桥梁工程课件

1组合结构桥梁(钢－混组合梁)23组合结构桥梁概论

组合结构分类组合结构设计理念组合结构力学特点组合结构桥梁的分类及其特点

4组合结构桥梁概论--组合结构分类钢材混凝土钢构件混凝土构件组合构件组合结

构材料构件结构5概论--组合构件实例

组合构件的实例(a)钢管混凝土(b)型钢混凝土(c)组合板(d)组合梁6概论--组合结构实例

组合结构实例(a)钢梁与混凝土梁接合(b)钢梁与混凝土墩接合焊钉预应力钢筋钢梁钢筋混凝土梁钢梁钢筋混凝土墩焊钉横梁7概论—设计理念总费用总费用

钢结构

混凝土结构

混凝土用量百分比

组合结构

合理8概论—设计理念

混凝土的弱点抗拉强度小有横向约束时抗压强度增大钢材提供支援

钢材的弱点容易压缩屈曲容易生锈混凝土提供支援设计理念：合理使用钢材与混凝土9

钢—混凝土结合梁桥在中等跨度(20~90m)桥梁中已在世界各地广泛应用。它的主要优点是：与钢桥相比有：①节省钢材；②降低建筑高度；②减少冲击，耐疲劳；④减少钢梁腐蚀；⑤减少噪音；⑥维修养护工作量较少等。与混凝土桥相比有：①重量较轻；②制造安装较为容易；③施工速度快，工期短等。10概论--组合结构的力学特点

钢材对混凝土的支援—受弯组合梁抗弯性能组合梁纯钢梁Py:纯钢梁的屈服荷载Pu:纯钢梁的极限荷载11概论--组合结构的力学特点应变钢管钢管混凝土混凝土单独叠加荷载

钢材对混凝土的支援—受压钢管混凝土柱12概论--组合结构的力学特点

混凝土对钢材的支援—受弯钢管混凝土梁荷载变形局部屈曲

无肋无摩擦有摩擦有肋局部屈曲13概论--组合结构的力学特点

混凝土对钢材的支援—内衬混凝土组合梁(a)连续梁一般图(b)横截面图1.2.4内衬混凝土组合梁的构造(c)内衬式组合梁截面横向钢筋纵向钢筋

内衬混凝土钢梁内衬混凝土内衬混凝土14概论--组合结构的力学特点

内衬混凝土组合梁—钢筋布置形式15概论--组合结构的力学特点

内衬混凝土组合梁—抗弯性能纯钢内衬混凝土变形(mm)荷载(kN)16概论--组合结构的力学特点

内衬混凝土组合梁—抗弯性能17概论--组合结构的力学特点

内衬混凝土组合梁—抗弯性能

内衬混凝土组合梁

纯钢梁18概论--组合结构的力学特点

内衬混凝土组合梁—抗剪性能纯钢内衬混凝土变形(mm)荷载(kN)19概论--组合结构的力学特点

内衬混凝土组合梁—抗剪性能20概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合结构桥梁的定义：

----使用组合构件或组合结构的桥梁

组合结构桥梁的分类◆组合钢板梁桥◆组合箱梁桥◆组合桁架桥◆组合刚构桥◆混合梁桥◆组合拱桥◆组合斜拉桥21概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合钢板梁桥

Hopital桥（法国,4跨连续，最大跨64m）22概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合钢板梁桥

千鸟泽川桥（日本）

Lignon桥（法国）23概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合箱梁桥—槽形截面组合箱梁桥

BoisdeRosset桥（瑞士，1991年完成）连续桥，23m+34.2+11×42.75m+51.3m+38.5m槽形钢截面+横向预应力混凝土桥面板4根纵向体外索箱内布置，索力合计8830kN24概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合箱梁桥—槽形截面组合箱梁桥

千岁高架引桥（日本，1998年完成）25概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合箱梁桥—钢腹板组合箱梁桥(钢腹板容易屈曲)

LaFerteSaint-Aubin桥(mm)

(法国)26概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合箱梁桥—波折钢腹板组合箱梁桥

Cognac桥

(法国，1986年完成)31m+43m+31m,3跨连续混凝土顶板体内索波折腹板体外索混凝土底板横隔板体内索波折腹板

波折腹板箱梁的构造27概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合箱梁桥—用波折钢腹板组合箱梁的斜拉桥

栗东桥(日本)

矢作川桥（日本）

28概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合桁架桥—钢桁架腹杆+上下混凝土翼缘板

Arbois桥(法国，1985年完成)29.85m+40.4m+29.85m,3跨连续

横截面的构造29概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合桁架桥—钢桁架腹杆+上下混凝土翼缘板

Boulonnais桥(法国，1997年完成)44.5m+3*77m+93.5m+5*110+93.5m+3*77m+44.5m,15跨连续

钢管桁架腹杆的构造

4m预制节段梁，悬臂施工30概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合桁架桥—钢桁架腹杆+上下混凝土翼缘板

