缆索承重桥梁之悬索桥构造及设计计算

缆索承承重桥梁之之悬索索桥构构造及及设计计计算算1二、悬悬索桥桥结构构组成成、形形式、、布置置和构构造悬索桥桥的组组成悬索桥桥的形形式悬索桥桥的布布置和和结构构特性性悬索桥桥的各各部分分构造造1）主主缆2）吊杆杆（索索）3）索夹夹4）加劲劲梁5）桥塔塔5）锚碇碇（用用于地地锚式式悬索索桥）6）塔顶顶鞍座座和散散索鞍鞍座4、悬索索桥各各部分分的构构造材料：：圬工工（古古老、、小跨跨简易易）；；钢筋筋砼（（框架架式；；实心心矩形形或者者箱形形）；；钢（（框架架式、、桁架架式；；箱形形、多多格箱箱形、、H形）。。桥塔纵纵向结结构形形式：：摇柱塔塔（摆摆动式式）：：单柱柱塔下下设铰铰、塔塔顶索索鞍固固定于于塔，，适于于小跨跨。柔性塔塔：一一般为为下端端固定定式，，塔顶顶水平平变位位量相相对较较大，，适于于大跨跨。刚性塔塔：塔塔顶水水平变变位量量相对对较小小，单单柱或或者A形，多多用于于多跨跨悬索索桥的的中间间塔柱柱，纵纵向刚刚度较较大，，塔顶顶位移移小从从而减减小加加劲梁梁内的的应力力。5)桥塔桥塔横横向结结构形形式：：刚构式式（框框架式式）：：单层层或者者多层层门架架，明明快简简洁。。桁架式式：若若干组组交叉叉的斜斜杆与与水平平横梁梁组成成桁架架，施施工时时稍显显困难难。混合式式：仅仅在桥桥面以以下设设置交交叉斜斜杆以以改善善受力力和经经济性性能。。塔柱横横向可可竖直直或者者稍带带倾斜斜（斜斜柱式式）或或转折折点（（折柱柱式）），后后两者者稳定定性能能好且且较为为经济济。现代认认为钢钢筋砼砼刚构构式桥桥塔是是悬索索桥的的桥塔塔最佳佳选择择。虎门大大桥主主塔乔治华华盛顿顿桥江阴长长江大大桥北北塔香港青青马大大桥主主塔明石海海峡大大桥主主塔基本组组成：：主缆缆的锚锚碇架架及固固定装装置、、锚梁梁、锚锚碇基基础。。基本分分类：：重力力式锚锚碇、、隧道道式（（岩锚锚）锚锚碇。。重力式式锚碇碇：依依靠锚锚块自自重来来抵抗抗主缆缆的竖竖直分分力，，水平平分力力则由由锚碇碇与地地基之之间的的摩阻阻力（（包括括侧壁壁的））或者者嵌固固阻力力来抵抵抗。。隧道式式锚碇碇（岩岩洞式式）:主缆散散开后后各索索股通通过岩岩洞中中的混混凝土土锚块块内埋埋设的的锚梁梁与拉拉杆的的伸出出端连连接，，并利利用预预应力力工艺艺调整整松紧紧。前锚式：主缆缆采用PS法施工时的缆缆索锚固方式式，支承（定定位）钢构架架与传力钢构构架的结合。。后锚式：主缆缆采用AS法施工时的缆缆索锚固方式式，铸钢索靴靴与眼杆的结结合。5)锚碇（用于地地锚式悬索桥桥）图a）为现代预应应力锚固系统统（前锚式））图b）锚固构架锚锚固系统AKASHI锚碇三角形空腹构构架式重力锚锚江阴长江大桥桥北锚重力式锚碇（采用较多）隧道式锚碇重力式锚碇用用于持力层位位于地表以下下20～50米较合理；过过深可以采用用深基础：沉沉箱、沉井、、桩、管柱等等。隧道式锚碇用用于基岩外露露处，主缆各各索股集中在在一个岩洞内内锚固。a）岩洞锚，b）岩孔锚串联悬索桥共共用锚墩旧金山海湾桥桥西桥日本南北备备赞大桥串联悬索桥共共用锚墩6)塔顶鞍座和散散索鞍座索鞍（鞍座））属于支承主主缆的支承件件或配件。类型：塔顶主索鞍；；支架副索鞍（（副鞍座）：：边跨靠近岸岸端的墩架或或钢排架的顶顶部，改变主主缆在竖平面面内的倾角。。也可不设。。