水平和竖直方 向分散开来，并把它们引入各自的锚固位置。由于跨度较大的悬索桥其主缆传 递到主梁上的压力很大，所以必须将主缆散开分别锚固。索鞍般前段和主缆 固定，后段散开。为了不使索鞍承受主缆的拉力，可通过橡胶支座和螺栓安装 在主梁上，使其允许一定的剪切变形。”1 2 2 自锚式悬索桥特性 自锚式悬索桥有以下的优点：不需要修建大体积的锚旋，所以特别适用于 地质条件很差的地区；因受地形限制小，可结合地形灵活布置，既可做成双塔 三跨的悬索桥，也可做成单塔双跨的悬索桥；对于钢筋混凝土材料的加劲梁， 由于需要承受主缆传递的压力，刚度会提高，节省了大量预应力构造及装置， 同时也克服了钢在较大轴向力下容易压屈的缺点：保留了传统悬索桥的外形， 在中小跨径桥梁中是很有竞争力的方案；由于采用混凝土材料造价较低，结构 合理，桥梁外形美观，所以不仅局限于在地基很差、锚锭修建困难的地区采用。 自锚式悬索桥也不可避免地有其自身的缺点：由于主缆直接锚固在加劲梁 上，梁承受了很大的轴向力，为此需加大梁的截面，对于钢结构的加劲梁则造 价明显增加，对于混凝土材料的加劲梁则增加了主梁自重，从而使主缆钢材用 量增加，所以采用这两种材料跨径都会受到限制；施工步骤受到了限制，必须 在加劲梁、桥塔做好之后再吊装主缆、安装吊索，因此需要搭建大量临时支架 以安装加劲梁，所以自锚式悬索桥若跨径增大，其额外的施工费用就会增多； 自锚式悬索桥在原理上近似于系杆拱，主梁必须很好的维修保护，防止破坏以 避免灾难性的坍塌；锚固区局部受力复杂；相对地锚式悬索桥而言，由于主缆 非线性的影响，使得吊杆张拉时的施工控制更加复杂。 2 3 自锚式悬索桥结构计算理论 在1 9 世纪末2 0 世纪初，悬索桥计算主要采用弹性理论。弹性理论将缆索 与加劲梁作为简单的组合，叠加原理对它适用，在进行设计计算时，可以为其 沿梁各点绘制弯矩和剪力的影响线；尔后让活载布置在最不利位置，进行梁的 弯矩和剪力计算，并按这些值对梁进行验算。当悬索桥的跨度不大，而且加劲 武汉理t 大学硕士学位论文 梁的高跨比在4 0 左右时采用弹性理论是适宜的。原因是：更精确的分析虽可证 明按弹性理论算出的弯矩偏大，但改用精确的方法所能得到的经济效益并不显 著。【4 】 弹性理论给出加劲梁中任一点的弯矩： m = m 一h y ( 2 1 ) 其中：m 为简支梁的活载弯矩； h 为由活载引起的主缆水平分力； v 为主缆在恒载作用下的纵坐标 在2 0 世纪初2 0 世纪8 0 年代，悬索桥计算主要采用挠度理论。大跨径悬 索桥，往往加劲梁做的很柔，主缆本身又是一个柔性受拉构件，所以悬索桥是 一种柔性结构。如何在设计计算中考虑其柔性就显得十分重要。对于悬索桥， 主缆的活载挠度是其几何非线性的主要因素，其他非线性因素相对来说是次要 的。加劲梁挂在主缆上，在荷载作用下，加劲梁的线形变化完全决定于主缆的 干挠。基于这一认识分析的理论，就称为挠度理论。 挠度理论与弹性理论的根本区别在于：挠度理论计在其活载效应的计算中 考虑了主缆在活载作用下的挠度；而弹性理论则假定主缆友恒载决定的形状， 在活载作用下没有任何改变。因此，加劲梁中的活载弯矩将由于主缆中由活载 产生的水平力作用而减小。因此，弹性理论没有考虑在活载作用下主梁产生挠 度时主缆中由于活载和恒载共同作用产生的水平力而使主梁弯矩的减小效果。 挠度理论考虑了主缆的作用，通过减去( h + h ) - 项来减小主梁弯矩。因此挠度 理论是在弹性理论基础上的发展，可以写成： m = m 一h y m + h ) v ( 2 2 ) 其中：( h + h ) 为由活载和恒载产生的主缆的水平分力：。 v 为主缆挠度，也是加劲梁的挠度。 通过计入主缆影响，挠度理论降低了主梁的强度要求，比弹性理论要经济 得多。考虑自锚式悬索桥主粱中存在巨大的轴向力需要，采用传统的悬索桥分 析理论，因为主梁要承担缆索的全部水平力主梁中的轴向力为( h + h ) 。假设主梁 最初是水平的，那么有挠度v ，轴向力将产生附加的正弯矩( h + 1 1 ) v 。把这一项加 到挠度理论的( 2 2 ) 式中，得出( 2 1 ) 式，等同于弹性理论。这说明简单的弹性 理论可以用来计算自锚式悬索桥。 由于这个原因，1 9 3 0 1 9 4 0 年间工程师们提倡用弹性理论来计算自锚式悬 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 索桥。