悬索桥的构造、计算理论与施工方法

悬索索桥桥的的构构造造、、计计算算理理论论与与施施工工方方法法哈尔尔滨滨工工程程大大学学航航天天与与建建筑筑工工程程学学院院主要要内内容容悬索索桥桥的的构构造造悬索索桥桥计计算算理理论论悬索索桥桥施施工工一、、什什么么是是悬悬索索桥桥？？悬索索桥桥，，又又名名吊吊桥桥。。指指的的是是以以通通过过索索塔塔悬悬挂挂并并锚锚固固于于两两岸岸(或桥桥两两端端)的缆缆索索(或钢钢链链)作为为上上部部结结构构主主要要承承重重构构件件的的桥桥梁梁。。旧金金山山金金门门大大桥桥二、、悬悬索索桥桥的的优优缺缺点点优点点相对对于于其其它它桥桥梁梁结结构构悬悬索索桥桥可可以以使使用用比比较较少少的的物物质质来来跨跨越越比比较较长长的的距距离离。。悬悬索索桥桥可可以以造造得得比比较较高高，，容容许许船船在在下下面面通通过过，，在在造造桥桥时时没没有有必必要要在在桥桥中中心心建建立立暂暂时时的的桥桥墩墩，，因因此此悬悬索索桥桥可可以以在在比比较较深深的的或或比比较较急急的的水水流流上上建建造造。。悬索索桥桥比比较较灵灵活活，，自自重重轻轻。。缺点点悬索索桥桥的的坚坚固固性性不不强强，，在在大大风风情情况况下下交交通通必必须须暂暂时时被被中中断断悬索索桥桥不不宜宜作作为为重重型型铁铁路路桥桥梁梁悬索索桥桥的的塔塔架架对对地地面面施施加加非非常常大大的的力力，，因因此此假假如如地地面面本本身身比比较较软软的的话话，，塔塔架架的的地地基基必必须须非非常常大大和和相相当当昂昂贵贵。。三、、悬悬索索桥桥的的历历史史悬索索桥桥的的历历史史是是古古老老的的。。早早期期热热带带原原始始人人利利用用森森林林中中的的藤藤、、竹竹、、树树茎茎做做成成悬悬式式桥桥以以渡渡小小溪溪，，使使用用的的悬悬索索有有竖竖直直的的，，斜斜拉拉的的，，或或者者两两者者混混合合的的。。婆婆罗罗洲洲、、老老挝挝、、爪爪哇哇原原始始藤藤竹竹桥桥，，都都是是早早期期悬悬索索桥桥的的雏雏形形。。不不过过具具有有文文字字记记载载的的悬悬索索桥桥雏雏形形，，最最早早的的要要属属中中国国，，直直到到今今天天，，仍仍在在影影响响着着世世界界吊吊桥桥形形式式的的发发展展。。远远在在公公元元前前三三世世纪纪，，在在中中国国四四川川境境内内就就修修建建了了““笮笮””（（竹竹索索桥桥））。。图图为为泸泸定定桥桥，，建建于于1706年，，被被认认为为是是当当时时世世界界上上最最长长的的悬悬索索桥桥。。悬索索桥桥的的发发展展1883年，，第第一一座座现现代代悬悬索索桥桥，，美美国国Brooklyn桥，，主跨跨486m1931年，，第第一一座座突突破破千千米米的的悬悬索索桥桥—主跨跨1006米的的美美国国纽纽约约华华盛盛顿顿桥桥1937年，，主主跨跨1280米的的悬悬索索桥桥，，美美国国旧旧金金山山金金门门大大桥桥1940年，，美美国国华华盛盛顿顿州州塔科科马马悬悬索索桥桥悬索索桥桥的的发发展展1997年，，丹丹麦麦大大海海带带桥桥,主跨跨1624米悬悬索索桥桥1997年，，中中国国香香港港青青马马大大桥桥,主跨跨1377米,是当当时时最最大大跨跨度度公公铁铁二二用用悬悬索索桥桥1998年，，日日本本明明石石海海峡峡大大桥桥，，主主跨跨1991米，，是是世世界界最最大大跨跨度度悬悬索索桥桥1999年，，中中国国江江阴阴长长江江大大桥桥，，主主跨跨1385米，，中中国国第第一一座座超超千千米米悬悬索索桥桥8.1悬索索桥桥概概述述悬索索桥桥的的发发展展进入入二二十十世世纪纪以以来来，，悬悬索索桥桥进进入入了了一一个个朝朝低高高度度主主梁梁、高强强度度材材料料和大跨跨径径方向向发发展展的的阶阶段段，，加加劲劲梁梁以以桁桁架架为为主主，，梁梁的的高高跨跨比比在在1/150左右右。。