悬索桥及构造组成.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除(1) 悬索桥的构造组成: 悬索桥是由主缆、加劲梁、桥塔、鞍座、锚固构造、吊索等构件构成的柔性悬吊组合体系。成桥后，主要由主缆和桥塔承受结构的自重，结构共同承受外荷载作用，受力按刚度分配。(2)主缆：主缆是悬索桥的主要承重构件，除承受自身恒载外，缆索本身通过索夹和吊索承受活载和加劲梁(包括桥面系)的荷载。除此以外主缆还承担一部分横向风荷载，并将它传递到桥塔顶部。主缆不仅可以通过自身弹性变形，而且可以通过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，这是悬索桥区别于其他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。主索鞍：主索鞍在桥塔上，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地传递到塔顶。(2)悬索桥的结构特点主缆是几何可变体，只承受拉力作用。主缆通过自身的弹性变形和几何形状的改变来影响体系的平衡。所以悬索桥的平衡应建立在变形后的状态上。主缆在初始恒载作用下，具有较大的初拉力，使主缆保持着一定的几何形状。当外荷载作用时，缆索发生几何形状的改变。初拉力对在外荷载作用下产生的位移存在着抗力，它和位移有关，反映出缆索几何非线性的特性。改变主缆的垂跨比将影响结构的受力和刚度。垂跨比增大，则主缆的拉力减小，刚度减小，恒、活载作用产生的挠度增大。悬索桥的跨度越大，加劲梁所受竖向活载的影响越小，竖向活载引起的变形也越小。增大加劲梁的抗弯刚度对减小悬索桥竖向变形的作用不大，这是因为竖向变形是悬索桥整体变形的结果。加劲梁的挠度受到主缆变形的影响，跨度增大时加劲梁在承受竖向荷载方面的功能逐渐减小到只能将活荷载传递给主缆，其自身刚度的贡献较小。这一点和其他桥型中主要构件截面面积总是随着跨径的增大而显著增大不同。边跨的不同形式对悬索桥有很大的影响，通常悬索桥边跨与中跨跨径比对悬索桥的挠度和内力有影响，当边跨与中跨跨径比减小时，其中跨的跨中和L4处的挠度和弯矩值减小，而主缆拉力有所增加。缆索腐蚀一般发生在钢绞线裸露的并且存在交变应力的部位，主要存在以下几种腐蚀类型。(1)应力腐蚀。应力腐蚀存在3个必要的条件：1)存在产生腐蚀倾向的材料处于应力状态；2)存在产生腐蚀倾向的材料处于电解质环境里；3)电解质里有处于应力状态下的材料敏感的元素或物质。材料同时具有上述3种条件就会发生应力腐蚀。比如处于高应力状态下的钢丝在水环境或含氯离子的环境中极易发生应力腐蚀。应力水平的高低与应力腐蚀产生的强度存在一定的比例关系。(2)微动磨耗腐蚀。在桥梁缆索的锚固区，由于车辆运行产生振动，使得钢丝之间发生微小的振动和往复的摩擦。在高应力状态下，紧邻的钢丝之间发生电子移动而导致钢丝磨损，钢丝表面出现麻点或沟纹。麻点或沟纹进一步增加了钢丝之间的摩擦力，使钢丝磨耗腐蚀的程度更加严重。(3)腐蚀疲劳。桥梁缆索在交变应力作用下的腐蚀疲劳和应力腐蚀不同，腐蚀疲劳不需要金属一环境的特殊组合。交变应力条件下，材料发生疲劳腐蚀具有普遍性。桥梁缆索钢丝由于任何一种腐蚀的原因使其表面产生坑蚀或产生裂纹，在交变应力的作用下，坑蚀部位则极易产生应力集中，从而产生滑移而诱发裂纹，裂纹的内部新表面进一步发生腐蚀。随着裂纹的不断扩展，钢丝的抗疲劳性明显降低有悬索桥主缆现状由于现代悬索桥在中国历史较短，中国还尚未开展类似的调查工作。