Kinokawa桥(日本，2003年完成)4跨连续，最大跨度85m,全长268m

节点的构造

钢管桁架腹杆31概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合桁架桥—钢桁梁(无上弦杆)+混凝土桥面板

VaihingenViadukt桥(德国)

节点的构造32概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合桁架桥—钢桁梁(有上弦杆)+混凝土桥面板

Lully高架桥(瑞士)29.93m+21×42.75m+29.93m33概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合桁架桥—钢桁架梁(有上弦杆)+混凝土桥面板

Nantenbach铁路桥

(德国)

跨径83.2m+208.0m+83.2m

负弯矩区未设置预应力钢筋

桥墩附近两个下弦杆间浇混凝土

上下弦杆形成双重组合

平衡边、中跨自重34概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合刚构桥—钢箱梁+混凝土墩

横浜绿IC桥（日本,1997年完成）

7跨连续刚构桥

32.3m＋4×40.0m＋42.0m＋40.1m

横梁与混凝土固结35概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合刚构桥—钢箱梁+混凝土墩

阿古耶桥（日本）

3跨连续刚构桥

36m＋36m＋36

钢板梁与混凝土固结36概论--组合结构桥梁的分类及其特点

混合梁桥—钢箱梁+混凝土梁

新川桥（日本，2000年完成）

5跨连续混合梁桥

39.2m＋40.0m＋118.0m＋39.2m＋40.0m

中跨用钢箱梁

37概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合拱桥—钢管混凝土拱

Antrenas桥（法国）

跨度56m

混凝土填充的理由，防止车辆冲击

38概论--组合结构桥梁的分类及其特点

组合拱桥—型钢混凝土拱

用型钢骨架作为拱肋

采用斜拉悬臂施工

闭合后浇注混凝土

39概论--组合结构桥梁的分类及其特点

杨浦大桥（中国，1993年完成）

组合梁斜拉桥

钢板梁+混凝土桥面板

钢箱梁+混凝土桥面板

钢桁架梁+混凝土桥面板

钢梁+混凝土梁斜拉桥二、斜拉桥的结构特点和结构体系受力特点结构特点结构体系技术上的主要问题斜拉桥三、斜拉桥的构造斜拉索

斜拉索的组成

斜拉索的布置

纵桥向：双塔，单塔，多塔

横桥向桥塔型式主梁截面斜拉桥四、斜拉桥实例日本tatara桥

法国Normandy桥

上海杨浦大桥挪威Skarnsundet桥（斯卡恩圣特）香港TingKau桥斜拉桥老挝的竹斜拉桥爪哇的竹斜拉桥斜拉桥纽伦堡萨尔河桥（德国，1824）泰晤士河Albert桥（英国，1873）失败原因：桥梁结构的力学理论缺乏拉索材料的强度不足斜拉桥斯特罗姆海峡桥（瑞典，1955，L:182.6m）复兴条件：近代桥梁力学理论、计算机技术、材料强度、施工技术的很大进展。斜拉桥钢斜拉桥：1999，日本多多罗大桥，L=890m，混合式斜拉桥：1995，法国Normandy桥，L=856m结合梁斜拉桥：1993，上海杨浦大桥，L=602m预应力混凝土梁斜拉桥：1991，挪威Skarnsundet桥 L=530m（斯卡恩圣特）斜拉桥学习阶段： 60年代初传入我国； 1975年四川、上海先后建成试验性钢筋混凝土斜拉桥 （75.8m云阳汤溪河桥，54m新五桥）；

1977年改革开放；1982年建成220m济南黄河大桥推广阶段（80年代，30余座斜拉桥）260m天津永河大桥，288m东营黄河桥（No.1钢斜拉桥），广州海印桥(单索面，B35m)，重庆石门大桥（230m不对称独塔）高潮（90年代）1991上海南浦大桥，1993上海杨浦大桥斜拉桥连续梁与斜拉桥的主梁恒载弯矩斜拉桥的主梁轴力斜拉索的弹性支承作用对横载最有效，车辆荷载次之，风荷载最差。主梁轴力分布随斜拉桥支承条件而变化借助斜拉索的预应力，可以对主梁进行内力调整斜拉桥主梁建筑高度小：与塔柱刚度、索型、索距及索刚度等密切相关 一般做成等高度刚度大（与悬索桥比），变形小，抗风性能好借助斜拉索的作用可减轻施工机具对结构的影响（悬臂施工）斜拉桥斜拉桥的结构体系(a)飘浮体系（b)

支承体系（c)

