（道路与铁道工程专业论文）自锚式悬索斜拉组合体系桥梁模型试验研究.pdf

摘要 自锚式悬索斜拉组合体系桥梁是一种崭新的桥型，兼有自锚式悬索和斜拉桥的特 点，结构新颖，造型独特、线形流畅优美，但作为一种新型结构体系桥梁，结构复杂， 受力不很明晰，自锚式悬索一斜拉组合体系桥梁吊杆张拉施工是一个复杂的非线性过程， 困扰桥梁设计和施工。特别是本文依托工程江苏省交通科学研究计划项目( 0 6 y 1 9 b ) 龙城 大桥，为空间主缆、空间索面、倾斜拱形桥塔，结构受力更加复杂，结构是否能够形成 相互协作的体系，桥梁是否能够形成理想的线形，如何在施工中保证结构形成理想线形。 对该结构体系进行模型试验研究，是很好的解决上述问题的方法，但目前试验中存在单 一材质不适用于复杂结构桥梁，采用多项材质换算参数多，换算关系复杂、工作量大， 并且在试验中如何更好的测试缆索的变形以及吊杆的应力。针对这些问题本文主要研究 内容有： 1 、针对单一材质模型不适合于复杂桥梁结构的问题，以相似理论为基础，提出基 于多相材质的模型试验理论。根据量纲理论推导在集中荷载、均布荷载、弯矩作用下， 模型与原型相似的应力、应变、挠度相似判据。 2 、基于已有复杂模型换算过程换算参数多，换算工作量大的特点，考虑多相材质 模型中弹性模量的差异，提出将弹模计入结构刚度考虑的方法，推导了模型配重关系式， 得到了测量物理量的换算关系式。并对依托工程进行模型设计，确定模型截面，考虑原 型边界条件，进行模型加工制作。 3 、考虑自锚式悬索斜拉组合体系桥梁的非线性特征，基于有限位移法建立依托工 程施工全过程仿真分析，得到不同施工阶段主缆、斜拉索、吊杆、主梁和主塔在不同施 工阶段的内力和位移。通过模型试验，分析了吊杆张拉方式对结构体系力学行为的。 4 、针对模型试验中结构尺寸小，测试精度要求高的特点，研制适合于缆索结构的 测力传感器。针对模型试验中空间缆索变形，人工测试精度低、效率差的特点，提出适 合于缆索结构变形的测试方法，并确定测试方法的适用条件。 5 、通过施工阶段模型试验，研究自锚式悬索斜拉组合体系桥梁施工阶段力学行为 及受力性能，分析空间索缆线形变化规律和结构整体性能，得到在合理施工方法下，自 锚式悬索一斜拉组合体系能够达到预期的空间主缆线形并实现协同受力。 6 、根据桥梁作为城市主干道运营特点，对依托工程进行使用阶段的满载和偏载模 型试验，研究了结构的使用安全性。 关键词：自锚式悬索斜拉组合体系桥梁，模型试验，测试技术，受力性能，多相 材质模型 a b s t r a c t s e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o n c a b l e - s t a y e db r i d g e i san e wt y p eo fb r i d g e w h i c hh a s s u s p e n s i o nb r i d g e sa n dc a b l e - s t a y e db r i d g e so b v i o u s l yc h a r a c t e r i s t i c i th a sn o v e ls t r u c t u r e ， t h eu n i q u em o d e l ，s m o o t ha n de x q u i s i t el i n e a r , a n di sp o p u l a r b u tb eak i n do fn e ws t r u c t u r e s y s t e mb r i d g e ，t h es t r u c t u r ei sc o m p l e x ，t h es t r e s si sn o tv e r yd e f i n e d c o n s t r u c t i o no ft h e h a n g e rr o df o rs e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o nc a b l e s t a y e db r i d g ei sac o m p l e xn o n l i n e a rp r o c e s s ， t r o u b l eb r i d g ed e s i g na n dt h ec o n s t r u c t i o n i nt h i st h e s i s ，i np a r t i c u l a r , s u p p o r t e db ys c i e n t i f i c r e s e a r c hp r o j e c to fj i a n gs up r o v i n c et r a n s p o r tp r o j e c t ( 0 6 y 19 b ) l o n gc h e n gb r i d g e ，w h i c h h a st h es p a c em a i nc a b l e ，s p a c ec a b l ep l a n e ，i n c l i n e da r c hb r