日本从1988年起对多座悬索桥的主缆内部防护效果进行了调查，结果显示并不理想，普遍存在以下问题：1)主缆内部有积水；2)防锈腻子已变硬、退化；3)整个主缆表面出现腐蚀，并在深层出现红锈；4)高性能的防锈腻子仅对与之接触的外层钢丝表面起到保护作用，对其余部分不起作用；5)主缆内部相对湿度较高，在索夹截面处与外界湿度相差无几，其余截面几乎不受外界影响。斯公路大桥( Forth Road Bridge , 福斯桥) 是1座大跨径悬索桥 ,1964 年 9 月建成通车。大桥在英国爱丁堡以西约 15 km 处横跨福斯湾 ,是苏格兰主要道路网的重要连接线。桥上设双向 4 车道 , 无硬路肩或硬路缘带, 两侧各设 1 条分离式人行道/自行车道( 见图 1) 。桥上车辆通行量由该桥投入运营第1 年的400 万辆到 2007 年增加到超过2 400 万辆。2001 年大桥被认定为苏格兰重要历史建筑, 被列为A 类建筑 。主缆除湿系统在与欧洲、日本和美国的桥梁经营者讨论后, 决定福斯桥安装主缆除湿系统。首先使用一层气密的氯丁橡胶带密封主缆, 再从主缆不同位置向主缆内注入干燥空气( 见图 9) 。除湿系统是一种防止镀锌钢材腐蚀的经过试验证明的有效系统 。虽然已经在其它桥梁的钢箱梁及在福斯桥的锚室中应用, 但应用到悬索桥的主缆上还是比较新的。这种主缆防护系统已安装在日本 、瑞典和丹麦的几座新建桥梁上方案A:上方更换主缆3.1更换主缆和吊索新主缆架设方法考虑采用2个方案，即空中编缆法(AS法)和预制平行索股法(PPWS法)。从技术上看，2种方法都是可行的。PPWS法将作为优先方案，因为这一方法在架设新主缆方面是更可控制的方法。主缆索股在工地以外的工厂环境里制作，运到工地后牵引过江。虽然牵引预制索股要比空中编缆的单根钢丝重，但牵引索股需要的猫道小，需要的设备空间比空中编缆也小。新主缆由91股预制平行索股组成，每股索股由127根单独的钢丝制成。目前设想的是在整个悬索桥长度范围，新主缆的高度位置将比原主缆的高5.8m，这使得新主缆和原主缆间有足够的竖向间距，在完成荷载转移后，仍有足够的空间拆除原主缆。由于新主缆高程的增高，新吊索比原吊索长，由此会增加桥面结构在风载、制动荷载及牵引荷载作用下的横向和纵向位移，桥上需要设置伸缩缝来调节。在原主缆卸载，直到拆除前，要求吊索仍起横向约束作用2锚碇方案新主缆的锚固有2个方案，即为新主缆修建新锚碇或重复利用原锚碇。重复利用原锚碇取决于原锚碇的承载能力评估及原锚碇现在和将来在承受预期的永久和临时荷载时是否具有整体性。尽管从技术上讲是可行的，但将新主缆锚固到原锚碇上仍是一项具有挑战性的方案，需要在有限的环境里，如在高应力钢丝组成的原主缆周围施工，且需要对这一方案进行全面调研。为新主缆修建新锚碇的方案是最有可能被采纳的方案。新锚碇方案(包括隧道锚、重力锚及地垅式锚)的特点可归纳如下:(a)隧道锚的大小和形状与原锚碇相同。为了确保新建嵌岩隧道锚不影响原锚碇的整体性和引桥桥墩的基础，需要仔细确定新锚碇的位置。(b)重力锚仅仅依靠其自身质量承受主缆的竖向荷载和水平力。因此，重力锚锚碇体积较大，对海滩会造成视觉影响。重力锚的优势是它不依靠埋深来受力，与其它方案比较，其挖掘量也比较小(c)地垅式锚需要在岩石中深入挖掘。从地质勘探的角度来看，这个方案是最好的方案，也是可使整个锚碇得到长期监测的一种合格的结构方案，从而可避免出现与原锚碇相关的某些技术问题。建成后，大部分结构质量均埋在地面以下，比仅仅依靠自重质量承受主缆拉力的锚碇的视觉影响小任何锚碇的位置都会对需要由锚碇抵抗的荷载造成影响。主缆中荷载的水平分量沿主缆长度是不变的。相对于水平方向的角度，主缆背缆中将出现荷载变化。由于这一缘故，主缆从过渡塔上下降的坡度越陡，产生的上拔力就越大。如果允许过渡塔索鞍转动，等分主缆角度，过渡塔索鞍两侧主缆的拉力将相等。