塔梁固结体系（d)刚构体系(e)协作体系斜拉桥施工问题抗风抗震斜拉索使用寿命(防护、抗疲劳、换索）斜拉桥斜拉索的组成

钢材:抗拉强度高,弹性模量大、抗疲劳性能好(a)平行粗钢筋束(b)平行（半平行）钢丝束（镀锌钢丝7mm）(c)平行（半平行）钢铰线束（钢铰线）(d)单股钢铰缆（各层镀锌钢丝绕芯丝扭转而成）(e)封闭式刚缆（Z形镀芯钢丝组成封闭索）防护措施：黑色聚乙烯套管斜拉桥双塔三跨式：L2/L1多接近2.5 （2~3）斜拉桥独塔双跨式：L2/L1多接近1.5（1.2~2）多塔多跨式提高中塔高度斜拉桥斜拉索横向布置桥塔型式（双塔H/L:0.16~0.22）斜拉桥混凝土主梁钢主梁结合梁斜拉桥斜拉桥斜拉桥斜拉桥斜拉桥斜拉桥斜拉桥宽跨比1/40.8（记录），高跨比1/246.5，高跨比1/5.22，L1/L2:0.36斜拉桥概述悬索桥的历史与发展悬索桥是跨越能力最强的桥型之一，其雏形三千多年前已在我国出现。十九世纪末，悬索桥跨径突破300米，当时的遇到的问题是活载挠度过大，曾通过增大加劲梁刚度来解决这一问题，主梁高跨比用到1/40左右。1888年挠度理论诞生，使人们对悬索桥结构的力学特性有了新的认识。悬索桥的历史与发展(续)1883年，第一座现代悬索桥，美国Brooklyn桥，主跨486m1931年，第一座突破千米的悬索桥—主跨1006米的美国纽约华盛顿桥1937年，主跨1280米的悬索桥，美国旧金山金门大桥1940年，美国华盛顿州

塔科马悬索桥风毁1.概述(续)Brooklyn桥悬索桥的历史与发展(续)1.概述(续)1966年，英国Severn桥，首创流线形箱梁桥面和混凝土桥塔，主跨988米的新型悬索桥1973年，日本第一座现代悬索桥,主跨712米的关门大桥1988年，日本南备赞悬索桥，主跨1100米，采用新型的预制平行钢丝索股代替传统的“空中纺缆法”编制主缆1.概述(续)进入二十世纪后,由于材料(高强钢丝)、施工方法（AS法和PWS法）和计算理论的发展，使悬索桥进入了一个朝低高度主梁、高强度材料和大跨径方向发展的阶段，期间建成了主跨1066米的GeorgeWashington桥(1931年)；主跨1280米的金门大桥(1937年)等。这些桥加劲梁以桁架为主，梁的高跨比在1/150左右。二战后，悬索桥进入了新的发展时期，欧洲各国采用了抗风性能好的薄壁箱形截面加劲梁，其代表是988米的Severn桥(1966年)，此后这种桥型在美国、日本、挪威、丹麦等国家都得到广泛应用。现代悬索桥跨径仍在不断增大，最近建成的超大跨悬索桥有中国江阴长江大桥(主跨为1385米)，丹麦大贝尔特大桥(主跨1624米)和日本明石海峡桥主跨1990米。

1.概述(续)

改革开放后，我国相继建成了汕头海湾大桥、西陵长江大桥(主跨900米)、广东虎门大桥(主跨888米)、香港青马桥(主跨1377米)和江阴长江大桥（主跨1385m）。其中，主跨452米的汕头海湾大桥采用预应力砼加劲梁，在世界同类桥中跨径排名第一。这些桥的建成，不仅填补了我国现代悬索桥的空白，而且使我国跨入了掌握现代大跨悬索桥设计、分析、修建技术的先进行列。1.概述(续)1997年，丹麦大海带桥,主跨1624米悬索桥1997年，中国香港青马大桥,主跨1377米,是当时最大跨度公铁二用悬索桥1998年，日本明石海峡大桥，主跨1991米，是世界最大跨度悬索桥1999年，中国江阴长江大桥，主跨1385米，中国第一座超千米悬索桥1.概述(续)世界大跨径悬索桥一览表1.概述(续)