i d g et o w e r sa n dc o m p l e x s t r u c t u r e t h ep r o b l e mi sw h e t h e rt h es t r u c t u r ec a nf o r mas y s t e mo fm u t u a lc o l l a b o r a t i o n ， t h em a i n - c a b l eb ea ni d e a ll i n e a ra n dh o wt oc o n s t r u c tt h eb r i d g et ob ei d e a ll i n e a r t h e s t r u c t u r a lm o d e le x p e r i m e n t ，i sag o o dw a yt or e s o l v et h e s ei s s u e s s i n g l em a t e r i a ld o e sn o t a p p l yt ot h ec o m p l e xb r i d g em o d e le x p e r i m e n t ，m u l t i p h a s em a t e r i a lm o d e lh a sm o r em a t e r i a l p a r a m e t e r s ，c o m p l e xc o n v e r s i o nr e l a t i o n s h i pa n dm o r ew o k e h o wt o t e s t t h ec a b l e d e f o r m a t i o na n ds t r e s si sap r o b l e mf o rm o d e le x p e r i m e n t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t i n c l u d e s ： 1 c o n s i d e rs i n g l em a t e r i a ld o e sn o ta p p l yt ot h ec o m p l e xb r i d g em o d e le x p e r i m e n t ，b a s e o nt h es i m i l a r i t yt h e o r y , t h ep a p e ra n a l y z et h et h r e ec o r r e s p o n d e n c et h e o r e m s ，p r o p o s em o d e l e x p e r i m e n tt h e o r yo fm u l t i p h a s em a t e r i a l ，i n f e r r e dt h es t r e s s ，t h es t r a i n ，t h ea m o u n to f d e f l e c t i o ns i m i l a r i t yc r i t e r i o nb e t w e e nt h em o d e la n dt h ep r o t o t y p e ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f d i m e n s i o n si nt h ec o n c e n t r a t e dl o a d ，t h eu n i f o r n ll o a d ，m o m e n t 2 i nc o n s i d e r a t i o nm u l t i p h a s em a t e r i a lm o d e lh a sm o r em a t e r i a lp a r a m e t e r s ，c o m p l e x c o n v e r s i o nr e l a t i o n s h i pa n dm o r ew o k e ，m u l t i p h a s em a t e r i a lm o d e le l a s t i cm o d u l u sd i f f e r e n c e ， p r o p o s e d t h es t r u c t u r a ls t i f f n e s si n c l u d ee l a s t i c m o d u l u s ，h a s i n f e r r e dt h em o d e l c o u n t e r w e i g h tr e l a t i o n s h i p ，o b t a i n e dt h es u r v e yp h y s i c a lq u a n t i t yc o n v e r s i o nr e l a t i o n s h i p t a k et h el o n g - c h e n gb r i d g ea sap r o t o t y p e ，c a