散索鞍座（展展束锚固索鞍鞍）：多设置置在桥台上，，使构成主缆缆的许多钢丝丝束股在水平平向及竖直向向分散开的支支撑鞍座，并并导引各索股股入锚固部分分。塔顶鞍座和散散索鞍座主要构件：鞍鞍槽、腹板底底板和加劲肋肋板等（腹板板传递鞍槽压压力，横肋加加强）。布置形式：两两块斜腹板，，大部分鞍下下应力由斜腹腹板直接径塔塔柱两侧横壁壁板传给桥塔塔、单（两））块竖腹板：：大部分压力力经鞍座板间间接传递给塔塔柱顶板。塔顶鞍槽的纵纵向曲率半径径：纵向圆弧半径径（可为纵向向非对称多段段圆弧）不小小于主缆直径径的8～12倍，入口处鞍鞍槽半径局部部略小以防破破坏主缆防腐腐。鞍槽的截面形形状：配合主主缆钢丝索股股的排列形状状。制造方法：全全铸、铸件鞍鞍槽＋焊接钢钢板（铸焊））、全焊。塔顶主索鞍江阴主索鞍构造形式为调节主缆在在各种条件下下的长度变化化，散索鞍由由辊轴、摇轴轴支承，或者者作成摆柱构构件。鞍槽的纵向曲曲率半径入口处鞍槽形形状与塔顶鞍鞍槽相同，出出口处略小，，要同时满足足主缆转向和和散索的功能能要求。鞍槽的截截面形状状配合主缆缆钢丝索索股的排排列形状状。散索鞍：：主缆进入入锚碇之之前的最最后一个个支撑主主缆的构构件。加劲梁拼拼装施工工缆索施工工桥塔施工工三、悬索索桥的施施工锚碇施工工悬悬索桥适适用于超超大跨径径桥梁的的主要原原因，除除了其充充分利用用了材料料强度外外，还有有其独特特的施工工方法。。通常常，悬索索桥架设设步骤为为：塔柱柱及锚碇碇施工猫道架设设主缆架设设索夹及吊吊索安装装加劲梁吊吊装架设设等。桥塔施工工塔柱节段段之间的的连接（（水平接接缝）波斯普鲁鲁斯二桥桥明石海峡峡钢桥塔塔塔柱底节节与桥墩墩之间的的连接桥塔施工工（青马大大桥混凝凝土桥塔塔）混凝土桥桥塔施工工以就地地浇筑为为主（爬爬模、滑滑模）塔柱横向向构件（（横梁））施工塔柱与塔塔墩之间间的连接接锚碇施工工岩隧锚碇碇：当河岸有有坚硬岩岩石时，，可以采采用岩隧隧锚碇。。岩隧锚锚可以将将主缆集集中在一一个岩洞洞内锚固固，也可可以在岩岩石山开开凿多个个岩眼，，将主缆缆分成多多股穿过过岩体在在锚固室室内锚固固。重力式锚锚碇：设置在承承载力比比较好的的地基上上的重力力式锚碇碇，一般般采用明明挖的扩扩大基础础。当锚锚碇设置置在软土土层中时时，可以以采用大大型沉井井或地下下连续墙墙的形式式。如江江阴大桥桥北锚碇碇采用了了大型沉沉井，而而日本的的明石海海峡大桥桥采用了了地下连连续墙。。主缆施工工悬索桥主主缆施工工可分为为以下几几个步骤骤：1）准备备工程（（塔顶吊吊机、塔塔顶鞍座座等）2）架设设导索（（浮子法法、自由由悬挂法法等）3）架设设牵引索索和猫道道索缆索系统统施工步步骤图直升机架架设法缆索系统统施工步步骤图4）架设设猫道桥桥面板及及横向天天桥5）架设设抗风索索以及完完成猫道道，并架架设主缆缆（纺线线法、改改进纺线线法，预预制平行行索股法法）6）将猫猫道转载载于主缆缆后拆除除抗风索索，并架架设竖吊吊杆。抗风索AS法原理AS法的主要要缺点是架设主主缆时的的抗风能能力较弱弱以及所所需时间间较长；；主缆挤挤紧后空空隙相对对较大；；AS法的主要要优点是索股丝丝数多、、股数少少，从而而锚固空空间较小小，同时时运输起起吊设备备较轻便便；欧欧美国家家使用较较多。