二战战后后，，悬悬索索桥桥进进入入了了新新的的发发展展时时期期，，欧欧洲洲各各国国采采用用了了抗抗风风性性能能好好的的薄壁壁箱箱形形截截面面加加劲劲梁梁。四、、现现代代悬悬索索桥桥欣欣赏赏日本本明明石石海海峡峡大大桥桥，，主主跨跨1991米，，1998年建建成成明明石石海海峡峡大大桥桥，，位位于于日日本本本本州州与与四四国国之之间间，，主主跨跨1991米，，全全长长3910米，，为为三三跨跨二二铰铰双双层层加加劲劲桁桁梁梁式式吊吊桥桥，，钢钢桥桥283米，，高高出出333米桥桥宽宽35.5米，，双双向向六六车车道道，，加加劲劲梁梁14米，，抗抗震震强强度度按按1/150的频频率率，，承承受受8.5级强强烈烈地地震震设设计计，，为为目目前前世世界界上上跨跨度度最最大大的的悬悬索索桥桥。。中国国润润扬扬长长江江公公路路大大桥桥，，主主跨跨1490米，，2005年建建成成润润扬扬大大桥桥西西距距南南京京二二桥桥约约60公里里，，东东距距江江阴阴大大桥桥约约110公里里。。工工程程全全长长35.66公里里，，由由北北接接线线、、北北汊汊桥桥、、世世业业洲洲互互通通高高架架桥桥、、南南汊汊桥桥、、南南接接线线及及延延伸伸段段等等部部分分组组成成。。其其中中南南汊汊主主桥桥采采用用单单孔孔双双铰铰钢钢箱箱梁梁悬悬索索桥桥，，主主跨跨径径1490米，，为为目目前前中中国国第第一一、、世世界界第第三三，，桥桥下下最最大大通通航航净净宽宽700米、、最最大大通通航航净净高高50米，，可可通通行行5万吨吨级级巴巴拿拿马马货货轮轮。。中国国香香港港青青马马桥桥，，主主跨跨1377米，1997建成。桥塔高高131米，在青衣岛岛侧采用隧道道式锚碇，在在马湾岛侧采采用重力式锚锚碇,中部空间可容容纳行车道及及路轨，大桥桥上层桥面中中部和下层桥桥面路轨两侧侧均设有通气气空格，形成成流线型带有有通气空格的的闭合箱型加加劲梁，1997年建成。悬桥组成组成：主缆、、加劲梁、吊吊索、索塔、、鞍座、锚碇碇（下部）及及桥面结构1.概述1.1悬索桥的受力力特征悬索桥是由主主缆、加劲梁梁、主塔、鞍鞍座、锚碇、、吊索等构件件构成的柔性性悬吊体系，，其主要构构成如下图所示。成桥桥时，主要由由主缆和主塔塔承受结构自自重，加劲梁梁受力由施工工方法决定。。成桥后，结结构共同承受受外荷作用，，受力按刚度度分配。主缆是结构体系中中的主要承重重构件，受拉为主；主塔是悬索桥抵抗抗竖向荷载的的主要承重构构件，受压为主；加劲梁是悬索桥保证证车辆行驶、、提供结构刚刚度的二次结结构，主要承受弯曲内力；吊索是将加劲梁自自重、外荷载载传递到主缆缆的传力构件件，是连系加加劲梁和主缆缆的纽带，受拉。锚碇是锚固主缆的的结构，它将将主缆中的拉拉力传递给地地基。悬索桥各部分分的作用钢缆采用高强强钢丝成股编编制，充分发发挥材料优越越的抗拉性能能。⑵.基本组成成⑶.荷载传递递两个主塔将作作为主要承重重构件的主缆缆索架起，再再由固定在主主缆索上的吊吊杆将作为桥桥面承重构件件的主梁悬吊吊住。桥面主梁吊杆主塔地基在力的传递过过程中，吊杆杆和主缆索承承受很大的拉拉力，此拉力力由两岸桥台台后修筑的巨巨型锚碇平衡衡。悬索桥的基本本类型1.按主缆的锚固固形式分类地锚式：主缆缆的拉力由桥桥梁端部的重重力式锚碇或或隧道式锚碇碇传递给地基基自锚式：主缆缆拉力直接传传递给它的加加劲梁。2.按孔跨布置形形式分类三跨悬索桥：：结构形式最为为合理，是大大跨度悬索桥桥最为常用的的桥型。单跨悬索桥：：边跨地面较高高，有曲线进进入大桥边跨跨的情况。两跨悬索桥：：只有一岸边跨跨地面较高或或线路有平面面曲线进入三跨悬索桥联联袂布置：罕见的独塔悬悬索桥——西藏达孜桥三、桥塔一、桥塔的作用：支承主缆，分分担大缆所受受的竖向力，，在风力和地地震力作用下下，对总体稳稳定提供保证证。