原过渡塔摆轴索鞍在桥梁恒载作用下，布置为竖向，将索鞍布置为竖向的结果是由索鞍处产生、并施加到过渡塔的荷载水平分量为最小。因此，为了避免增大过渡塔上的水平载荷，决定象原有索鞍一样，将新的摆轴索鞍设置为恒载作用下的竖向考虑到过渡塔的承载能力和地面的利用，新锚碇的较好位置是将其锚室的中心线定位在原锚碇的同一中心线上，并设在原锚碇之后。这个位置有利于施工，也是因为在荷载转移到新锚碇前，需要保持原主缆不动。如将新锚碇布置在比原锚碇更靠近过渡塔的位置，需要将新主缆在原主缆周围散开，将给工程增加不必要的复杂性及费用。3.3过渡塔处人行道改造新主缆比原主缆高5.8m，要从过渡塔上向下散开到锚碇。为了让新主缆从桥面穿过，需要加长人行道上的开口，加长长度视锚碇的最终位置而定；需要改造引桥上的原有人行道，用新的、更长的悬臂段来更换原来支撑人行道的悬臂板梁。新桥面可以是混凝土结构也可以是钢结构，钢桥面比较可取，因为它比较轻，可以抵销由于悬臂段尺寸增大而增加的部分荷载悬臂长度的增加会使引桥箱梁产生较高的局部应力，需要对箱梁进行局部加固。总的来说，引桥荷载应该没有大的改变，除了人行道加宽的桥跨外，没有预期需要对引桥实施更大的工程。原人行道的承载能力不足，不适合用作人行道改造工程的通道。因此要采取从地面搭设临时支架和关闭交通两项措施。3.4过渡塔过渡塔设有原有的摆轴索鞍，通过该索鞍，主缆向下倾斜锚固到锚碇。过渡塔中产生的荷载部分由主缆通过索鞍、向下倾斜的角度决定。主缆平坦的线形将减少塔的竖向荷载，要求这种荷载可抵抗加载到过渡塔上的水平荷载。距过渡塔200m的新锚碇将使主缆背缆与水平面间形成一定角度，南侧约9、北边侧12(角度差的原因是两处的地形不同)。就这两种角度而言，主缆向下产生的过渡塔竖向力，每根塔柱将减少约3000t。如果重复利用原锚碇，由于过渡塔上新设置的摆轴索鞍的高度，主缆背缆的角度会增大，并由此引起加载到过渡塔的索鞍产生的竖向荷载的增大。主缆线形的两个极端点保持了过渡塔的稳定性，因此没有考虑加固过渡塔稳定性的工程。3.5主塔将新主缆支撑在主塔上面临的主要挑战是如何将荷载转移到高应力的原结构上。桥梁的主塔依靠来自主缆的竖向荷载抵抗活载和风载作用下桥塔变位引起的弯曲。为了保持这一荷载路径，有必要将原主塔接高到需要的高度。原主塔的通道和空间是有限的。主塔过去已经加固过，在塔的中心箱室增加了1根新塔柱，塔和塔柱之间的顶部连接完全占据了塔内实施工程的所有的适用空间。为了连接原主塔和支撑新索鞍的扩展结构，考虑了多种方案可取的方案是通过在原塔塔顶采用加固和增设钢结构相结合的方法，将新的钢结构支撑在原索鞍处。这项工程需要对原索鞍进行实质性改变，以方便塔顶连接施工，并拆除原索鞍的夹持固定装置。索鞍的固定装置是过去加固主塔时安装的，用于保证原索鞍的安全。需要拆除封闭原索鞍箱室的外盖板，以便能接近肋板。在拆除前，索鞍箱室内肋板的支撑板需要加固及增设。目前，原主缆是由9块横向和2块纵向肋板支承的，索鞍铸造件的外壁由索鞍的固定装置加固。加固的原因是横向肋板由于主缆荷载产生的潜在迸发力可能出现超应力。索鞍箱室的9块横向肋板中，有6块直接定位在构成主塔索鞍箱室的竖板之上。其它3块不直接支撑(图6)。对原索鞍箱室的分析表明，一旦拆除现有的外盖板，这3块肋板就可能出现超应力。因此，在切除原有的外盖板前，需要对它们进行支撑加固的形式是在原索鞍底座板下面增加支承板。这些支承板安装到位后，原索鞍箱室的外盖板就可拆除，可进入其内部安装新的肋板。新肋板有两项功能，首先是将原塔接高到新索鞍箱室底部，其次是临时支撑原索鞍铸造件外璧，以便拆除原索鞍的固定装置，从而改善在原索鞍上施工的新索鞍箱室的进入通道。随着新肋板安装到位，每根塔柱上的10个原索鞍的固定装置就可以拆除，并可安装新索鞍箱室。