空中纺轮轮和猫道道主缆架设设主缆架设设PPWS法的优点点是避免免了现场场由钢丝丝编成索索股作业业，从而而加快了了主缆施施工进度度；但它要求求有大吨吨位的起起重运输输设备和和拽拉设设备来搬搬运；跨越全桥桥的索股股，同时时在猫道道上还需需设置导导向轮以以减小索索股受到到的摩阻阻力；受受起吊重重量的限限制，采采用PPWS法时索股股中的钢钢丝根数数较少，，故其股数数较多，，需要的的锚固空空间较大大；PPWS法在日本本得到了了长足的的发展，，我国工工程师也也倾向使使用该法法。紧缆、缠缠丝、涂涂装加劲梁拼拼装施工工加劲梁的的制造、、组拼与与运输加劲梁架架设：架设顺序序和架设方法法箱梁和桁桁架梁拼拼装施工工加劲梁架架设加劲桁架架梁吊装装加劲钢桁桁架架设设单元分分类：单单根杆件件、平面面构架和和立体节节段。箱梁拼装装施工—钢箱梁吊吊装加劲梁架架设主主缆是柔柔索结构构，只有有部分梁梁段悬吊吊在主缆缆上时挠挠度很大大，梁段段吊装到到位后只只能在上上缘与相相邻梁段段连接形形成铰接接，下缘缘是可以以张开闭闭合的；；随着吊吊装梁段段的增加加，主缆缆的局部部挠度减减小，加加劲梁下下缘的间间隙逐渐渐闭合，，待梁段段全部吊吊装完成成或大部部分完成成后，可可在相邻邻节段间间永久固固结连接接；加劲劲梁的重重力完全全由主缆缆承担，，加劲梁梁只承担担梁段内内的局部部弯矩。。加劲梁架架设四、悬索索桥的设设计加劲梁在在活载与与其他荷荷载作用用下与主主缆共同同受力，，因此必必须与主主缆共同同考虑，，所以悬悬索桥设设计按顺顺序包括括以下内内容，先先考虑主主缆及加加劲梁的的设计，，然后根根据已决决定的主主缆及加加劲梁体体系考虑虑桥塔和和锚碇的的设计，，最后进进行其它它辅助构构件的设设计。悬索桥设设计包括括：总体设计计、主塔的设设计、锚锚碇设计计、主缆的设设计、加加劲梁的的设计等等。前期工作作三阶段设设计预可行性性研究报报告项目建议议书主管部门门批准登记可行性研研究报告告主管部门门审批设计任务务书初步设计计建设单位位审批技术设计计招标文件件招投标及及施工准准备建设单位位审批施工设计计开工报告告施工阶段段特大桥的的设计程程序悬索桥的的总体构构思悬索桥的的设计计计算内容容悬索桥的的设计计计算程序序悬索桥的的总体设设计1）悬索桥桥的适用用范围和和条件2）悬索桥桥与其它它大跨度度桥式的的比较选选择3）悬索索桥的美美学比例例4）悬索桥桥总体设设计的参参考数据据：跨度比，，垂跨比比，宽跨跨比，高高跨比等等1）边跨跨跨径与主主跨跨径径的比例例；2）桥下空空间形式式；3）加劲梁梁选择；；4）悬索桥的的锚碇选择择；5）桥塔选择择。悬索桥的总总体构思悬索桥的设设计计算1）作用在悬悬索桥上的的荷载有恒恒载、活载载、风荷载载、地震力力、温度变变化等，设设计计算时时，一般把把它们简化化为平面问问题或空间间问题采用用各种计算算理论进行行计算分析析；2）关于塔，，一般将其其作为独立立结构，在在桥轴及垂垂直桥轴方方向分别进进行分析，，对于柔性性塔，由于于塔柱的刚刚度不可能能很大，还还必须计算算其屈曲临临界荷载；；3）对包括塔塔、缆索、、桥台、加加劲梁等整整个结构组组成的计算算模型进行行动力分析析计算时，，一般采用用以有限位位移理论为为基础的空空间非线性性有限元程程序计算；；4）与斜拉桥桥的情况一一样，悬索索桥的跨度度远远超出出《桥规》所规定的适适用范围。。因此，必必须制定适适用于悬索索桥的设计计规范。