跨径越来越大，3300m的悬索桥已在规划中梁高与跨径之比越来越小，从。主缆安全系数随跨径增大而降低,已接近2.0。

结构形式多样化按锚固形式分：地锚（隧道锚和重力式锚）、自锚按主缆形式分：平行主缆、空间主缆、单缆按主塔形式分：单塔、双塔、多塔（多跨）

结构整体刚度变小，使结构非线性问题、静力稳定问题、抗风抗震问题更加突出，设计、施工难度加大，要精心设计施工。纵观悬索桥尤其是现代悬索桥的发展过程，可以看到：世界悬索桥现状总结美国流派悬索桥（出现较早，技术成熟）（1）主缆采用AS法架设。（2）加劲梁采用非连续的钢桁梁，适应双层桥面，并在桥塔处设有伸缩缝。（3）桥塔采用铆接或者栓接钢结构。（4）吊索采用竖直的4股骑跨式。（5）索夹分为左右两半，在其上下采用水平高强螺栓紧固。（6）鞍座采用大型铸钢件。（7）桥面板采用RC构件。世界悬索桥现状总结英国流派悬索桥（出现较晚）（1）采用流线型扁平钢箱梁作为加劲梁。（2）早期采用铰接斜吊索，经塞文桥、博斯普鲁斯一桥以及恒伯尔桥的实践之后，在博斯普鲁斯二桥中改回为竖直吊索。（3）桥塔采用焊接钢结构或者钢筋混凝土结构。（4）索夹分为上下两半，在其两侧采用垂直于主缆的高强螺栓紧固。（5）钢桥面板采用沥青混合料铺装。世界悬索桥现状总结日本流派悬索桥（1）采用预制平行钢丝索股架设主缆，简称PWS法。（2）加劲梁主要沿袭美国流派的钢桁梁形式，但近年来对于非双层桥面的加劲梁也开始采用流线型扁平钢箱梁。（3）桥塔主要采用焊接钢结构。（4）吊索沿袭美国流派的竖直4股骑跨式。（5）鞍座采用铸焊混合方式。（6）采用钢桥面板沥青混合料铺装桥面。（7）主缆索股与锚碇内钢构架采用预应力工艺锚固。1.概述(续)几座典型的悬索桥：

美国新的旧金山海湾大桥方案1936年建成的旧金山海湾桥位于旧金山市的东北，跨越旧金山海湾，通往奥克兰及伯克利。全桥以YERBABUENA岛作为分界，分为西桥与东桥。西桥为两联公用一个锚碇的三跨悬索桥，东桥采用钢桁梁。1.概述(续)几座典型的悬索桥：旧金山海湾桥西桥

旧金山海湾桥东桥

1.概述(续)新旧金山海湾桥东桥方案比选几座典型的悬索桥：1.概述(续)几座典型的悬索桥：最后选中的方案是主跨385米的自锚式不对称独柱塔空间索面悬索桥。美国旧金山新海湾大桥（385米）1.概述(续)几座典型的悬索桥：新旧金山海湾桥东桥方案立面

建成后的新旧金山海湾桥1.概述(续)几座典型的悬索桥：Messina海峡大桥最终方案效果图95钢与混凝土的连接—主要内容

钢与混凝土连接◆连接形式的分类与特点◆连接件按照应用形式分类◆连接件按照刚度分类◆圆柱头焊钉连接件◆开孔钢板连接件◆组合连接件96钢与混凝土的连接—连接形式的分类及其特点◆粘结型连接--依靠水泥砂浆的自然粘结作用

连接形式◆粘结型连接◆胶结型连接◆摩擦型连接◆连接件使用型97钢与混凝土的连接—连接形式的分类及其特点◆胶结型连接—利用环氧树脂等有机材料

*环氧树脂相对于砂浆粘结力大。

*环氧树脂不浸透混凝土内部，抗分离能力弱。胶结剂粘结力98钢与混凝土的连接—连接形式的分类及其特点◆摩擦型连接—利用高强螺栓增大压力，从而提高摩擦力

*抗剪强度增大的同时，抗拉拔力也增强。

*伴随着高轴力，轴力会因徐变降低。摩擦力拉拔力高强螺栓99钢与混凝土的连接—连接形式的分类及其特点◆连接件使用型—利用圆柱头焊钉等◆剪力钉◆剪力键◆剪力连接件◆栓钉◆焊钉通称为连接件100钢与混凝土的连接—连接件按照应用形式分类◆钢筋连接件—弯起钢筋、轮形钢筋、螺旋钢筋

连接件◆钢筋连接件◆型钢连接件◆圆柱头焊钉连接件◆开孔钢板连接件◆钢与有机材料组合连接件101钢与混凝土的连接—连接件按照应用形式分类◆型钢连接件—角钢、T形钢、槽钢、工字钢

*抗剪强度大

*抗分离能力稍差

*用贴角焊缝，焊接量大102钢与混凝土的连接—连接件按照应用形式分类◆焊钉连接件—圆柱头型、螺纹型、螺丝型

*力学性能不依存方向

*抗分离能力强

*使用专用焊接机，质量容易保证103钢与混凝土的连接—连接件按照应用形式分类◆开孔钢板连接件—受力方向焊接的开孔钢板

*抗剪刚度大，抗疲劳性能好

*圆孔中贯通钢筋，抗剪强度增大

*焊接容易104钢与混凝土的连接—连接件按照应用形式分类◆钢与有机材料组合连接件—焊钉根部或型钢腹板等处设置泡沫塑料、环氧树脂等，刚度容易调节。泡沫塑料105钢与混凝土的连接—连接件按照刚度分类◆刚性连接件—型钢连接件、开孔钢板连接件等

连接件◆刚性连接件◆弹性连接件◆柔性连接件◆刚度滞后连接件支压力106钢与混凝土的连接—连接件按照刚度分类◆弹性连接件—钢筋连接件、焊钉连接件焊钉连接件：随着杆部弯曲变形，产生一定相对滑移。支压力◆柔性连接件—钢与有机材料组合连接件◆刚度滞后型连接件—钢与有机材料组合连接件107钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

