（工程力学专业论文）稳定型悬索桥锚固系统设计研究及数值模拟.pdf

摘要 摘要 由于悬索桥变形大、侧向稳定性差的缺点影响其在中小跨度桥梁中的发展， 针对此问题提出的稳定型悬索桥从结构上改善了一般悬索桥的稳定性。锚碇作为 稳定型悬索桥的关键受力部件之一，承受着较大的主缆拉力，并通过锚固系统传 给地基，而桥墩主要作用在于将桥塔的压力和反张索传来的拉力在桥墩内部扩散 进而传给地基。它们的正常工作才使得桥梁安全正常地运营。 本文以某稳定型悬索桥锚碇和桥墩设计与数值模拟为背景，主要工作如下： 1 综述了中外悬索桥发展的历程以及锚碇建设和设计的基本概况，介绍了稳 定型悬索桥与一般悬索桥的区别和联系。 2 根据稳定型悬索桥受力特点及锚固要求，首要的任务是选取适当的锚固形 式和可靠的锚圃系统，然后是拟定合理的尺寸。 3 本文锚碇形式采用重力式锚碇，故以重力式锚碇为研究重点，论述了在锚 碇结构中承担传递主缆拉力的锚固系统，就目前广泛采用的预应力锚固系统的设 计提出其关键影响因素是主缆转角、散索鞍与前锚面之间的距离、前锚面和后锚 面之间的距离。得出了锚碇尺寸主要取决于主缆拉力的大小，合理的锚碇结构要 能给预应力锚固系统提供足够的工作空间。 对于锚固反张索的桥墩的设计主要是锚杆的设计，它的主要内容包括锚杆的 传力机理、锚固长度的计算以及承载力的确定。 4 ，在锚碇结构形式、锚固系统和锚碇尺寸确定后，锚碇的结构受力是设计的 关键a 本文稳定型悬索桥结构受力分析从整体稳定分析、局部空间有限元位移和 应力分析两个方面着手。 5 从有限元理论着手，阐述了锚碇大体积钢筋混凝土结构的有限元理论：对 混凝土的破坏准则、本构关系的选用、钢筋的本构关系进行了分析。 锚碇大体积混凝土结构有限元分析采用整体式分析模型，而对桥墩的有限元 分析则采取整体和分离式相结合的计算方法，锚秆模型的建立采用分离式，桥墩 的其它钢筋混凝土部分采用整体式分析模型。 为了证明采用整体式有限元模型的可行性和正确性，以钢筋混凝土简支梁为 例，利用分离式模型和整体式模型之间的等价性，说明了采用整体式模型分析锚 固系统是可行的。 6 在对锚碇和桥墩的局部空间应力和位移作有限元分析时，借助大型通用有 摘要 限元软件a n s y s ，建立了它们的有限元模型。 结果分析时，对锚碇在各个载荷工况下的位移和应力进行了数值计算：并对 带反张索和不带反张索桥墩的应力和位移计算结果作了比较。最后，通过对计算 结果的分析，得出了一些结论，并提出了一些参考性的建议。 关键词：悬索桥，锚碇，桥墩，选型，锚固系统，合理尺寸，结构分析，有限元 l i 一 墨壅塑矍一一 a b s t r a c t l a r g ed i s p l a c e m e n t ，l a t e r a ls t a b i l i t yl i m i ts m a l l s p a na n dm i d - s p a ns u s p e n s i o n b r i d g ed e v e o p m e n t t os o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ，p e o p l ep r e s e n ts t a b et y p es u s p e n s i o n b r i d g e f o re n h a n c i n gc o m m o ns u s p e n s i o nb r i d g el a t e r a ls t a b i l i t yi ns t r u c t u r e a n c h o r i so n eo ft h ek e yc o m p o s i t i o nb r i d g e ，i tm u s tb e a r i n gg r e a tp u l l i n gf o r c et h a tt r a n s m i t f r o mt h em a i nc a b e ，a n ds h o u l dp a s st h e mt of o u n c t i o nt h r o u g ht h ea n c h o rs y s t e m ； a n dm a i nf u n c t i o no ft h ep i e rt h a ti st ob e a rp r e s so ft h eb r i d g et o w e ra n dp u l l i n g f o r c eo ft h er e v e r s et e n s ec a b l e ，t h e np a s s i n go nt h eb a s e ，t h e i rr e g u l a rr u n n i n g t om a k et h eb r i d g ew o r ki ng o o dc o n d i t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dd e s i g n a t i o no ft h ea n c h o ra n dp i e ro fs t a b l et y p e s u s p e n s i o nb r i d g ei