r r i e so nt h ep a t t e ml a y o u t ，c o n f i r mt h em o d e l s e c t i o n ，c o n s i d e rt h ep r o t o t y p eb o u n d a r yc o n d i t i o n ，m a c h i n i n gt h em o d e l p r o p o s et h em o d e l e x p e r i m e n tt e s tt e c h n o l o g yf o r t h ec a b l es t r u c t u r e 3 t h en o n l i n e a r i t i e so fs e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o nc a b l e - s t a y e d b r i d g ea r es t u d i e d ， c o n s t r u c t i o no fl o n gc h e n g b r i d g ei sa n a l y z e dw i t hn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i n t e r n a l f o r c ea n dd i s p l a c e m e n to ft h es t a yc a b l e ，m a i nc a b l e ，h a n g e rr o d ，s t i f f e n i n gg i r d e ra n dt h e t o w e ra r eg i v e ni ne a c hs t e po fc o n s t r u c t i o n t h r o u g ht h em o d e le x p e r i m e n t ，a n a l y z et h e b e h a v i o ro fs t r u c t u r eb a s e do nd i f f e r e n th a n g e rr o dc o n s t r u c t i o n a n a l y z ef i n i s h e db r i d g es t a t ea n dt h er e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o no fs e l f - a n c h o r e d s u s p e n s i o nc a b l e s t a y e db r i d g e ，t h e np r o p o s et h et e c h n o l o g yt h a ts u i t t os e l f - a n c h o r e d s u s p e n s i o nc a b l e - s t a y e db r i d g ew i t hs p a t i a lm a i nc a b l ea n di n c l i n eh a n g e rr o d 4 s t r u c t u r a lm o d e li ss m a l l ，t og e th i g h - p r e c i s i o nt e s t ，t h et e s ts e n s o ri sd e s i g n e df o rt h e c a b l es t r u c t u r et e s t c a b l et e s t i n gm e t h o d si sp r o v i d ef o rt h em o d e lt e s tc a b l et oi m p r o v et e s t a c c u r a c ya n de f f i c i e n c y d e t e r m i n et h ea p p r o p r i a t ec o n d i t i o n so f t h et e s t i n gm e t h o d s 5 r e s e a r c ht h el o n gc h e n gb r i d g ec o n s t r u c t i o ns t a g em o d e le x p e r i m e n t ，w i t ht h eb r i d g e c o n s t r u c t i o np r o c e s s s t u d i e ss e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o nc a b l e s t a y e db r i d g ec o n s t r u c t i o n m e c h a n i c sb e h a v i o ra n dt h es t r e s sp e r f o r m a n c e ，a n a l y z et h es p a