尽管弹性理论提供了5 0 2 0 0m 自锚式悬索桥的近似解，但是跨径大于2 0 0 m 的桥就会带来较大的误差。对这样的跨度可采用挠度理论计算，挠度理论也 因此成为了近代悬索桥结构分析中广泛应用的理论。但随着塞文桥( s e r e r n b r i d g e ) 的设计中采用了斜吊杆，而且斜吊杆越来越多的应用在现代悬索桥中， 特别是自锚式悬索桥应用的更多，如后来修建的日本此花大桥，韩国的永宗大 桥等。挠度理论对有斜吊杆的悬索桥不能求解。这就使1 9 8 0 年以后发展以使用 计算机分析为前提的有限位移理论因为考虑到吊杆的离散状态，以有限位移理 论那为基础的矩阵结构分析较为适用它不仅收敛迅速和分析严谨，并特别适 合电算，同时可以较全面的考虑大位移引起悬索桥几何非线性的因素。下面着 重介绍有限位移理论及解法。1 4 图2 2 悬索桥的挠度理论 2 3 1 有限位移理论及分析方法 【x 首先讨论悬索桥几何非线性的影响因素。一般来说，悬索桥分析的非线性 影响因素主要有： 1 荷载作用下的结构大位移。在进行结构分析时，力的平衡方程应依据变形 后结构的几何位置来建立，力与变形的关系是非线性的。 2 缆索自重垂度的影响。在有限元法分析中，缆索单元的计算模型常取为直 武汉理工大学硕士学位论文 杆单元，而实际缆索具有垂度。在单元两端受力时，实际缆索单元的变形是由 弹性变形及垂度变化的非线性变形两部分组成，其变形值比直杆单元的大，与 缆索的截面、弹性模量、缆索自重及张拉力等因素有关。 3 初始内力的影响。在进行悬索桥的非线性分析时。因恒载产生的初内力影 响必须计入。即由于叠加原理不适用于非线性结构，为了得到在外力作用下的 大跨度悬索桥结构的平衡状态，应将结构上的初内力、引起初内力的荷载( 或其 它因素1 及新增加的活载一起考虑，算出结构在新的变形状态下的平衡，以得到 结构真正的变形与内力。 自锚式悬索桥不仅具有传统悬索桥的力学特征，在施工和运营阶段表现出 几何非线性行为，而且由于加劲梁受到巨大的轴向压力，使得其几何非线性更 为严重。另外，对于采用混凝土加劲梁的自锚式悬索桥，加劲梁因收缩徐变而 缩短使边跨主缆松弛索塔受到很大的主缆不平衡水平力，加劲粱下挠，下 缘产生较大拉应力，同时体内预应力损失。 从施工方面来说，自锚式悬索桥的施工程序与传统悬索桥相反，需先在支 架上整体施工加劲梁，然后才能架设主缆，张拉吊索。吊索张拉施工是个复 杂的非线性过程，同时存在主缆几何非线性、加劲梁和索塔的粱柱效应非线性、 鞍座滑移以及加劲梁与支架间的接触非线性。1 2 3 1 1 结构大位移引起的非线性 ( 1 ) 梁单元的二次效应 设在结构坐标系中的梁单元1 - 2 ，对x 轴的倾角为口。，单元的无应力长度为 k ，如图( 2 3 a ) 所示。在受力变形后，处于图( 2 3 b ) 所示的平衡位置，变形后单元 两端点连线的长度为l ，端点连线对x 轴的倾角为t 2 ，旋转角( 即端点连线与变 形前单元轴线的夹角) 为m ，单元两端变形后的切线方向与变形前单元轴线方向 的夹角分别为o ，及0 ：。轴力p 作用在连线方向，并且和两端弯距m ，、m ：及剪 力q 、q ：保持单元在变形后的平衡。在考虑轴力、剪力和弯距相互作用的杆端 力与杆端位移二次效应时，单元的受力如图2 4 所示，此时取一个微段进行考察， 便有： d m = q d x - - p d y ( 2 3 ) 此处p 为拉力。如p 为压力，则上式相应成为： 武汉理工大学硕士学位论文 d m = q d x + p d y 对式( 2 - - 3 ) 两边微分，有： 粤d x = 一r 口- 害 2 出 注意到：m = b e i d 2 y d x 2 图2 3 单元变形图 发 r 二一二：二：一二二、 0 图2 4 单元受力图 二7 气一 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 一， 一 一一 t 十 二，一么 p m ，一 至 。一 。 孓 泰 武汉理工大学硕士学位论文 并令。：争手脯：碧一器= o 这是典型的四阶微分方程，取双曲线函数解，得： y 础办( 芋x 降x ) + q + 。