st h eb a e k g r o u n do ft h i st h e s i s ，t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i s a r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo fn a t i v ea n da b r o a ds u s p e n s i o nb r i d g ei so v e r v i e w e d a t t h es a m et i m e ，d e s i g n a t i o na n dc o n s t r u c t i o no ft h eb a s i cs i t u a t i o no ft h ea n c h o r i sa l s oo v e r v i e w e d ；t h ed i f f e r e n c ea n dt h er e l a t i o na r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s a b o u tt h es t a b l es u s p e n s i o nb r i d g ea n dt h ec 0 1 n l l o ns u s p e n s i o nb r i d g e 2 c h o s eap r o p e rt y p e 、ac r e d i b l ea n c h o rs y s t e ma n dt a k ear e a s o n a b l es i z ei s m o s ti m p o r t a n ts t e pf o ra na n c h o rd e s i g n a t i o no ft h es t a b l es u s p e n s i o nb r i d g e 3 i nt h i st h e m s ，t h eg r a v i t a t i o n a la n c h o ri st a k e na sm a i nr e s e a r c ho b j e c t t h e a n e h e rs y s t e m ，e s p e c i a l l yt h ep r e s t r e s sa n c h o rs y s t e m ：ad o p u r a la n c h o rs y s t e mt h a t b e a ra n dp a s sp u l l i n gf o r c eo ft h em a i nc a b l ei sd i s c u s s e d i ti sb e l i e v e dt h a tt h e a n y eo ft h em a i nc a b ea n dd is t a n c eb e t w e e nt h ed i s p e r mo ne a b es a d d l ea n dt h ef r o n t a n c h o rf a c e t ，b e t w e e nt h ef r o n ta n c h o rf a c e ta n dt h eb a c ka n c h o rf a c e ta r et h ek e y e f f e c tf a c t o ro ft h ea n c h o rs y s t e ms i z e a n dn a r r a t i n gt h es i z ed e p e n d so nt h ed e g r e e o ft h ep u l l i n gf o r c e ，ar e a s o n a b l es i z es h o u l dp r o v i d eas u f f i c i e n tw o r kr o o mf o r t h ea n c h o rs y s t e m d e s i g n a t i o no ft h ep i e rt h a tf i x i n gr e v e r s ec a b l ei sm a i n l yt h ed e s i g n a t i o no f t h ea n c h o r - p o l e ，m a i nd e s i g n i n gw o r k sc o n s i s to fw o r km e c h a n i s m 、l o a dt r a n s m i s s i o n a n dc o n f i r mb e a r i n gf o r c eo ft h ea n c h o r p o l e 4 a f t e r w a r d s ，s t r u c t u r a la n a l y s i si st h en e x ti m p o r t a n ts t e pjnt h ed e s i g n a ti o n a sas o l i ds t r u c t u r e ，t h ea n a l y s i ss h o