焊钉应用形式—按头部朝向分为正立、倒立、侧立、面立◆随着焊钉所处位置的不同，根部的混凝土密实度不同，而焊钉根部附近受到的支压应力在高度方向上最大，根部周围混凝土的密实度极大地影响着其力学性能。108钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

抗剪性能试验方法：◆片侧加载：是H型钢片侧用焊钉连接混凝土块，这是美国在进行疲劳剪切强度试验时较采用的形式之一，比较接近组合梁的力学状态，但是作用在混凝土块上的荷载容易产生偏心，并不常用。109钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

抗剪性能试验方法：◆两侧加载：是H型钢两侧都用焊钉连接混凝土块，两侧焊钉基本上可以保持纯剪切状态，是许多国家的相关规范推荐使用的方法之一。砂浆球支座110钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

抗剪性能试验—需要测试的连接件力学参数◆最大剪切作用力：是指每根连接件抗剪承载力。◆最大滑移量：是指最大剪切作用力所对应的滑移量。◆剪切刚度：依据剪切作用力与滑移量关系曲线，把通过最大剪切作用力1/3大小处的割线倾斜度设为剪切刚度。◆残余滑移量：是指当荷载卸载为零时的滑移量。◆屈服剪切作用力：是指剪切作用力与滑移量的变化曲线开始显著倾斜时所对应的剪切作用力。111研究代表者表现形式计算式Slutter,R.G.公式Menzies,J.B.图表Ollgaard,J.G.公式Hawkins,N.M.公式Roik,K.公式图表Hiragi,H.公式钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

焊钉连接件的力学性能

--抗剪承载力的计算112钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

焊钉连接件的力学性能

--抗剪承载力的影响因素

◆焊钉的杆部直径ds

◆包括头部的高度hs

◆焊钉屈服强度fy

◆混凝土的抗压强度fc

◆弹性模量Ec

◆焊钉杆部的截面积As

113钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

焊钉连接件的力学性能

--抗剪承载力回归计算式◆主要影响因素，有焊钉杆部直径ds、高度hs及其混凝土抗压强度fc◆通过回归分析179个试件的试验数据，得出的抗剪承载力计算式：

114钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

焊钉连接件的力学性能

--拉拔破坏模式◆焊钉拉断：当埋设较深、混凝土强度较高时焊钉拉断。◆焊钉拔出：当埋设较浅、头部直径小时焊钉从混凝土中拔出。◆混凝土圆锥形破坏：当埋设较浅、头部直径大时，形成圆锥形破坏面。◆混凝土压裂破坏:当埋设较深、并位于构件边缘时，混凝土被挤压破坏。◆混凝土割裂破坏：当混凝土构件较薄时，混凝土发生割裂破坏。(b)焊钉拔出(a)焊钉拉断(c)混凝土圆锥形破坏(d)混凝土割裂(d)混凝土压裂115钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

焊钉连接件的力学性能--抗拉拔承载力的计算表2.2.2抗拉拔承载力的既往研究研究代表者计算式系数k0值Leigh-University1.207Sattler,K.0.953Utescher,G.0.964CEB-ECCS1.283PCIDsignDataBook1.207Bode,H.11.3McMackin,P.J.0.272Otani,Y.11.3Hiragi,H.0.227116钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

焊钉连接件的力学性能

–拉拔力与剪力共同作用的试验结果◆焊钉直径19mm、全长80mm。◆每根焊钉所施加的拉应力为0.965MPa。◆当有拉力时，剪切刚度与残余滑移量减少，抗剪承载力降低。

(b)有拉应力(a)无拉应力剪力(kN)滑移量(mm)滑移量(mm)剪力(kN)117钢与混凝土的连接—圆柱头焊钉连接件

焊钉连接件的力学性能

–焊钉群的使用背景

◆把几个焊钉以较小的间距集中设置即形成群体，再以较大的间距把焊钉群设置在翼缘长度方向上，施加预应力后，再用无收缩砂浆填充预留孔。◆在桥面板纵橫向上能够有效地施加预应力◆钢梁不会因预应力的施加而产生附加应力◆可应用于现场浇灌或预制的桥面板◆减轻干燥收缩对混凝土桥面板的影响◆可以用于组合桁架梁的节点附近118钢与混凝土的连接—开孔钢板连接件

开孔钢板连接件的力学性能--作用机理

◆作用机理主要有三个方面：一、依据孔中混凝土的抗剪作用承担沿钢板的纵向剪力；二、依据孔中混凝土的抗剪作用承担钢与混凝土间的掀起力；三、与型钢连接件相同、依据钢板受压承担面外的横向剪力。面内方向滑移面内方向掀起面外方向滑移开孔钢板连接件钢板119钢与混凝土的连接—开孔钢板连接件