t i a lm a i nc a b l ed i s p l a c e m e n t ， t op r o v i d e st h ee s s e n t i a lt e c h n i c a ls u p p o r tf o rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n 6 a st h eu r b a nm a i nr o a d ，r e s e a r c hu s i n gs t a g em o d e le x p e r i m e n t ，w i mt h el o n gc h e n g b r i d g eo nt h ep h a s eo ft h ef u l ll o a do ro f f s e tl o a d ，s t u d yt h es t r u c t u r eo p e r a t i o n ms a f e t y k e yw o r d s ：s e l f - a n c h o r e ds u s p e n s i o nc a b l e s t a y e db r i d g e ；m o d e lt e s t ；t e s tt e c h n o l o g y ； s t r e s sp e r f o r m a n c e ；m u l t i p h a s em a t e r i a lm o d e l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：- - 王之名节7 年莎月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 7 互之铎 石修 枷于年s 其一b 川年6 月日 长安大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 悬索斜拉组合体系桥梁的发展概况 众所周知，大跨径桥梁建设反映了一个国家的综合实力和科学技术的发展水平。近 百年来，特别是本世纪3 0 年代以来，世界上大跨径桥梁建设发展十分迅速。不同桥型 大跨径桥梁的发展，日益被各国桥梁界人士所关注。进入2 1 世纪的世界桥梁建设必将 迎来更大规模的建设高潮，仅就我国而言，2 1 世纪从黑龙江省同江县到海南省三亚市的 同三线沿海高等级公路干线，修建包含5 个特大型跨海和越江工程，自北向南依次为渤 海湾跨海工程、长江口越江工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程以及琼州海 峡跨海工程【i 训。世界其他国家也在构想宏伟的跨海工程，其中包括即将兴建的意大利 南端的墨西拿海峡桥，跨径将达到3 3 0 0 m 5 卅；洲际跨海工程如直布罗陀海峡【7 】；欧亚之 间博普曾斯海峡【8 】；及欧美洲之间的白令海峡等【9 1 。为建造直布罗陀海峡大桥，沟通欧 洲和非洲大陆，有关专家已构思采用混合型双悬臂悬索桥，跨径将达5 0 0 0 m 之斟1 0 d 2 1 ， 可以预见，2 1 世纪桥梁工程建设必将取得新的突破。实际上，对于2 0 0 - 1 5 0 0 米( 甚至更 大) 的跨径范围的桥梁，缆索承重桥都极具竞争力 1 3 - 1 4 。 混凝土悬索桥【l 孓7 】由于恒载较大，主缆的重力刚度大，所以可以增大悬索桥在活载 作用下的稳定性。但是随着跨度的增大，其自重也就加大，限制了混凝土悬索桥的跨越 能力。我国的主跨为4 5 2 m 汕头海湾大桥为目前世界上跨径最大的混凝土悬索桥。始于 1 8 1 6 年建成的第一座钢人行悬索桥，主跨跨径为1 2 5 m ，到1 9 世纪末，悬索桥的跨径已 经接近5 0 0 m ，于1 9 3 1 年建成的乔治华盛顿大桥跨径首次突破1 0 0 0 m ，主跨为1 0 6 7 m 。1 9 9 8 年建成的日本明石海峡大桥【1 8 t1 9 2 0 1 ，大桥主跨为1 9 9 1 m ，保持着悬索桥世界上最大跨径 的记录。但是随着悬索桥跨度的增大，跨中的挠度也越来越大，修建悬索桥的锚碇费用 投资越来越大，我国的润扬大桥南汊桥北锚碇开挖了世界罕见的特大深基坑，基坑尺寸 为长6 9 米、宽5 0 米、高5 0 米，开挖土方近1 7 万立方米，相当于1 7 层楼高的一座地 下大楼，混凝土用量达6 万方。尽管悬索桥是世界公认的特大跨径桥梁的主要形式，但 当单一跨径达到2 0 0 0 m 以上后，其施工难度将增加很大，而结构刚度小、全桥空气动力 稳定性差等自身缺陷，将表现得更加明显【2 1 之6 1 。 第二次世界大战以后，斜拉桥的复兴是桥梁工程一个辉煌的成功【5 】。这种桥型以其 多姿多态的造型、方便的施工和竞争力，使二次大战前常用的一些大跨度钢桥、如钢拱 第一章绪论 桥和钢桁架桥失去了原有的地位。现代斜拉桥5 a2 7 。3 9 1 在2 0 0 m 到8 0 0 m 跨度的大范围显 示出的优越性，使其成为大跨度桥梁的最主要桥型，也迫使悬索桥向更大跨度方向退让。 