以以《桥规》中的规定为为基准，对对一些复杂杂项目如活活载、挠度度容许值、、冲击系数数、屈曲长长度、抗震震设计、抗抗风设计、、荷载组合合及容许应应力等进行行规定，以以规范为基基准进行计计算分析和和结构设计计。5）悬索桥在在设计的不不同阶段需需要进行不不同的计算算，现将其其设计步骤骤与其设计计中所需的的各项计算算分述如下下:悬索桥主缆缆和加劲梁梁静力设计计流程图主缆及加劲劲梁动力设设计流程（（续）桥塔的设计计顺序桥塔的设计计计算应根根据主缆加加劲梁的结结构体系来来进行。首首先选择桥桥塔的结构构形式，拟拟定桥塔各各组成构件件的截面尺尺寸,进而而进行桥塔塔的设计计计算。设计计流程见右右图所示。。桥塔的设计计流程悬索桥的设设计计算程程序悬索桥的计计算机辅助助分析和设设计的发展展过程，既既与计算机机的发展有有关，也与与悬索桥结结构分析理理论的发展展有关，而而更重要的的还与悬索索桥建设的的实际需要要有关。这这就决定了了悬索桥的的计算机辅辅助分析和和设计起源源于美英，，而兴盛于于日本这样样一个发展展过程。据文献介绍绍，开始将将计算机辅辅助分析应应用于悬索索桥设计的的是美国学学者。他们们提出的吊吊杆力法和和据此编制制的计算程程序，在曼曼哈顿桥的的加固工程程中得到应应用。但此此程序不具具通用性。。英国在60年代修建塞塞文桥时，，将悬索桥桥当作非线线性平面框框架结构，，利用有限限位移法作作计算分析析，检算算了具有斜斜吊杆（索索）的塞文文桥的设计计合理性。。1966年的里斯本本国际悬索索桥会议促促进了悬索索桥计算机机辅助设计计计算分析析的发展。。虽然美国国自那以后后再未修建建大跨悬索索桥，系统统的悬索桥桥软件开发发并未受到到重视，但但其在理论论的研究方方面仍处于于领先地位位，尤其是是动力设计计计算方面面。英国自自修建塞文文桥以后，，在悬索桥桥的设计中中都采用计计算机作静静力分析，，而进行完完善的计算算机动力分分析较晚。。随后，日日本由于修修建本四连连络线，线线内含有11座悬索桥，，所以开发发了悬索桥桥设计计算算软件系列列。ABAQUS-Non-LinearF.E.AnalysisADINA-NonLinearF.E.AnalysisMSCSoftware-HomeofNASTRANandmanyotherprogramsANSYS-GeneralPurposeF.E.CSI-SAP2000–GeneralPurposeAnalysisandDesignLUSASBridge–Bridgeengineeringanalysis,designandassessmentsoftwareMIDAS/Civil–StageAnalysesforPost-tensioned,Suspension&CableBridgesandDesignANSYS/CivilFEMTDVRM软件ABAQUS-Non-LinearF.E.Analysis/ABAQUS/Standard:通用分析模模块ABAQUS/Explicit:显式分析模模块ABAQUS/CAE:前后处理模模块ABAQUS/Aqua:前后处理模模块（海洋工程程）ABAQUS/C-MOLD:水下冲击模模块ABAQUS/Design:优化敏感性性分析模块块ABAQUS/Safe:疲劳分析模块块ABAQUS是一套功能强强大的模拟工工程的有限元元软件，其解解决问题的范范围从相对简简单的线性分分析到许多复复杂的非线性性问题。可模模拟任意实际际形状的单元元库。