u l db et a k e nb o t ho nt h ew h o l es t a h i t i t ya n d 1 1 1 英文摘要 t h ep a r t i a ls t r e s so ft h el o c a ls p a c ef e m 5 o nt h eb a s i so ft h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r y ，i n t r o d u c et h ee l a s t o - p l a s t i c t h e o r yo ft h eb a s i cr o c k ：t ot h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r yo ft h ea n c h o rg r e a tb u l kr c ： t h ed a m a g en o r mo ft h ec o n c r e t e ，n a t i v ef o r m sc h o o s i n g ，n a t i v ef o r m so ft h e r e i n f o r c e i n gs t e e lb a ra r ed i s c u s s e da n da n a l y s i s e di nt h et h e s i s t h ee n t i r es t y l ef i n i t ee l e m e n tm o d e li sc h o o s e dt oa n a l y z et h ea n c h o r ：t ot h e f i n i r ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ep i e r ，t h i st h e s i st a k e st h ee n t i r em o d e la n dt h e s e p a r a t em o d e lt oc a l c u l a t ea n da n a l y z e ，t h es e p a r a t em o d e li sa d o p t e dt oe r e c tm o d e l o ft h ea n c h o r p o l e ，a n dt h ee n t i r em o d e li sa d o p t e dt oe r e c to t h e rp a r t so ft h ep i e r f o rt e s t i f y i n gt h er a t i o n a l i t ya n dv a l i d i t yo ft h e t h ee n t i r em o d e l ，t h et h e s i s g i v e st w os i m p l ee x a m p l ea b o u tr cb e a m ，m a k eu s eo ft h ee q u a l i t yo ft h ee n t i r em o d e l a n dt h es e p a r a t em o d e l ，t h ee n t i r ea n a l y s i sm e t h o dt h a ti sa p p l e dt oa n a l y z et h e a n c h o rs y s t e mi nt h et h e s i st e s t i f i e di s r i g h t 6 i na n a l y z i n gt h ep a r t i a ls t r e s so ft h el o c a ls p a c ef e m ，t h et h e s i sr e l y i n g o na n s y ss o f t w a r es u c c e s s f u l l ye s t a b l i s ht h ef f 3 1m o d e lo ft h ea n c h o ra n dp i e r s t r u c t u r e w h e nt h er e s u l t sa r ea n a l y z e d ，t ot h ep a r t i a ls p a c es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to f t h ea n c h o ra n dt h ep i e rh a v i n gr e v e r s ec a b l ea n dh a v i n gn o tr e v e r s ec a b l ea r e c a l c u l a t e da n da n a l y s e dw i t hd e f e r e n tl o a d i n gc o n d i t i o n s a tl a s t ，a c c o r d i n gt h o s e r e s u l tp u tf o r w a r ds o m ea d v i c