自从1 9 5 6 年世界第一座现代斜拉桥一一瑞典的主跨1 8 2 6 m 斯特罗姆桑特桥 ( s k a r n s u n d e tb r i d g e ) 2 9 1 建成通车以来，在短短的5 0 多年间，主跨跨径发展到我国建 成的苏通大桥1 0 8 8 m 。斜拉桥跨度过大时，加劲梁的压力会很大，加劲梁的屈曲稳定性 问题比较突出。加大加劲梁的截面，加劲梁的自重将增大，斜拉索的索力随之增加，降 低了斜拉索承受活载的效率4 0 1 。当跨度很大时，斜拉桥的桥塔高度很高，苏通大桥塔高 3 0 0 4 米，而高耸的塔桅结构稳定性和施工难度将是突出的问题【4 1 1 。另外，随斜拉桥跨 度的增大，如苏通大桥中最长斜拉索约5 8 0 m ，其斜拉索垂度效应将越来越明显。对于钢 斜拉桥，最大理论跨径可以达到1 8 0 0 以上。但斜拉桥跨径增到1 8 0 0 m 以上后，采用正 交异性板或叠合梁的加劲梁会越来越纤细，其纵向、横向整体稳定性，索塔、加劲梁局 部稳定性以及施工稳定性都将成为设计的主要控制因素m 】。斜拉桥结构稳定性和施工难 度制约了其向更大跨径的发展。 在桥梁向超大跨径发展的过程中，国内外专家和学者多次提到了悬索一斜拉组合体 系h 3 。5 8 3 。这种桥型能够充分发挥斜拉桥和悬索桥体系各自的优势，取长补短，提高了大 跨度桥梁的自身的刚度和桥梁结构的整体稳定性，从而提高了该桥型跨越能力，增加了 桥梁在施工和运营阶段的安全性，降低了索塔的高度，减小了锚碇的体积，具有较好的 结构性能和经济效益。在国内外不少的桥梁工程专家和学者的努力下，悬索一斜拉组合 体系的计算模式和结构分析理论得到不断完善，从而提出不少优秀的设计方案，如伊兹 米特桥设计方案、大贝尔特桥设计方案、墨西拿海峡大桥方案、润扬大桥方案、伶仃洋 东航道桥方案等h 3 删。尽管在国内外悬索一斜拉组合体系方案多次被提出，但均没有能够 付诸实施。因此，悬索一斜拉组合体系在过去几十年的时间内没有得到更进一步的发展。 1 1 1 国外发展概况 悬索一斜拉组合体系梁诞生于1 8 世纪初，当时跨径仅l o o m 左右，未被世人注意。 9 0 年代初，法国t a n c a r v i l l e 悬索桥加固时也采用了这一体系。后来，经过美国籍德国桥 梁设计师约翰a 罗勃林( j o h n a r o e b l i n g ) 的进一步研究和改进，形成一种新的桥 梁结构体系，即罗勃林体系。 ( 1 ) 罗勃林体系 于1 8 5 5 年建成的尼亚加拉桥是首座采用罗勃林体系的桥梁。该桥为跨径2 5 0 m 的公、 2 * 安 学博士学位论文 铁两用桥，设计采用抗风刚度大的加劲桁架梁和斜拉索来弥补单纯悬索的不足，总的荷 载由悬索和全面辐射形的斜拉索共同分担，斜拉索的采用既提供了通行高速度火车所需 的刚度和结构的抗风能力。又帮助了桥梁的施工。由于尼亚加拉桥采用木质桁架导致相 对寿命短，在服役了4 2 年之后于1 8 9 7 年更换。 圈1 1 尼亚加拉瀑布下游的罗勃林式轿( 1 8 5 5 ) 跨越俄亥俄( o h i o ) 河的辛辛那提一康芬顿( c i n c i r m a t t i c o v i n g t o n ) 桥于1 8 6 6 年建成， 以3 2 2 m 突破跨径记录。此桥是罗勃林在世时，所设计建成的最大桥梁，其结构型式也 属于罗勃林体系。 根据罗勃林在几座悬索一斜拉组合体系桥梁的设计和施工中的经验和通过对1 8 5 4 年 威林( w h e e l i n g ) 桥夸塌事故的研究，罗勃林体系得到进一步的发展。在对最典型的罗勃 林体系桥梁布鲁克林( b r k l y n ) 桥1 5 的设计中，罗勃林说到：“我的结构体系完全不 同于从前的实践，我以一种特殊观点曾设计过东河桥( 布鲁克林桥的原有称呼) 使其完 全满足强风的破坏力。同样理由，在我计算必需的支承强度时，已分配一大部分内力给 斜拉索以替代缆索的作用。”布鲁克林桥于1 8 6 9 年，在纽约曼哈顿岛和长岛之问修建， 跨径为2 8 6 + 4 8 6 + 2 8 6 m = 1 0 5 8 m 。这座桥的成就不仅在于刷新了当时的跨度记录而且 在构造上采用钢桁架加劲梁和斜拉索，有效抵御了风暴和周期性荷载振荡。该桥曾被誉 为“世界第八奇景”，为悬索桥在美国的发展奠定了基础。 图l _ 2 布鲁克林( b r o o k l y n ) 桥( 1 8 6 9 - 1 8 8 3 ) 布鲁克林桥所采用的体系是高次超静定体系，每根斜拉索都可能是赘余杆件。由于 当时各种条件限制无法计算这些杆件的精确内力，结构分析极度困难，因而罗勃林时 第一章绪论 代之后，后继的设计者们都集中精力研究单纯悬索桥的弹性力学解析方法，使悬索桥理 论、应用得到了很大的发展，而悬索一斜拉组合体系一时被搁置了起来5 6 , 5 7 6 0 】。 在罗勃林去世后，罗勃林体系也在世界上其它国家陆续被提出和应用。 1 9 6 6 年竣工的葡萄牙里斯本的塔古斯河( t a g u sr i v e r ) 大桥( 又名4 月2 5 日桥) ， 为主跨1 0 1 4 m 的公、铁两用大桥，后期加固后的塔古斯河大桥属于罗勃林体系【6 1 1 。 1 9 7 8 年，对大贝尔特( g r e a tb e l t ) 桥曾提出跨径4 0 0 + 1 5 0 0 + 4 0 0 m 的罗勃林体系设 计方案，如图1 3 所示。