开孔钢板连接件的力学性能

–破坏模式

◆两孔之间的钢板发生剪切破坏；◆圆孔中的混凝土发生割裂破坏；◆圆孔中的混凝土发生剪切破坏；◆圆孔中的混凝土发生压缩破坏。

圆孔中混凝土的破坏模式(c)压缩破坏(a)割裂破坏(b)剪切破坏120钢与混凝土的连接—开孔钢板连接件

开孔钢板连接件的力学性能

–抗剪强度影响因素

◆开孔钢板的厚度◆开孔钢板的孔径◆开孔钢板的圆孔间距◆多块开孔钢板的间距◆混凝土强度◆贯通钢筋的有无◆贯通钢筋的直径121钢与混凝土的连接—开孔钢板连接件

开孔钢板连接件的力学性能

--抗剪强度的计算

◆开孔钢板连接件属于刚性连接，一般在设计时需要先验算板厚及其孔距，保证在孔中混凝土发生剪切破坏前，圆孔间钢板不会发生剪切破坏◆

最早基于试验结果，贯通钢筋的影响不直接反映在抗剪强度计算中，提出的抗剪强度与孔径、混凝土强度有关的计算式为：

◆

认为贯通钢筋的影响较大，应该加以直接考虑，并通过试验数据的回归分析，提出的计算式为：

122钢与混凝土的连接—开孔钢板连接件

开孔钢板连接件的力学性能

--技术特点

◆仅仅是普通的钢板上设置园孔，不需要特别进行加工；◆沿钢板两面用角焊缝焊接，不需要专用的焊接设备；◆圆孔中可以贯通主钢筋，改善了钢筋布置的施工性；◆开孔钢板沿着翼缘纵向布置，可以起到加劲板的作用；◆抗剪刚度、强度较大，当设置贯通钢筋后进一步增大；◆破坏是孔中混凝土剪切破坏、不受疲劳的影响。123钢与混凝土的连接—开孔钢板连接件

开孔钢板连接件

–应用实例

◆日本高速铁路上的高架桥◆钢管混凝土主梁与混凝土顶板的组合梁◆跨径：34.95m+36.0m+34m◆钢管内填充轻质混凝土124钢与混凝土的连接—钢与有机材料组合连接件

柔性连接件—使用底硬度环氧树脂、或泡沫塑料包裹根部

◆使用背景：在非组合梁或非组合段设置的连接件仅仅起到固定桥面板的作用，设计时并不加以考虑，但是，剪力的作用是不可避免的，连接件时常发生疲劳断裂等现象。这种情况下就要求使用刚度较小、而且又可以起到固定作用的连接件。◆力学特点：

达到降低剪切刚度的目的，同时焊钉的头部或型钢的翼缘所承担的抗拉拔作用又可以保持。125钢与混凝土的连接—钢与有机材料组合连接件

柔性连接件—剪力与相对滑移曲线的试验结果

◆焊钉为直径19mm、高度120mm，其中一根在高度30mm范围内沿圆周方向涂抹厚度9mm的树脂。◆柔性焊钉初期刚度小，剪力维持在强度的1/3左右持续滑移变形，然后上升。◆对应于最大剪切作用力时的滑移量增加了大约3倍，抗剪强度略有提高。◆设置与否，最终焊钉都是杆部剪断，所以抗剪强度的增加极其有限。◆焊钉根部不予混凝土直接接触，靠杆部弯曲性能承担剪力，抗疲劳性能较好。(b)柔性焊钉(a)普通焊钉剪力(kN)剪力(kN)滑移量(mm)滑移量(mm)剪力(kN)126钢与混凝土的连接—钢与有机材料组合连接件

刚度滞后连接件—使用高硬度环氧树脂、并配合硅砂

◆构造特点：

1.使用树脂砂浆为高硬度；

2.包裹高度大约需要焊钉杆部高度的2/3；

3.厚度要依据对焊钉自由滑移量的要求来决定；

4.要求涂抹在钢板表面上的粘度要低；

5.包裹在焊钉杆部的粘度要高。圆柱头焊钉包裹树脂涂抹树脂127钢与混凝土的连接—钢与有机材料组合连接件

刚度滞后连接件—树脂试件的压缩试验结果

◆硬化后树脂砂浆的压缩强度远远高于混凝土的强度，与硅砂的配合无关。◆包裹焊钉杆部、粘度高的树脂砂浆的弹性模量，当硅砂配合比为0.8时大约是混凝土的1/2。◆涂抹钢板表面、粘度低的树脂砂浆的弹性模量，当硅砂配合比为0.3时大约是混凝土的1/5。◆所有的树脂砂浆的泊松比与硅砂的配合无关，大约为0.35。粘度高低硅砂配合比压缩强度(MPa)弹性模量(GPa)泊松比ν高粘度0.01036.80.370.712113.00.290.813415.30.32低粘度0.01304.10.380.31316.50.35128钢与混凝土的连接—钢与有机材料组合连接件