索鞍箱室由铸钢材料组成，支承在高强钢肋板格栅上，格栅可将荷载分布到原主塔的接高部分上。在原索鞍箱室直接连接新索鞍有较多优点，即将新主缆的荷载，以与原布置类似的方式施加到原主塔顶部，从而将在原主塔顶的内部加固和改造的工作量减到最少，保持了通过塔柱的原荷载路径(图7)。方案B:上方增设主缆在原主缆同一轴线的上方增设主缆，与在原主缆的上方更换主缆的工程量实际上相同(图8)。该案的主要区别是不必将全部荷载都转移到新主缆上新主缆尺寸比完全更换主缆的小。然而，这需要对预估的原主缆长期承载能力有较高的信心，因原主缆将仍用作桥梁的主要承重构件。如果没有这种信心，则最合适的方案是用新主缆来替换原主缆，这样就需要最终拆除原主缆方案C:外侧增设主缆外侧增设主缆为在原主缆的外侧架设1根新主缆，并将一定比例的原主缆荷载转移到新主缆上新主缆尺寸比完全更换主缆的小。然而，这需要对预估的原主缆长期承载能力有较高的信心，因原主缆将仍用作桥梁的主要承重构件。如果没有这种信心，则最合适的方案是用新主缆来替换原主缆，这样就需要最终拆除原主缆。5方案C:外侧增设主缆外侧增设主缆为在原主缆的外侧架设1根新主缆，并将一定比例的原主缆荷载转移到新主缆上(图9)。5.1增设主缆和吊索同在原主缆上方更换及增设新主缆方案一样，本方案主缆也采用PPWS法。在这一方案中，增设的新主缆的尺寸比较小，由37股127根钢丝组成的索股组成，紧缆后主缆直径为380mm。选择这种尺寸的主缆是为了使其承担约30%的原主缆荷载，承担这一百分比的荷载主要是要保持原主塔有足够的竖向荷载，依靠这种竖向荷载来抵抗活载和风载引起的主塔弯曲应力。在原主缆外侧增设主缆，需要倾斜布置新吊索。一般可将新吊索连接到加劲桁梁上弦的托架上。对于最短的吊索，要制作新的连接点，使吊索与桥面结构连接。可以预见，桥上加载后，外侧增设主缆的线形与原主缆相同，吊索荷载的竖向分量因此可以直接调整到相同比例。为了使吊索的净空最大化，可取的方案是将2个1组的索股用销轴分别与索夹和桥面连接装置连接。5.2锚碇锚碇的考虑与上方更换主缆方案中描述的锚碇方案类似，即为新增设的主缆修建新建锚碇主塔在主塔上支承新主缆面临的主要难题是如何将荷载传递到原结构上。由于荷载的偏心特性及连接点处任何一种悬臂支撑均会引起的塔柱局部弯矩，这一难题因此变得复杂对塔顶以下各点的连接方案进行了验算。由于原塔柱中产生的荷载幅及力，再加上连接需要的大量栓接或焊接产生的合力，这种验算被认为是不实用的。也考虑了采用在塔顶布置新梁，让该梁横跨行车道、悬臂伸出支撑新索鞍，从而将荷载集中在塔顶中心的方案。这一方案需要在行车道上方进行较大工程量的施工，其中大部分施工需要完全关闭桥梁。由于这一缘故，这一方案未予考虑。将新主缆布置在原主塔的外侧，从原塔桩基承台起修建1根新塔柱来直接支撑新主缆是可行的。所有的重型吊装都可以从承台处进行，因而避免了在塔顶布置重型吊装设备。新塔柱顶部需要布置的任何提升设备都能利用新塔柱自身来安装。由于原塔柱隔离了新塔柱的施工，这一方案还具有对桥上交通影响最小的优点。可从原主塔传递到新塔柱的荷载将受到保持原主塔竖向荷载，以抵抗塔顶位移引起的塔柱弯矩需要的限制。在对原主塔进行加固后，24000t恒载(每柱6000t)从原塔结构转移到原塔柱中心箱室内安装的塔柱上。为了补偿原主塔竖向荷载的减小，在塔柱连接处采用了多个抗拉连接件。连接件的承载能力成为决定是否可以从原塔结构传递荷载的限制因素。为了将连接件的工作量减到最小，将从原塔柱转移的载荷限制为3200t。新塔柱的平面尺寸约为2.8m1.2m，截面积为3.36m。新塔柱的支撑将通过在原主塔的十字支撑与塔柱交汇点处的连接来实现，这样，每根塔柱将设置5个永久连接点。新塔柱加载后会压缩，而荷载从原主塔转移