et h a ti se x p e c t e dt op r o v i d er e f e r e n c ef o rd e s i g n i n g a n dc o n s t r u c t i n gs i m i l a ra n c h o r s y s t e mi nf u t u r e k e yw o r d s ：s u s p e n s i o nb r i d g e ，g r a v i t ya n c h o r ，p i e r ，t y p ec h o o s e ，a n c h o r s y s t e m , r e a s o n a b l es i z e ，s t r u c t u r ea n a l y s i s , f e m 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：胡肇囊 日 期：2 以年5 月9 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：压茎主论文作者签名：塑：辇窒 日 期： 缨! 生兰臼2旦 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 据不完全统计，迄今为止，全世界己建成跨度2 5 0 m 以上的悬案桥9 5 座，其 中5 0 0 m 以上的悬索桥4 5 座( 美国l7 座，日本1 4 座，英国3 座，其他国家l l 座) ，1 0 0 0 m 以上的悬索桥1 3 座。已有学者论证，当跨度超过6 0 0 m 时悬索桥将 是最合理的桥型“。当跨度超过2 0 0 0 m 之后，悬家桥将是唯一可行的桥型，悬 案桥的最大可能跨度可达2 6 2 0 4 2 4 0 m ，可以说，悬索桥既是一种古老的桥型， 也是一种发展前景最远大、建设规模最壮观、结构最精巧的桥型。 1 1 国内外悬索桥的发展历程 t 1 1 中国古代悬索桥的发展 举世公认，中国是古代悬索桥的发源地。日本著名桥梁学家小西一郎在其著 作中指出“悬索桥的历史是最古老的，一般认为古代中国已见其例。”我国著名桥 粱! 学家茅以升主编的中国古桥技术史和唐澄褰高工编著的桥等书中都提 供了丰富的史料”“。古代思索桥最初以藤索、竹索为承重结构，称之谓藤桥或 拦桥。有据可考的藤桥是云南藤龙川东江藤桥。史书记载，“系藤为桥于上以渡， 桥阔十四五丈。”最早的竹桥应是举世闻名的由李冰建造的都江堰桥( 公元前 2 5 6 2 5 1 年) 1 2 。 1 1 2 中国现代悬索桥的发展 我国现代悬索桥的建造起步较晚，在上世纪9 0 年代以前，虽然修建几十座 悬索桥，但跨度小、宽度窄、荷载标准低。其中较著名的有1 9 6 9 年建成的重庆 嘉陵江朝阳桥，是一座跨径为1 8 6 m ，桥宽9 m ，钢与混凝土结合梁的双链式悬索 桥，这种型式虽然刚度大，能消除s 形的竖向变形，但构造复杂，外观差；1 9 8 4 年建成的西藏达孜桥跨度为5 0 0 m ，一侧的塔架和鞍座设在山上，故桥面长度仅 4 15 m ，主缆垂跨比为1 1 5 ，并用斜拉索来增加桥梁整体刚度，由于桥面为单车 道，加劲梁为敞口式全焊接加劲桁架，桥的宽跨比很小，需要在河滩上设地锚和 横向抗风索增加稳定性；1 9 8 7 年建成的大连北大桥，跨径为1 3 2 m ，加劲梁为宽 12 m 的钢桁架。 2 0 世纪9 0 年代后中国现代悬索桥有了很快的发展，建成了许多大跨度各 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 有特色的悬索桥m3 ，见表1 1 。其中汕头海湾大桥是我国第一座现代化的悬索 桥，为一座三跨双铰预应力混凝土箱梁悬索桥，主跨4 5 2 m 。以后相继建成了主 跨9 0 0 m 的西陵长江大桥、主跨8 8 8 m 的虎门大桥、主跨9 6 0 m 的宜昌长江大桥以 及名列世晃第四的主跨1 3 8 5 m 的江阴长江大桥，名列第五的主跨1 3 7 7 m 香港青 马大桥( 公铁两用) 等大跨悬索桥啪m 3 。 表1 12 0 世纪9 0 年代后我国建成的大跨度悬索桥 1 1 3 国外悬索桥的发展历程 英国最早的铁链悬索桥是17 4 1 年建成的t e e s 河桥，跨度2 1 3 4 m ，宽 0 6 3 m ，使用达6 1 年之久。美国最早的铁链悬索桥是1 8 0 9 年建成的新保兰坡桥， 主跨约6 2 m ，宽1 3 m 。法国是1 8 2 1 年，德国和沙俄是1 8 2 4 年才有铁索桥。无论 建造年代、规模和技术水平都不及中国。 从1 8 世纪中叶到1 9 世纪末是近代大跨度悬索桥的产生和发展时期。在这个 时期里，欧美各国相继完成了工业革命，冶炼技术有了长足的发展。1 7 6 9 年出 现蒸气汽车。1 8 8 5 年一1 8 8 5 年出现了内燃机车，1 9 世纪末汽车工业蓬勃兴起， 前者为发展大跨度、大承载力的悬索桥准备了物质基础，后者则提出了社会和生 产需求。 因此，从那时起，悬索桥中心由古老的中国转移到了美英等资本主义发达 国家。这时期出现了一系列大跨度公路悬索桥。