刚度滞后连接件—剪力与相对滑移曲线的试验结果

◆不管是否配合硅砂、硬化前还是硬化后，抗剪承载力最终都与无树脂包裹的焊钉非常接近。

◆硬化前，连接件的作用力在滑移量，一直到8mm左右都保持着抗剪承载力的约1/5，然后开始上升，这个滑移量与树脂砂浆包裹厚度相对应。

◆与无树脂包裹焊钉相比较，硬化后，硅砂配合比为0.8的包裹焊钉的剪切刚度几乎相同，抗剪承载力稍大；而不添加硅砂时剪切刚度降低许多。滑移量(mm)剪力(kN)滑移量(mm)硬化前硬化后硬化前硬化后滑移量(mm)(a)无包裹焊钉(b)含硅砂焊钉(c)无硅砂焊钉剪力(kN)剪力(kN)129钢与混凝土的连接—钢与有机材料组合连接件

刚度滞后连接件—应用背景

◆用于组合梁使用普通焊钉连接件时，部分预应力被钢梁分担；使用刚度滞后型连接件时，预应力就能够有效地施加给混凝土。(a)无包裹焊钉(b)有包裹焊钉组合梁上施加预应力时主要内容悬索桥的组成悬索桥的形式悬索桥的各部分构造悬索桥的设计第一部分悬索桥的构造与设计一、

悬索桥的组成组成：悬索桥是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚碇、吊索等构件构成的柔性悬吊体系，其主要构成如下图所示。成桥时，主要由主缆和主塔承受结构自重，加劲梁受力由施工方法决定。成桥后结构共同承受外荷作用，受力按刚度分配。主缆是结构体系中的主要承重构件；通过塔顶索鞍悬挂在主塔上并锚固于两端锚固体中的柔性承重构件。主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件；支承主缆的重要构件。加劲梁是悬索桥承受风荷载和其它横向水平力的主要构件，提供桥面和防止桥面发生过大的挠曲变形和扭曲变形，主要承受弯曲内力。吊索是将加劲梁自重、外荷载传递到主缆的传力构件，是连系加劲梁和主缆的纽带。锚碇是锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力传递给地基。悬索桥各部分的作用地锚式与自锚式悬索桥地锚式：主缆拉力依靠锚固体传递给地基。自锚式：主缆拉力水平分力直接传递给加劲梁（轴向压力）承受；竖直分力（较小）由端支点承受。适宜：跨度不大、软土地基、城市桥等。双链式悬索桥（小跨度悬索桥）双链式悬索桥的恒载及均布活载由上下链平均负担，非均布活载以及半跨活载时结构的受力及变形特性较好，分散构件受力可减小构件截面尺寸和单件重量；缺点：构件增多分散，安装及养护维修不利。二、悬索桥的形式地锚式悬索桥的孔跨布置形式(力学体系)单跨：适于边跨建筑高度小、曲线边跨。由于边跨主缆的垂度较小对荷载变形有利，架设主缆时索鞍预偏量较大；梁端用吊杆或者摆柱作支撑的悬浮体系，纵向位移不受限制。1385米江阴大桥。三跨：最常见。两跨：（单边跨）一岸建筑高度小和曲线边跨时。1377米青马大桥。多跨：因中间桥塔和两边桥塔的塔高不同导致主缆垂度偏大，悬索桥整体刚度降低，非均布活载下塔顶变位及加劲梁挠曲变形和弯矩较大；固有振动频率降低。故中塔必须加大刚度（4柱立体桥塔）或者减小主缆垂跨比。悬索桥的形式（续）单塔悬索桥效果图单塔悬索桥直布罗陀跨海大桥空间主缆悬索桥南备赞悬索桥刚性缆索体系悬索桥三、悬索桥的构造主缆

材料有效拉应力大；拉伸延伸率小；弹模大；截面密度大；疲劳强度高、徐变小；成缆锚固及防锈容易；价廉物美。

类型钢丝绳主缆：钢绞线绳、螺旋钢丝绳、封闭式钢绞线索等，适于600米以下；平行丝股主缆：采用空中绕线法——AS法或者预制丝股法——PS法），适于400米以上，是现代悬索桥主缆的主流结构类型。大跨多采用耐疲劳的高强钢丝，因为钢绞线虽然施工方便，但弹模较低使结构变形增大，截面形状不易按照设计形状压紧，防腐较难，适于中小跨度。

结构形式双面平行主缆（绝大多数）；单面主缆；空间主缆；复式主缆（双链吊桥：朝阳大桥）。

截面形状（六角形）尖顶形：将钢丝索故在竖向排列，列间插放隔片有助于通风和保持真圆度较高的截面形状，截面温度均匀。主缆施工之初的钢丝定位较难。平顶形：下层的钢丝索股会受到较大的挤压力，截面水平直径较竖向直径大。方阵式：竖横双向均利于插放隔片，钢丝束股数目较为灵活，紧缆机操作时也较容易形成圆形截面。悬索桥的构造——主缆方阵式主缆断面施工中的主缆断面主缆编制方法AS法：通过牵引索作来回走动的编丝轮，每次将两根钢丝从一端拉到另一端，待钢丝达到一定数量后（可达400～500根）编扎成一根索股。钢束股数较少，便于集中锚固，起吊设备轻便；架设主缆时抗风较弱所需劳动力也较多。PS法：避免了钢丝编成钢丝束股的作业从而加快主缆的施工进度，但要求大吨位的起重运输设备和拽拉设备来搬运钢丝束股。目前多采用61、91、127Φ5左右钢丝，最重可达40吨。悬索桥的构造——主缆AS法