二、结构形式：1、桥梁纵向(桥轴方向)的结构形式2、桥梁横向的结构形式1、桥梁纵向(桥轴方向)的结构形式从结构力学上上来分类：(1)刚性塔（矮而胖）：：指塔顶水平平变位量相对对较小的桥塔塔。分类：单单柱、A字形状。适用：多塔(桥塔数量为3个或3个以上)，特别中间的的桥塔，作用用：通过提高高桥塔的纵向向刚度来控制制其塔顶的纵纵向变位，从从而减小梁内内的应力。(2)柔性塔（高而细）：：指塔顶水平平变位量相对对较大的桥塔塔，也就是相相对于刚性塔塔而言的。适用：大跨度度三跨(双塔)形式中，桥塔塔几乎全是做做成柔性的。。分类：一般般是塔柱下端端作成固接的的单柱形式。。(3)摆柱塔分类：摇柱塔塔为下端作成成铰接的单柱柱形式。适用：它一般般只用于跨度度较小的悬索索桥。很少用用。2、桥梁横向的结构形式1）形式：（1）刚构式：形式：悬索两两个平面，两两根立柱支撑撑――单层(横梁)；(2)桁架式(3)混合式（4）将竖直的塔塔柱改变为在在横向略带倾斜斜的斜柱式或2具有转折点的的折柱式。2）实例：（1）刚构式形式：悬索两个平平面，两根立立柱支撑――单层(横梁)；为使整个桥塔塔在横向能承承受悬索和桥桥面系上全部部横向风荷载载的刚性，在在塔定和桥下下设强大的横横系梁――多层横梁（塔高时时）。特点：单层(横梁)或多层(横梁)的门架式，这这种形式在外外观上明快简简洁，它既能能适应钢桥塔，又能用于混凝土桥塔。(2)桁架式形式：在两根塔柱柱之间，为增增强桥塔横向向刚度，除了了有水平的横横梁之外还具具有若干组交交叉的斜杆，，形成桁架式式结构。优点：桥塔在横向向采用这种结结构形式，无无论在塔顶水水平变位、用用钢数量(经济性)及塔架内力(功能性)等方面均较有有利。在风力力和地震力引引起桥轴垂直直方向的塔顶顶水平位移最最小。缺点：由于交叉斜斜杆的施工对对混凝土桥塔塔有较大的困困难，因而这这种形式一般般只能适用于钢桥塔塔。(3)混合式形式：由以上的刚刚构式与桁架架式可以组成成混合式出塔塔架。这种形形式一般在桥桥面以上不设设交叉斜杆，，特点：在景观上可可以保留刚构构式的明快简简洁，而在桥桥面以下设置置少量交叉斜斜杆以改善塔塔架的功能(内力)性和经济(耗钢)性。由于具有有交叉斜杆的的关系，此种种形式也只宜用于钢桥塔斜柱式（折柱柱式）形式：竖直的塔柱柱改变为在横向略带倾斜斜的斜柱式或或具有转折点点的折柱式。优点：无论是斜柱柱式或折柱式式，其优点是是都有稳定感感和塔顶宽度度（塔柱中心心距）较紧凑凑。2）例子（1）桁架式：开始在美国（（旧金山奥克克兰海湾大桥桥），后来又又影响欧洲(里斯本4月25日桥与英国福福斯公路桥)，最后被较多多地引用于日日本的本四连连络线的各桥桥(因岛、大鸣门门、南北备赞赞以及明石海海峡等桥)。（2）刚构式桥塔外观简洁洁，它既能适适用于混凝土土桥塔(如恒伯尔桥、、坦尔维尔桥桥)，又能适应于于钢桥塔(如塞文桥、下下津井桥以及及博斯普鲁斯斯海峡一桥与与二桥)。15座已建成的千千米以上大跨跨，除1990m的明石海峡大大桥外，其余余如大贝尔特特(1624m)桥，恒伯尔(1410m)桥，青马大桥桥(1377m)，江阴长江大大桥(1385m)，瑞典的高海海岸桥(1210m)等后期修建的的，全部采用用混凝土刚构构形式。因此此，混凝土刚刚构式桥塔一一般应被认为为时最佳选择择。（3）混合式桁架式刚构式混合式三、材料分类圬工桥塔、钢钢筋混凝土桥桥塔和钢桥塔塔。1）圬工桥塔由条条石或混凝土土做成，石料抗拉强度太低低，在跨径较较大的吊桥上上已不再采用用石桥塔，仅仅在古老的吊吊桥中还能看看见。混凝土桥塔为了保证证悬索在荷载载作用下和温温度变化时产产生的合力偏偏心不超过核核心范围，常常把塔柱尺寸寸设计得较大大。为了节约约材料，往往往在两塔柱中中距处仅满足足车道宽，人人行道采用外外绕形式，我我国所建吊桥桥多数采用这这种处理方法法。