可以作为近代悬索桥范例的有： 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 最早的钢缆悬索桥是j f i n le y 于1 8 1 6 年设计并修建的美国8 c h u y l k i l l 桥，跨 度1 2 4 3 6 m 。欧洲最早的钢缆悬索桥是h d - f o u r 于1 8 2 3 年建造的“。 近代悬索桥的代表作品是美国1 8 8 3 年建造的b r o o m y n 桥“蚰 2 7 j 。该桥跨 度组合为( 2 8 4 + 4 8 6 + 2 8 4 ) m ，桥总宽2 6 2 m 。采用4 根钢缆，每根钢缆中采用了 5 2 8 2 根直径4 5 7 m m 的钢丝，钢丝容许应力高达3 3 k g m m 。，该桥使用了百年之久， 这是十九世纪建成的跨度最大、使用年限最久的悬索桥。 日本在战后修建了不少悬索桥。继1 9 6 0 年建成小鸣门桥之后，相继建成了 跨度( 8 9 + 3 6 7 + 8 9 ) i l l 的若户大桥( 1 9 6 2 年) ，跨度( 17 8 + 7 1 2 + 1 7 8 ) m 的关门桥( 1 9 7 3 年) ，跨度( 2 7 4 + 9 9 0 + 2 7 4 ) m 及( 2 7 4 + 1 1 0 0 + 2 7 4 ) 【l 的南、北备赞户大桥( 1 9 8 8 年) ，无论从建设规模、设计及施工技术上都处于世界的最前列。因此说，日本 已代替美国成为现代悬索桥技术晟先进的国家”。国外大跨悬索桥见表l 一 2 2 7 。 表l 一2 国外大跨悬索桥 1 2 稳定型悬索桥介绍 1 2 1 稳定型悬索桥简介 悬索桥主缆的抗拉能力决定了它的跨径，加劲梁截面尺寸由吊杆间距决定， 它不会因为跨经的增加而增大，所以悬索桥具有比其它桥型更大的跨越能力。虽 然现代悬索桥发展前景被普遍看好，但是对于悬索桥这种结构形式，变形大稳定 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 性差仍然是其弱点。对于长大悬索桥，由于桥体质量远远大于活载质量，由活载 引起的大变形和稳定性问题并不十分突出；而对于中小跨悬索桥，其桥体质量与 活载质量差别并不十分显著，又由于悬索桥的局部效应，活载产生的变形和侧向 稳定问题十分突出。这些问题的存在使得中小跨悬索桥的发展受到很大的限制， 且有逐步被其它桥形取代的趋势。然而，在我国很多山区，江河交错，险潍密布， 此时，悬索桥仍为跨越江河、险滩的主要桥型。在云南、四川、贵州等地就有不 少跨越江河、险滩的单线行驶的悬索桥或人马驿道桥。这类桥跨度多在几十米至 一二百米之间。虽然它们体现了悬索桥的优点，但由于活载与恒载之比较大，活载 g 【起的变形较大，稳定性、抗风性较差，因雨承载能力受到限制。制约了这些地 区的经济文化交流。有人曾通过改变桥面体系结构、悬吊方式及加抗风索等措施 以改善其稳定性，但大量实践证明此举收效不大。 悬索桥明显的缺点致使其在中小跨度层次上逐步被其它桥型所取代。很盟然 如果能有效改善中小跨度悬索桥的稳定性对于旧桥改造及继续发挥悬索桥的优 势具有很重要的意义。 解决悬索桥稳定性的核心问题就是要增加桥的刚度，以限制其各个方向的 位移。为此，前几年有学者提出了反张悬索桥”1 或称稳定型悬索桥的桥体结构。 如图l 1 。 8、。丫 7 9 i i j _ l lj i i l i l i l l | l | l f i l i l li i i i t l i i i i i i i i i n u l 嘲l i 珊删h h 1 1 i l l h i i l f i l l 誓m m i l l l t l l l l i t _ 。 l i i i i i i 鼬l l l l l l l l l l l 矗 一l 少，、u 。f ” j ， 图1 1 稳定型悬索桥模型图 1 2 2 稳定型悬索桥的特点 从结构上看。反张悬索桥是以普通悬索桥作为桥的基本形式，在悬索桥正下 方增加反向张拉索( 或倒张索) ，倒张索与桥面间用拉杆连接，倒张索的张紧程 度以无倒张索时桥跨中承受最大荷载时产生的变形为准。而倒张索的作用使桥未 受荷载时已处于预张状态，从而整体刚度得以提高。实验和研究表明：这种稳定 型悬索桥可作为中小型跨度桥梁的选择之一，这使得悬索桥不仅在大跨度方面具 有优势而且对于中小跨度桥梁同样具有竞争力。 反张悬索桥类似索桁架或悬索桥加抗风索，但受载原理和变形规律是不相同 4 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 性羞仍然是其弱点。对丁二长大悬索桥，由于桥体质量远远大于活载质量，由活载 引起的大变形和稳定性问题并不十分突出；而对于中小跨悬索桥，其桥体质量与 活载质量差别并不十分显著，叉由于悬索桥的局部效应，活载产生的变形和侧向 稳定问题十分突h 。这些问题的存在使得中小跨悬索桥的发展受到很大的限制， 月，有逐步被其它桥形取代的趋势。然而，在我国很多山区，江河交错，险滩密布， 此时，悬索桥仍为跨越江河、险滩的主要桥型。在云南、四川、贵卅等地就有不 少跨越江河、险滩的单线行驶的悬索桥或人马驿道桥。这类桥跨度多在几十米至 一二百米之间。虽然它们体现了悬索桥的优点，但由于活载与恒载之比较大，活载 引起的变形较大，稳定性、抗风性较差，因而承载能力受到限制。制约了这些地 区的经济文化交流。