此方案在施工时能充分利用悬索桥的优势，建成后则能发挥斜 拉桥刚度大的优点。 绷嘛mn 蒯淞 l 一 垒q q l ! 曼q q i 一 垒q q - i 图1 3 大贝尔特桥一罗勃林体系方案( 1 9 7 8 ) ( 2 ) 狄辛格( d i c h i n g e r ) 体系 1 9 3 8 年，德国著名桥梁设计师狄辛格在设计汉堡附近跨越易北河的一座主跨7 5 3 r n 的铁路悬索桥时再次使用斜拉索来减少常规悬索桥在铁路重载下的挠度。其结构型式如 图1 4 所示，远离桥塔、长度较长、与主梁夹角较小的斜拉索由竖直吊杆所取代，斜拉 索和悬索各司其责，这是真正意义上的悬索斜拉组合体系，后来被称为狄辛格体系。 该体系在索塔左右对称布置斜拉索，跨中布置吊杆，并且采用稀索形式，使主梁受力过 于集中。这种体系与罗勃林体系的本质区别在于：斜拉索的用途不同，狄辛格体系中的斜 拉索是独立受力的主要构件，而不再是辅助构件【6 2 1 。 锄蕊沛mmm 形勿除 7，71 7 5 3 77 图1 4 汉堡易北河桥方案狄辛格体系( 1 9 3 8 ) 二战后，狄辛格又为科隆与梅尔海姆之间跨越莱茵河的一座主跨3 1 5 m 的大桥提出 了这个方案，并于1 9 4 9 年发表一篇具有开拓性的论文论述采用斜拉索的悬索桥梁设计 方法。狄辛格提出，悬索桥与斜拉索有效结合以达到提高稳定性和刚度的目的，其先决 4 长安大学博士学位论文 条件是对斜拉索施加相当程度的初张力。狄辛格的研究建立了斜拉索设计的基本原则： 只有很小垂弛度的斜拉索才能有足够的刚度保持主梁挠度在较低限度之内。只是由于这 一体系在结构性能和外观上均有明显的不连续性，因此，并未被实际的桥梁建筑所采纳。 不久后，狄辛格设计的跨径1 8 3 m 的双塔斜拉桥被瑞典的一座桥梁的设计选中，建 成了世界上第一座现代化斜拉桥，致使现代化斜拉桥的优越性越来越被人们所认识，在 全世界得到普遍推广，而悬索一斜拉组合体系又一次被搁置了起来嘞舯删。由于稀索体系 斜拉桥有很多不足之处，现代斜拉桥采用了密索体系泓埔1 。现在悬索一斜拉组合体系时 也倾向于把狄辛格体系中采用密索斜拉体系形式，使结构有较好的连续性。密索斜拉体 系是在狄辛格体系上发展、完善的，故称之为“修正的狄辛格体系”。如1 9 9 7 年由f l i n t & n e i l lp a r t n e rs h i p 公司提出的印尼爪哇一巴厘桥方案就为此体系，如图1 8 所示。 狄辛格体系在其它国家的桥梁设计方案中，也曾被多次提出。 1 9 6 8 年，在当时刚建成不久的葡萄牙塔古斯河桥的启发下，对大贝尔特桥提出 了狄辛格体系的悬索一斜拉组合体系桥的方案，如图1 5 所示。 蕊沛m mi 形勿 1 3 5 0 ， 7 8 0 0 7 3 5 0 图1 5 大贝尔特桥一狄辛格体系方案( 1 9 6 8 ) 土耳其即将在马尔马拉( m a r m a r a ) 海东部修建的伊兹米特( c i z m i t ) 海湾桥，上世纪 九十年代初进行初步设计方案招标中，德国公司提出两个悬索一斜拉组合体系桥方案： 形锄峄心1m ml 形锄蕊滁腻 7 5 0 0 f? 1 3 0 0 n 17 5 0 0j n _ 73 2 0 一 图1 6 伊兹米特( c i z m i t ) 桥方案一 方案一：主跨1 3 0 0 m ，为一悬索一斜拉组合体系桥，边跨两端也有一段是悬索体系， 且一端还另连一座1 2 0 m + 3 2 0 m 的斜拉桥，主梁为钢箱梁。如图1 6 所示。 方案二：主跨2 0 0 0 m ，为一悬索一斜拉组合体系桥，中部悬索部分主梁为钢梁，两 第一章绪论 边斜拉部分用混凝土主梁，各自发挥其有利长处，如图l7 所示 一一垫鳖l 、丌一癔 图1 7 伊兹米特( c i m i 0 桥一方案二 以上两个方案基本都属于狄辛格体系，伊兹米特桥最终选择跨径为 6 0 0 m + 2 0 0 0 m + 6 0 0 m 的方案二，只是暂时还未开始修建m 6 5 ，6 “。 1 9 9 7 年，对印尼爪哇( j a v a ) 巴厘( b a l i ) 桥，英国的f l i n t & n e i l lp a r t n e r s h i p 公司提 出了主跨2 3 0 0 m 的狄辛格体系悬索斜拉组合体系桥的方案( 图18 ) 。该桥桥塔的形状 具有创新性，分离的箱粱中间设有通分孔【5 6 , 6 6 1 。 图1 8 印尼爪哇( j a v a ) 巴厘( b a l i ) 桥( 1 9 9 7 ) ( 3 ) 倒置斜拉索协作体系 1 9 5 0 年，德国的斯坦因曼( d bs t e i n m a n n ) 提出了一种较为新颖独特的倒置斜拉索的 悬索一斜拉组合体系方案，如图19 所示。 j ：4 区i 砼睑丑租巨途。! 图1 9 意大利墨西拿海峡大桥方案 此方案采用了悬索体系主缆向下集中锚固到塔根处的斜拉索布置形式，与罗布林体 系恰好相反，这种斜拉素增加了主缆的拉力，同时也提高了桥梁的整体刚度，只是这种 形式的协作体系桥从未进入实施阶段1 6 2 1 。 