2）钢筋混凝土桥塔多采用框框架式2）钢筋混凝土桥塔多采用框框架式塔柱截面形式：单室或双室室空心矩形截截面，常见D形截面或削角角的矩形截面面特点：1、钢筋混凝土土桥塔的塔柱柱主要是承压压构件，采用用混凝土是经经济的。2、近年来釆用用了滑模浇注注混凝土的施施工方法，高高塔柱的施工工变得非常方方便。3、钢筋混凝土土桥塔外形简简洁美观，维维修养护费用用低。实例：英国恒比比尔河桥上首首次采用了了钢筋混凝土土的桥塔，打打破了以前特特大跨径吊桥桥的桥塔全部部采用钢桥塔塔的惯例。3）钢桥塔：刚构式式或桁架式、、混合式特点：桁架式桥塔塔在横向地震震力或风荷载载作用下，塔塔顶水平变形形最小，用钢钢量也最小，，但考虑与景景观协调时，，外观不如刚刚构式桥塔简简洁美观，可可根据当地条条件选用。采采用桁架式桥桥塔为多。桥塔截面：早期：铆接结构特点：1）钢板和角钢钢联结成多格格式的塔柱，，尺寸1～1.2m。2）截面变化由由底到顶逐步步减少外侧格格室的尺寸（（取消）。近年：栓接和焊接接技术特点：带有加劲大大钢板组成大大格室五、钢桥塔与混凝土桥塔比较1、60年代以前，全部钢材材美国为代表。实例：1、30年代乔治·华盛顿桥、旧旧金山奥克兰兰海湾大桥、、旧金山金门门大桥，1957年麦金纳克克湖口大桥1964年维拉扎诺海海峡钢桥塔塔。2、高结构物混混凝土浇注注技术，特别别模板技术，，60年前后欧洲实例：（1）1959年，法国608m坦卡维尔桥混混凝土（2）1970年，丹麦600m小贝尔特桥混混凝土桥塔塔（3）1981年英国恒恒伯尔桥混混凝土（4）90年代中国香香港青马大桥桥(1377m)，中国江阴长长江大桥(1385m)，瑞典高海岸岸桥(1210m)、丹麦大贝尔尔特东桥(1624m)等混凝土桥塔塔。3、日本：钢实例：（1）南备赞大桥(1100m)、北备赞大桥桥(990m)（2）90年代第一大跨跨度(1990m)的明石海峡大大桥、来岛第第一(600m)、第二(1020m)及第三(1030m)等全部采用用钢桥塔。原因：1、是钢材生产产大国。2、地震频繁出出现的地区，，钢结构轻于于混凝土结构构，因而在发发生地震时因因结构物自重重产生的惯性性力也较小，，采用钢桥塔塔对抵抗大地地震是有效的的措施之一。。3、日本的高度度工业化，在在钢桥塔的制制造和安装架架设方面可以以采用优质的的栓焊技术及及利用大型浮浮吊整体施工工，从而在一一定程度上可可加快工期与与减少劳力。。方针政策：1、悬索桥和斜斜拉桥的桥塔塔，和一般大大跨度桥梁的的上部结构而而言，也是优优先采用与发发展钢结构。。2、桥梁连水中中桥墩都采用用钢结构，如如关西新机场场连络桥的海海中桥墩与横横跨东京湾道道路的海中桥桥墩等。六、悬索桥与斜拉拉桥的桥塔比较1、桥塔的高度(以桥面以上的的桥塔高度为为准)来说，悬索桥桥塔高(1／9～1／11)L，斜拉桥塔高高(1／4～1／5)L，L主孔跨度，悬悬索桥的桥塔塔高度大致仅仅为斜拉桥的的一半。2、塔架(桥塔在桥梁横横向的布置形形式)的形状来说斜拉桥丰富：（1）斜单索面与与双索面、平平面索与立体体索等。（2）简单独柱式式、双柱式、、单层或多层层门式构架，，和较复杂的的H形、A形、倒V形以及倒Y形等塔架。悬索桥简简单：绝大部部分为单单层或多多层门式式构架，，另有一一部分在在两根塔塔柱之间间具有交交叉的桁桁式斜杆杆，但这这种形式式仅限于于钢桥塔塔。3、构造上悬悬索桥简简单：悬索桥桥桥塔只需需考虑在在塔顶上上布置主主缆的鞍鞍座，而而斜拉桥桥的则必必须考虑虑在塔柱柱上设有有量多且且细节复复杂的斜斜拉索的的锚固构构造。七、特例：倒V形及菱形形桥塔特点：1、桥塔形形状作成成如单索索面斜拉拉桥中出出现的倒倒V形及菱形形，2、两座悬悬索桥的的跨度均均较小，，但是—种新的花花色。实例：1、日本大大阪的此花大桥桥(原名北港