有人曾通过改变桥面体系结构、悬吊方式及加抗风索等措箍 以改善其稳定性，但大量实践证明此举收效不大。 悬索桥明显的缺点致使其在中小跨度层次上逐步被其它桥型所取代。很显然 如果能有效改善中小跨度悬索桥的稳定性对于旧桥改造及继续发挥悬索桥的优 势具有很重要的意义。 解决悬索桥稳定性的核心问题就是要增加桥的刚度，以限制其各个方向的 位移。为此，前几年有学者提出了反张悬索桥“1 或称稳定型悬索桥的桥体结构。 如图i i 。 图1 1 稳定型悬索桥模型图 1 2 2 稳定型悬索桥的特点 从结构上看，反张悬索桥是以普通悬索桥作为桥的基本形式，在悬索桥正下 方增加反向张拉索( 或倒张素) ，倒张索与桥面间用拉杆连接，倒张索的张紧程 度以无倒张索时桥跨中承受最大荷载时产生的变形为准。而倒张索的作用使桥未 受荷载蹦已处于预张状态，从而整体剐度得以提高。实验和研究表明：这种稳定 型悬索桥可作为中小型跨度桥梁的选择之一，这使得悬索桥不仅在大跨度方面具 有优势而且对于中小跨度桥梁同样具有竞争力。 反张悬索桥类似索桁架或悬索桥加抗风索，但受载原理和变形规律是不相同 反张悬索桥类似索桁架或悬索桥加抗风索，但受载原理和变形规律是不相同 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 的，它是一预张结构。通过反向张拉的结构使桥面产生一定的初位移。此初位移 代替了活载上桥后产生的部分位移，减少了活载上桥后产生的位移，从而使桥的 刚度明显提高。活载上桥后产生的变形使反张结构部分放松。这样，原来由反张 结构施加的部分载荷由活载来代替，实现了载荷的替换。此时悬索桥主缆张力虽 有增加但增加有限。反张结构并未全部放松，桥的刚度仍能保持。由于增加反张 结构，整个桥处于预张状态，桥的整体刚度得到提高。亦即不仅桥的纵向刚度得到 提高，而且横向刚度和扭转刚度也得到提高。经过反张悬索桥与普通悬索桥在理 论计算和实验模型测试方面的对比研究表明，反张悬索桥在变形、稳定性及抗风 性方面均优于普通悬索桥。因此认为反张悬索桥既保持了普通悬索桥的优点又克 服了变形大、稳定性差的缺点，是一种在中小跨度层次上可供选择的桥型。 带反向索的悬索桥作为中小跨度悬索桥的一种新型桥型，在计算理论和经济 分析方面尚待完善，细节研究也是必要的。锚碇作为稳定型悬索桥一个重要组成 部分，其设计的思路和所应遵循的基本原则与一般悬索桥的锚碇设计没有太大的 差别。对于相同跨度的一般悬索桥与稳定型悬索桥的桥墩而言，它们的主要差别 在于普通悬索桥的桥墩主要承受桥塔传来的压力，而稳定型悬索桥的桥墩由于反 张索的存在，还要承受反张索传来的拉力，从而对稳定桥桥墩进行设计时必须考 虑到它受力的特殊性。 对于大跨度悬索桥由于其桥体自身的重量远远大于车辆等活载，所以当活载 上桥后主缆索的拉力相比于活载未上桥时变化很小，可以忽略，相应的由主缆拉 力变化所引起的锚碇内部的应力变化以及锚碇的位移也相对很小。而对于一般的 小型悬索桥，由于跨度较小，且在其上面的车道数一般为一车道或两车道，因此 这种悬索桥的自身重量不是很大，活载上桥后其与桥本身的重量之比不容忽视。 因此，活载上桥后所引起的主缆索的拉力变化与原主索拉力相比不可忽略，而主 缆索拉力的变化也就导致了锚碇在空载和满载时局部应力和应变会发生明显的 变化。 1 3 悬索桥锚锭和桥塔基础( 桥墩) 1 3 1 锚锭建设概况 无论是稳定型悬索桥还是一般的悬索桥，作为它们的四大部分之一的锚碇， 般是指主缆索的锚固系统，包括锚块、鞍部、缆索防护构造、散索鞍支承及其 它附属构造的锚体和基础的总称。锚碇在承受主缆索拉力的竖向分力的同时，更 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 专要的还要承受主缆索拉力的水平分力。锚碇的基本功能就是通过锚固系统将主 缆索拉力传给锚块，再通过包括锚块在内的锚体将之传给基础，从而达到平衡主 缆拉力，起到锚固作用。 锚碇通常分办自锚式和地锚式两种形式。自锚式是将主缆索锚在加劲梁上， 而地锚式则将主缆索锚于重力式混凝土锚块或岩洞中的混凝土锚块上。地锚式通 常又分为重力锚和隧道锚。锚于重力式混凝土锚块上的称为重力式锚碇；隧道式 锚碇是一种在基岩中开挖出一个能容纳锚固构件的隧洞，利用一定强度的混凝土 与洞壁握固，依靠岩体承受主缆拉力的锚固系统。因此，适合的自然条件和岩体 的完整性是设计隧道式锚碇的前提条件。但是一般情况下很难满足；所以悬索桥 大多采用重力式锚碇。重力式锚碇和隧道式锚碇构造示意图见图1 2 和图1 3 。 童曩 图l 一2 ( a ) 典型的前锚式重力式锚碇1 2 ( b ) 丹麦大贝尔特桥锚碇 敢索赣 图1 - - 3 ( a )隧道式锚碇立面图 图1 3 ( b ) 隧道式锚碇平面图 厂崤 图1 4 关门桥锚碇 6 星塑堡三奎芏堡主堂垡堕壅 塑二童竺堡 一 一 以上是一些比较著名的悬索桥的锚碇所采用的锚碇形式，从它们的结构形式 可以看出，尽管所采用的形式同属重力式锚碇或隧道式锚碇，但它们又各有其各 自的特点。 下面是一些具有典型意义的悬索桥锚碇设计资料，见表1 3 “。 表l 一3已建成中外悬索桥锚碇资料 1 3 2 锚碇设计概况 锚碇规模大小主要取决于主缆拉力的大小。一般在锚碇设计前主缆拉力已确 定，旦主缆入射角一般情况下也已确定“。