ll y = 一等妫( 竽x ) + b 竽如( 竽x ) + c 式中待定常数a 、b 、c 、d 可由以下边界条件确定 x = 0 时，y = 0 ； x = 0 时，m = m 1 ； x = 0 时，y ，_ o i + 妒； 于是可得如下方程组； b + d = 0 a s h 2 f l + b c h 2 f l + c i + d = 0 m l e i b 4 z , 8 z 2 一 炉肼卜等砒舢等删 ：手茹抛眦0 2 彳芋抛+ 曰芋抛一+ 圳 ( 2 6 ) x = 1 时，y = 0 ； x = 1 时，m = 一m 2 ： z = 1 时， y = 0 2 + p 解( 2 7 ) 方程组，得a 、b 、c 、d ，然后代入方程( 2 8 ) 得： m 】= s - 七( b + 伊) + s c t ( 岛+ 妒) 1 w ，= s c ( q + 伊) + s k ( 0 2 + 纠f 其中： 16 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 武汉理丁大学硕士学位论文 。f l ( 2 f l c h 2 f l - s h 2 f 1 ) ：c ：丝壁二望 1 一c h 2 , 8 + 加a 2 p 2 摩 2 声一s h 2 f l 七= 孚肛圭厝 以上是根据p 是拉力时推导的，如果p 是压力，通过同样的步骤可以得到与( 2 - - 9 ) 式相同的表达式，因此不论拉力还是压力，均有： m 1 = s 七( q + 们+ s - c 七( 0 2 + 妒) m 2 = 5 c i ( b + 伊) + s 七( 岛+ 纠 皿= q j | ( 1 + c ) + 0 2 + 2 彩 p ：尝( h 。) 0 ( 2 ) 单元切线刚度矩阵 ( 2 1 0 ) 将式( 2 1o ) 改写成结构坐标系下的表达式，可写成： m l = s 七( b + 伊) + j c 七( 0 2 + 伊) l 魄1 = p c o s o r q s i n a( 2 1 1 ) 绣1 = p s i nc z + 0 e o s aj 在现有状态下，若外荷载有一微小变化量，则对应的位移也有微小变化量 从而引起杆端力发生微小变化量。设杆端力增量及位移增量分别为： 弦) = z - 蛤id m - 坦2 蜴2 d m ：r ( 2 - - 1 2 ) d a = a x 。d x ，a o , d x ：咖：鸩y 根据几何与微分关系有： d r p 2 ( 砂i a y 2 ) c o s a 一( d x l 一办2 ) s i n 酣 d = ( 砂l a y 2 ) s i n a + ( 出l d x 2 ) c o s d m l ：2 e ，i ( 2 d 8 , + d 岛+ 3 d 1 5 0 ) a o ，：6 _ e l ( d b + d 0 2 + 2 d o ) 一q 讲 d p ：墅d ( 2 1 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 d 纨】= d p c o s t x d q s i nj 蛔y 】= d p s i n 瑾+ d q e o s a 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 4 ) 并整理写成矩阵形式可得 卧d q y 卜u 爱u 2u , 褂t a y , 鼢f2 ：邶b r = 【a d a 。) 一c 日】协：) 同理可求得： 鼢一畦 = 一陋】7 挑。) + 【c 】鼢：) “、 u 3一u 5 u 31 1 2 u 4 “5“4 一u ( 2 1 4 ) f d x 2 砂： ：j 1 5 ) 刘封旷峋 将式( 2 - - 1 5 ) 和式( 2 - - 1 6 ) 合在一起写成6 x6 的矩阵得： = 啉- 【c 】j b 1 1 f i 抛d a ：, ( 2 - - 1 7 ) 即： 妞) = k 。j 汹) ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 即为杆端力增量与变形增量的关系式，其中k 。j 即为考虑大位移的 单元切线刚度矩阵。 上述式中： 叱嘶 p。l h 幽奶嘏 i i n i 儿 蚝地叫 武汉理工大学硕士学位论文 旷等( c o s 2 口+ 争2 口 叫) f k 凹n 2 州岛+ 岛伽) s i n z 卅 圹臀 + 争2 a 卜事防州q + 蛐z 司 驴等( - 一