并与之之对应拥有各各种类型的材材料模型库，，可以模拟大大多数典型工工程材料的性性能，其中包包括金属、橡橡胶、高分子子材料、复合合材料、钢筋筋混凝土、可可压缩高弹性性的泡沫材料料以及类似于于土和岩石等等地质材料。。作为通用的的模拟计算工工具，ABAQUS能解决结构（（应力/位移）的许多多问题。它可可以模拟各种种领域的问题题，例如热传传导、质量扩扩散、电子部部分的热控制制（热电耦合合分析）、声声学分析、岩岩土力学分析析（流体渗透透/应力耦合分析析）及压电介介质分析。清华大学工程程力学系荆沙沙江斜拉桥Version:6.4Version:8.3ADINA软件模块简介介ADINA-AUI：前后处理模模块ADINA：结结构分析模块块ADINA-F：计算流流体动力学（（CFD）求解模块ADINA-T：热分析析模块ADINA-FSI：流体/结构耦合分析析模块（包括括热）ADINA-TMC：热/结构耦合分析析模块ADINA-M:实体建模模块块ADINA系统的求解理论K.J.BatheDepartmentofMechanicalEngineering,MIT/MSC.Fatigue建立在CAE技术基础上的的耐久性和损损伤容限分析析;MSC.Marc是世界领先的的有限元分析析程序，从简简单的线性静静力问题到复复杂的非线性性接触、屈曲曲、动力学、、热分析和热热－机耦合问问题均能求解解;MSC.Nastran是世界上最广广泛被采用的的有限元程序序，解决从简简单到复杂、、结构线性、、非线性、热热、流体和耦耦合系统等问问题;MSC.Patran有限元建模环环境的行业领领先者;MSC.Dytran仿真极度非线线性，瞬态动动力响应，流流固耦合问题题的通用软件件;MSCSoftware-HomeofNASTRANandmanyotherprogramsCSI-SAP2000,GeneralPurposeAnalysisandDesign/SAP2000LUSASBridge-Bridgeengineeringanalysis,designandassessmentsoftwareLUSASBridge/LUSASBridgeplusLUSASCompositeLUSASCivil&Structural/LUSASCivil&StructuralplusLUSASAnalyst/LUSASAnalystplusTDVRM软件在悬索桥桥上的应用Ansys软件Ansys软件属于大型型通用有限元元软件类别，，可以应用于于许多领域，，如土木工程程、机械、电电机工程、航航天领域等。。因此需要结结合某个具体体的工程问题题来讲授,本课程针对结结构工程领域域里涉及的问问题来讲解。。桥塔结构形式式桥塔的设计桥塔的设计1）桥塔的受力力分析桥塔的荷载桥塔的设计计计算2）简化算例桥塔的荷载桥塔承受的荷荷载主要可分分成两部分：：一）是直接作作用于塔上的的恒载、风、、地震、温度度等产生的各各种组合荷载载；二）是由主缆缆、加劲梁等等的自重及作作用于悬索桥桥体系上的活活载、温度、、地震等所产产生的各种组组合荷载。桥塔的设计和和计算悬索桥桥塔结结抅的设计计计算包括：成桥状态计算算：1）顺桥向桥塔塔结构的设计计计算2）横桥向桥塔塔结构的设计计计算施工阶段计算算：1）无缆缆下风风荷载载作用用2）施工工控制制计算算2）简化化算例例福斯桥桥桥塔塔成桥桥状态态顺桥向向简化化计算