当桥梁的结构形式及主缆拉力确定 后，结合地形、地质、水文、航运、气象等条件确定锚碇形式。然后根据主缆索 的架设方法、桥梁在造价、旎工、工期等各方面因素，确定主缆索的锚固方式和 锚固系统的结构形式。由上部结构条件确定锚碇设计的基本参数，初拟各部分的 基本尺寸和施工方案及施工流程，进行锚碇的整体验算和结构计算及其他附属设 施的构思。而锚碇尺寸的大小还取决于主缆锚固系统的长度。 ( 1 ) 锚碇基础：重力式锚碇基础根据不同的地形、地质、水文情况可以分 别采用直接基础或深基础如沉井、地下连续墙、桩基础等。如果锚碇处有坚硬的 岩层，隧道锚碇将是最为经济的。如果持力层位于地下较浅的位置，则选择直接 基础是合理的。例如宜昌大桥南北锚碇、虎门大桥东锚碇。如果坚实的持力层埋 置很深，设计又要求将荷载传给持力层，此时锚碇的基础必须采用深基础如沉井、 地下连续墙及桩基础等。如果采用浅基础，则应充分考虑基础在荷载作用下的各 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 种燹形。 ( 2 ) 锚碇块：锚块的作用在于给主缆锚固系统提供一个良好的工作环境， 使锚固系统在锚块有充分的展索空间，并将主缆拉力通过锚块传递给基础。锚块 的形式有重力式锚块和隧道锚块之分，目前己建的大跨度悬索桥大多采用重力式 锚块；而锚块的大小决定了锚碇的规模，锚块的尺寸则又决定于主缆拉力的大小， 也即在主缆拉力作用下锚块要能抵抗滑移和倾覆的能力；在相同的主缆拉力条件 下，采用怎样的主缆锚固系统又是锚块尺寸的抉定因素。 ( 3 ) 主缆的锚碇架及固定装置：主缆的锚碇架及固定装置将主缆的拉力分 数传递到锚块，通常有前梁、后梁、锚杆及支承和定位这些构件的支撑结构组成。 主缆锚固构架是一个大的钢结构骨架。锚杆为高强度长螺杆或预应力钢丝束，它 将主缆拉力传到锚国块，锚杆埋在混凝土锚块内。如果在后锚梁对锚杆进行张拉、 锚固，则应在混凝土锚块内先按设计位置埋入套筒以隔离锚杆，待张拉、锚固后， 在套管内压浆。在锚碇设计时，要特别注意锚杆的锚固长度，以防锚杆从混凝土 中被拔出。 ( 4 ) 主缆支架( 或散索鞍) ：主缆支架一般又称散索鞍。当主缆入射入锚 块内时，需要改变方向，主缆支架的主要作用是将主缆散开，因此主缆支架设计 时必须适应主缆伸缩的要求。 锚碇设计难点在于如何处理好各种界面之间的关系：也即散索鞍与主缆的关 系：主缆锚固系统与锚碇块之间的关系：锚块与地基基础之间的关系。 1 ，3 3 桥墩 对于悬索桥，桥墩的主要作用是承受桥塔传来的压力，进而由其传给地基基 础。而对于稳定型悬索桥，由于其特殊性，它在桥面系的下端有反张索，而反张 索j i j 足通过锚杆锚圃于桥墩之内，这使得稳定桥的桥墩的受力由单纯的受压变成 受压的同时还要承受反张索传来的拉力。此时桥墩的设计不仅要考虑上部桥塔传 来的压力，更要考虑反张索的拉力作用，反张索的拉力由锚杆传递给桥墩，因此 锚杆的设计将是桥墩设计的个主要组成部分。本文主要将就锚杆的设计和桥墩 尺寸拟定这两个方面来进行桥墩的设计。 1 4 本文内容的基本思路 稳定型悬索桥e b 于其反张索的存在，使得整个悬索桥在活载还没有上桥时就 已经处于预张状态，当车辆等活载上桥后，反张索的预张力可以相应的抵消一部 昆明理工大学硕士学位论文第一苹 绪论 分荷载对桥体的压力，从而也就使得主缆拉力的变化相应的小于没有带反张索的 一般悬索桥，进而导致稳定型悬索桥锚碇的局部应力和位移等在活载上桥后变化 要比一般悬索桥为小。稳定型悬索桥的主要外形特点就是多了反张索，它一般锚 固于支撑桥塔的桥墩上。由于反张索拉力的存在，使得稳定桥的桥墩受力不同于 一般悬索桥的桥塔仅受上面传来的压力荷载，它在承受压力的同时，更要承受反 张索的拉力。因此稳定桥锚固系统的设计包括两个大的部分：锚固主缆的锚碇设 计；锚固反张索的桥墩设计。本文将主要以锚碇设计为重点。 本文主要线索是以某一稳定型悬索桥为背景，在主缆索和反张索拉力已知的 前提下，来进行锚固系统的设计，之后利用通用有限元软件a n s y s 来对其在各个 载荷工况下进行数值模拟计算，并对它们在各载荷工况下的位移和局部应力作对 比分析；同时在对桥墩部分作数值模拟计算时，对比分析了该桥在带反张索和不 带反张索时的局部空间应力和位移的计算结果。 1 4 本文的主要内容及意义 我国在大跨悬索桥建设上起步较晚，1 9 9 5 年汕头海湾大桥的建成拉开了大 跨度悬索桥建设的序幕。应该说，国内在大跨度悬索桥建设方面是缺乏经验的， 大跨度悬索桥的设计和施工主要还是参考国外同类桥梁的建设经验，同时也缺乏 系统的悬索桥设计规范和旆工规范。随着九十年代至今我国相继建成的几座具有 代表性的大跨度悬索桥以来，我国在悬索桥的建设技术上取得了长足发展，其技 术含量也步入了世界先进行列。本文稳定型悬索桥锚碇和桥墩设计与计算机仿真 模拟正是在借鉴了国内外悬索桥锚碇建设的成功经验的基础上完成的。主要内容 如下： 1 综述了中外悬索桥发展的历程以及锚碇建设和设计的基本概况，介绍了稳 定型悬索桥与一般悬索桥的区别和联系。 2 根据稳定型悬索桥受力特点及锚固要求，首要的任务是选取适当的锚固形 式和可靠的锚固系统，然后是拟定合理的尺寸。 