【4 ) 双悬臂协作体系 长安大学博士学位论文 对于西班牙与摩洛哥之间的直布罗陀( g i b a l a 协订海峡大桥，1 9 9 1 年国际著名桥梁专 家美籍华裔林同炎教授提出了带有斜撑的多跨5 0 0 0 m 双悬臂悬索一斜拉组合体系方案， 如图11 0 。其特点是用双悬臂来支承距桥墩1 0 0 0 m 范围内的桥面，以降低主缆的荷载， 并起着3 0 0 0 m 中跨的支承点的作用。分析表明，无论是从静力学上或动力学上，5 0 0 0 m 跨径均可降到相当于一般的3 0 0 0 m 的悬跨6 ”。 o q ( 虬一j ! m l j 女l j ：二塑婆二二二= 一一：二= = 堡垂匿鎏： 图1 1 0 直布罗陀海峡大桥一林同毙方案( 1 9 9 1 ) ( 5 ) 带面外斜拉索塔协作体系 以上提到的罗勃林体系、狄辛格体系、斯坦因曼的倒置斜拉索协作体系和林同炎教 授的双悬臂协作体系，这几种体系都是平面的悬索斜拉组合体系。而瑞士c h r i s t i a n m e n n 教授提出的一种适用于超大跨径桥梁或宽跨比很小的桥梁的新结构体系，则属于 空间的悬索一斜拉组台体系，如图1 1 1 所示。此结构体系中，传统框架式主塔由带面外 斜拉索塔的倒y 型塔柱代替，桥梁的稳定通过设于加劲梁两侧的倾斜的斜拉索体系来保 证。中央塔柱通过斜拉索支撑面外斜拉索塔，面外斜拉索塔再通过斜拉索支撑加劲梁。 中央塔柱、面外斜拉索塔和加劲梁三者通过斜拉索相连，组成了一个稳定的空间体系。 掣矗趣圈塑些兰兰兰二 ，黝 y 缓彩? 睡 lt f 、， 蟋蓬鎏爹溜罗 图1 1 1 空间斜拉索面悬素斜拉组合体系 在近塔处，斜拉索体系也承担竖向荷载；在跨中区段，间距更大的斜拉索主要为加劲梁 提供侧向支撑。如果需要限制加劲梁内的压力，也可以将部分缆索地锚，形成部分地锚 斜拉体系叫删。空间斜拉索面悬索斜拉组合体系塔的构造，在横桥向的形态与上述双 悬臂协作体系塔在顺桥向的形态极为相似。目前悬索一斜拉组舍体系只有美国芝加哥市 第一章绪论 芝加哥河上北大街桥【6 9 7 0 1 重建中应用。 1 1 2 国内发展概况 我国近年来交通建设迅猛发展，江河海域上大跨径斜拉桥和悬索桥不断涌现，桥梁 工作者们对悬索一斜拉组合体系开展了研究，并得到了一定的引用。 ( 1 ) 广东汕头海湾大桥 1 9 9 1 年，湖南省公路局和交通设计院曾对广东省的汕头海湾大桥提出主跨6 2 0 m 的 悬索一斜拉组合体系方案，如图1 1 2 所示，与上述伊兹米特桥方案一类似，基本属 于狄辛格体系，其特点是索塔塔身和主梁皆采用薄壁高强的钢纤维，钢丝网，钢筋混凝 土材料以适应软土地质的需要【1 0 5 刀。此方案未被采用。 ji 行汤除mi 彩淞i j v - 4 0 0 了42018 0 刀 718 0 2 6 018 0 7 7 180420 - j 图1 1 2 广东汕头大桥方案( 1 9 9 1 ) ( 2 ) 台湾高屏溪桥 1 9 9 3 年对台湾高屏溪桥研究方案时曾提出主跨9 2 0 m 的悬索一斜拉组合体系方案， 如图1 1 3 所示，属狄辛格体系。此方案未被采用，实际实施为3 3 0 m + 1 8 0 m 的独塔斜拉 桥1 们。 锄j狲mml 翻夕滁 71 2 7 1 3 0 7 7 9 2 0 4 1 3 0 刀1 2 0 4 图1 1 3 台湾高屏溪桥方案 ( 3 ) 贵州省乌江桥 1 9 9 3 年，贵州省交通厅在重庆交通学院的协作下提出在南盘江上修建主跨2 4 0 m 全 长4 2 0 m 的狄辛格体系悬索一斜拉组合体系桥，因“国内外都没有先例”而未被采用。1 9 9 4 年，在主跨2 8 8 m 的乌江大桥设计中设计者们又坚持了这个方案，并于1 9 9 5 年4 月正式 开工，1 9 9 7 年1 0 月竣工( 图1 1 4 ) 。详细情况见文献 7 1 。 8 长安大学博士学位论文 t 皿立塑旦_ 生盟2 图1 1 4 贵州省乌江桥( 1 9 9 4 ) 乌江大桥在设计施工过程中采用了一系列新材料、新技术、新工艺，其顺利建成实 现了我国悬索一斜拉组合体系桥零的突破这也是世界上第一座现代化的悬索一斜拉组合 体系桥梁。该桥经过竣工后的详细测试和两年的行车考验，于1 9 9 9 年7 月通过交通部 鉴定，并获得了很高的评价。 i 4 ) 4 广东伶仃洋东航道桥 1 9 9 7 年，连接广东珠海与香港的伶仃洋大桥工程进行了设计方案竞赛，同济大学对 主跨1 4 0 0 m 的伶仃洋东航道桥提出了如图11 5 所示的钢预应力组合粱悬索一斜拉组合体 系的参赛方案唧州+ 2 1 。 一j!l一 图1 1 s 广东伶仃洋大桥一同济大学方案 此方案基本属于驮辛格体系，不仅在受力上具有协作体系受力合理、沿梁长荷载弯 矩分布均匀、温变内力响应小、结构抗扭刚度太的特点，而且在抗风稳定和造价上比悬 索桥更具优势。 ( 5 j 自锚式悬索斜拉组合体系 大连庄河建设大桥 2 0 0 5 年，在大连市庄河建设大桥设计中，大连理工大学桥梁研究所提出了白锚式悬 索一斜拉组合体系，与以往采用地锚来抵消悬索桥主缆拉力的做法不同，主缆两端分别 锚固在加劲梁端锚块上，如图1 1 6 所示1 1 2 1 。自锚式悬索斜拉组合体系旧7 5 j 是一种新 型的缆索承重桥梁。