3 本文锚碇形式采用重力式锚碇，故以重力式锚碇为研究重点，论述了在锚 碇结构中承担传递主缆拉力的锚固系统，就目前广泛采用的预应力锚固系统的设 计提出其关键影响因素是主缆转角、散索鞍与前锚面之间的距离、前锚面和后锚 面之间的距离。得出了锚碇尺寸主要取决于主缆拉力的大小，合理的锚碇结构要 能给预应力锚固系统提供足够的工作空间。 对于锚固反张索的桥墩的设计主要是镭杆的设计，它的主要内容包括锚杆的 9 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 传力机理、锚固长度的计算以及承载力的确定。 4 在锚碇结构形式、锚固系统和锚碇尺寸确定后，锚碇的结构受力是设计的 关键。本文稳定型悬索桥结构受力分析从整体稳定分析、局部空间有限元位移和 应力分析两个方面着手。 5 从有限元理论着手，阐述了锚碇大体积钢筋混凝土结构的有限元理论：对 混凝土的破坏准则、本构关系的选用、钢筋的本构关系进行了分析。 锚碇大体积混凝土结构有限元分析采用整体式分析模型，而对桥墩的有限元 分析则采取整体和分离式相结合的计算方法，锚杆模型的建立采用分离式，桥墩 的其它钢筋混凝土部分采用整体式分析模型。 为了证明采用整体式有限元模型的可行性和正确性，以简单的钢筋混凝土简 支粱为例来说明。同时利用分离式模型和整体式模型之间的等价性，进一步说明 采用整体式模型分析锚固系统是可行的。 6 。在对锚碇和桥墩的局部空间应力和位移作有限元分析时，借助大型通用有 限元软件a n s y s ，建立了它们的有限元模型。 在结果分析时，对锚碇在各个载荷工况下的位移和应力进行了数值计算；并 对带反张索和不带反张索桥墩的应力和位移计算结果作了比较。最后，通过对计 算结果的分析，得出了一些结论，并提出了一些参考性的建议。 通过对本文锚碇和桥墩设计以及三维实体有限元数值模拟，希望能为具有类 似使用条件的悬索桥锚碇和桥墩的建设提供参考；并为稳定型悬索桥的相关理论 添砖加瓦，以期能促进其在桥梁家族中的推广和使用。 0 垦塑望三奎堂堡主堂垡笙茎箜三雯塑塑堡笪 一一一 第二章锚固设计 稳定桥锚固设计主要包括锚碇的设计和桥墩的设计。本章将重点论述锚碇的 设计。 锚碇作为悬索桥的主要承重结构之一，其主要作用是承受主缆的拉力，并最 终将主缆拉力传给地基。而主缆作用于锚碇的拉力可以分解为水平分力和竖向分 力。因此，锚碇设计必须遵循以下几个基本原则2 2 5 m ”： ( 1 ) 主缆水平拉力作用下不应发生滑移： ( 2 ) 主缆在纵向拉力和锚碇的自重作用下，其基底面上任意一点的竖向应力 不应超过地基的容许应力，即不会出现地基下沉和转动( 倾倒) ； ( 3 ) 锚碇局部应力计算不应超过相应材料的容许应力。 重力式锚碇的设计主要将就锚碇形式、锚固系统的选择和锚碇尺寸的拟定这 三个主要方面来进行比较详细的探讨和研究。 桥墩作为稳定桥反张索的锚固结构，其设计原则基本上与锚碇结构的设计原 则相同。由于桥墩上部有桥塔传来的压力，尽管有反张索的拉力存在，但其值与 压力相比不是很大，所以其抗倾和抗滑一般能够满足。对桥墩的设计将主要从锚 杆的工作机理、承载力的确定及尺寸拟定这几个方面来阐述。 2 1 锚碇结构形式的选择 当桥梁的结构形式及主缆拉力确定后，结合地形、地质、水文、航运、气象 等条件来确定锚碇的结构形式。然后根据主缆索的架设方法、桥梁在造价、施工、 工期等各方面因素，确定主缆索的锚固方式和锚固系统的结构形式“。“。 锚碇是悬索桥的生命线，全桥荷载通过主缆传递到锚碇的锚固系统，锚固系 统又传给整个锚碇，进而又有锚碇将主缆拉力安全的传给地基，以保证全桥的正 常运行。因此要求锚碇有足够的刚度，在主缆拉力作用下不滑移、不倾覆。而这 种刚度正是由锚碇的合理形式及相应的锚固方式和合适的锚固系统与恰当的尺寸 来保证的“。 稳定桥两岸地质状况基本相似，锚碇所处位置地质状况良好，其整体稳定性 较好。据此，锚碇可采用隧道式或重力式锚碇。对于隧道式锚碇，当上部覆盖层 较薄，而下部基岩整体稳定性较好、承载力较高的情况下，无疑是最经济的，既 可以大幅度减少混凝土的用量，同时锚固系统直接与基岩接触也降低了锚固系统 垦塑堡三奎堂堡主兰壁堡塞篁三雯垡望垦生 一 的造价m m 。由于稳定桥锚碇规模不是很大，采用重力式锚碇结构将更为经济可 行；同时国内外迄今为止悬索桥锚碇大多采用重力式锚碇，且隧道式锚碇应用经 验还不十分成熟，而重力式锚碇的应用技术在国内外发展已较为成熟，所以本文 稳定型悬索桥的锚碇形式采用相对较为稳妥的重力式锚碇。 2 2 锚体及锚固方式 2 2 1 锚体 锚体主要包括锚块、散索鞍支墩( 或前墙) 、前锚室等。其中锚块是重力式锚 碇的最根本的受力部件也是锚固系统传力的首要部位，靠其自身的巨大重力来承 担主缆拉力，锚固系统及其定位支架置于锚块内。所以锚块除按结构计算布设受 力钢筋外，在混凝土内部和其表面一般还要配置一定的防裂钢筋，来抵抗混凝土 内外应力( 主要是温度和混凝土收缩应力) ，其计算方法除按常规方法计算外，现 在通常还要应用有限元方法进行详细的应力、应变和位移分析，本文的锚碇和桥 墩在设计后就采用大型有限元分析软件a n s y s 对其进了数值模拟。 散索鞍支墩作为散索鞍的支撑结构，直接承受由主缆拉力引起的散索鞍传来 的压力并与前锚室组成框架共同承受主缆拉力，主缆通过散索鞍的散索作用而进 入前锚室。图2 1 表示索股力引入锚碇混凝土中所采用的四种