缆索是结构体系中的主要承重构件，不仅可以通过自身弹性变形来 影响体系平衡，而且可以通过其几何形状的改变来影响体系平衡，承受拉力作用。缆索 第一章绪论 是几何可变体，表现出大位移非线性。缆索在恒载作用下具有很大的初始张力，提供强 大的重力刚度，这是缆索承重桥跨径不断增大、加劲梁高跨比得以减小的根本原因。自 锚式悬索斜拉组合体系加劲梁、主塔还承受主缆和斜拉索传来的巨大的轴向压力，在 恒载作用下，以轴向受压为主；在活载作用下，以压弯为主。在结构分析时要计入压弯 藕合效应影响。庄河建设大桥全长2 6 0 m ，其中主桥为自锚式混凝土协作体系，跨径为 4 】6 + 1 0 0 + 4 1 6 = 1 8 3 2 m 。 易彩慧沁腧m 仰仉荔念沁 _ 771n 4 1 61 0 0 4 1 6 图1 1 6 大连庄河建设大桥方案 大连湾跨海大桥方案【1 2 】 大连湾跨海大桥推荐方案为2 6 3 + 8 0 0 + 2 6 3 m 钢混凝土自锚式悬索斜拉组合体系组 合结构桥。主梁为扁平流线型箱梁，分为钢梁和预应力混凝土梁两种。边跨设置一辅助 墩，主塔采用h 型双柱索塔、塔上索距为2 o 2 5 m ，全桥采用漂浮体系。主缆由平行钢 丝索股组成，扇形索面，设有零号索，梁上索距为7 m 。如图1 1 7 所示。 彩陵一一心 l 上乃n7j l 一 2 6 3 一 8 0 0 一 2 6 3 一l 图1 1 7 大连湾跨海大桥方案 大连金州海湾大桥方案 大连理工大学桥梁研究所在大连的金州海湾大桥设计中，提出自锚式悬索斜拉组 合体系方案。其主跨4 0 0 m ，跨中悬索段长1 5 2 m ，矢跨比1 6 7 ，桥宽2 7 m 。悬索段采 用钢箱梁，斜拉段采用混凝土箱梁。 ( 6 ) 鄂东长江大桥 鄂东长江公路大桥方案之一为自锚式悬索斜拉组合体系。悬索段采用钢箱梁，斜 拉段采用混凝土箱梁，如图1 1 8 所示。 l o 长安大学博士学位论文 j 垂塑匿王一互磁醚 用1 营、- - - 一一堪一f n 圈1 1 8 鄂东长江大桥方案 ( 7 ) 江苏常州龙城大桥 龙城大桥是江苏省常州市清凉路跨运河大桥，该桥于2 0 0 3 年底确定采用同济大学 设计的巨龙造型( 图11 9 ) 。龙城大桥主桥跨径为7 2 + 1 1 4 + 3 0 m ，主桥采取自锚式悬索一 斜拉组合体系，塔向边跨倾斜，宽度与厚度沿高度方向变化，并且采用横桥向倾斜的主 缆以及顺、横桥向倾斜的吊杆，主梁采用混合箱形结构【7 67 ”。 圈1 1 9 江苏常州龙城大桥效果图 龙城太桥所采用的结构型式并不同于以往的悬索一斜拉组台体系，斜拉结构与悬索 结构分隔布置于桥塔两侧，该桥目前已经建成通车。 由前述可知，斜拉和悬索两种结构相互协作，形成了一种新桥型悬索一斜拉组合 体系。由于这种桥型在外型及内力上存在间断性i t s ，各拉索和吊杆受力不明确，施工 过程中斜拉部分和悬索部分线形的控制和协调困难【恻，使得其在实际应用中并不多见。 12 桥梁结构模型试验研究 桥粱结构模型试验研究是确定或探索复杂桥跨结构受力状态的重要手段之一。早在 1 7 5 5 年德国工程师格莱伯曼为了在莱茵河上修造木桥，就首次使用模型试验验证了设计 第一章绪论 的可靠性。此后，在1 8 2 9 年法国科学家柯西用模型试验研究了梁和板的振动问题，1 8 4 6 年英国罗伯特斯坦福森等为修建不列颠桥设计进行了1 ：6 的桥梁结构模型试验，之 后他又对一座管形结构铁路桥作了模型试验。 二次世界大战结束后，结构模型试验得 到推广和发展，美、英、法、西德和日本等先后建立了大型结构试验室，为模型材料的 研制、试验技术的发展、试验设备的更新作了很大贡献【8 0 】。上世纪5 0 年代后期，原苏 联、东欧一些国家相继开展结构模型试验。随着大跨度桥梁的发展，桥梁结构模型试验 成为研究桥梁结构问题必不可少的手段，如1 9 9 3 年，瑞士w a l t h e r 教授及其同事在瑞士 洛桑联邦工学院，为修建在莱茵河上的s c h a f f h a u s e n 曲线斜拉桥【8 1 】进行了1 ：2 0 比例尺 的模型试验，研究该桥的动力行为及受力性能。 我国从5 0 、6 0 年代起，逐渐开始了桥梁结构的模型试验研究。在7 0 年代初期，对 大桥局桥科院我国首座最大跨度的简支钢桁架梁桥进行了模型试验研究。随着桥梁建设 的蓬勃发展，各类新型结构形式桥梁不断涌现，采用模型试验来解决桥梁工程领域科研 和设计中出现的新问题成为不可缺少的手段。通过对桥梁结构模型的试验，可以得到与 原型相似的工作情况，从而对原型的工作性能进行了解和研究。表1 1 为桥梁整体模型 试验情况统计。 表1 1 桥梁整体模型试验研究 完成 序号项目名称 内容 时间 1 三堆子金沙江大桥铁路单线简支钢桁架梁桥的横向刚度和宽跨比问题 1 9 7 5 2 肇庆西江二桥公铁两用钢桁架梁桥正交异性板桥面受力行为试验 1 9 8 5 用有机玻璃模型研究了多跨连续梁因支座不均匀沉 3 铁路钱塘江二桥 1 9 8 8 降和列车荷载偏载所引起的约束扭转效应 4 九江长江大桥 三大拱结构侧倾稳定性 1 9 9 0 分别进行了l ：4 和l ：8 的预应力混凝土和有机玻璃 5 深圳火车站