示意图主缆断面AS法示意图主缆的防护（不可更换的主要受力构件，必须防腐）锈蚀原因：架设期间水份进入；防护完成后因主缆线形变化、温度变化引起伸缩而导致粗糙表面的油漆开裂和索夹上受损的密封部位开裂，水的渗入导致主缆湿度高而锈蚀。防护方法：施工期间镀锌钢丝外涂底漆或者树脂类，然后手工满刮腻子，再缠绕钢丝（退火镀锌Φ4钢丝），最后作外涂装。

改良措施：以S形截面的缠绕钢丝代替圆端面钢丝，使主缆表面光滑、丝丝相扣，油漆不易开裂、水不能渗入。开空气导入法：将除湿机产生的干燥空气用管道输送，通过入口索夹输入主缆，经出口索夹排出主缆（出入口索夹间距140米左右），一般可维持相对湿度在40％以下。悬索桥的构造——主缆悬索桥各部分构造——吊索（吊杆）吊索布置形式：竖直；倾斜（提高整体振动时的结构阻尼值）。材料：刚性吊杆（少量小跨：圆钢或钢管）；柔性吊索：钢丝绳或者平行钢丝索（多采用）。钢丝绳索绳心式：以一股钢丝绳为中央形心，外围用钢丝束股围绕扭绞而成。股心式：7股钢丝束股扭绞而成，中央一股为股心。

注意：钢丝束股的扭绞方向与其间钢丝的扭转方向相反。平行钢丝索（PWS）：多根Φ5～7镀锌钢丝外加PE套管。索夹作用：刚性索夹与柔而松的主缆索体间的连接为不稳定连接。依靠摩擦力来保证主缆在受拉产生收缩变形时也不致滑动。构造：六边形（中小跨）：少用；圆形：一对铸钢半圆构件以高强螺栓相连接，依靠高强螺栓拧紧后的拉力来提供足够索夹固定位置的摩擦阻力，两半圆构件之间留有一定空隙，以保证螺栓拉力，空隙内填防腐料；索夹半圆内表面加工后不能磨光。

骑跨式：索夹上半部有4各凸肋形成两条凹槽；销铰式：下侧半索夹下带有耳式吊板供销铰连接用。悬索桥各部分构造——索夹悬索桥各部分构造——索夹吊索与索夹的联结方式（钢丝绳）4股骑跨式：两根两端带锚头的钢丝绳索绕跨在索夹顶部的嵌索槽中，锚头与加劲梁连接。不宜用平行钢丝索，索夹分左右两半。双股销铰式：两根下端带锚头、上端带销铰的钢丝绳索或平行钢丝索，上端利用销铰与索夹下的耳板（吊板）连接，下端用锚头或者同样用销铰与加劲梁连接。索夹分上下两半。悬索桥各部分构造——索夹

主缆与索夹的连接方式吊索与主缆连接

4股骑跨式吊索与主缆连接

双股销铰式

索箍

索夹图为香港青马桥图为骑跨式吊索

与主缆（索夹）

以及与加劲梁

之间的连接桥塔材料：圬工（古老、小跨简易）；钢筋砼（框架式；实心矩形或者箱形）最高155米；钢（框架式、桁架式；箱形、多格箱形、H形）。桥塔纵向结构形式：摇柱塔（摆动式）：单柱塔下设铰、塔顶索鞍固定于塔，适于小跨。柔性塔：一般为下端固定式，塔顶水平变位量相对较大，适于大跨。刚性塔：塔顶水平变位量相对较小，单柱或者A形，多用于多跨悬索桥的中间塔柱，纵向刚度较大，塔顶位移小从而减小加劲梁内的应力。悬索桥各部分构造——塔悬索桥各部分构造——塔桥塔横向结构形式：刚构式（框架式）：单层或者多层门架，明快简洁。桁架式：若干组交叉的斜杆与水平横梁组成桁架，施工时稍显困难。混合式：仅在桥面以下设置交叉斜杆以改善受力和经济性能。塔柱横向可竖直或者稍带倾斜（斜柱式）或转折点（折柱式），后两者稳定性能好且较为经济。

现代认为钢筋砼刚构式桥塔是悬索桥的桥塔最佳选择。虎门大桥主塔乔治华盛顿桥Panay-Guimaras锚碇（用于地锚式悬索桥）基本组成：主缆的锚碇架及固定装置、锚块、锚块基础。基本分类：重力式锚碇、隧道式锚碇、岩锚。重力式锚碇：依靠锚块自重来抵抗主缆的竖直分力，水平分力则由锚碇与地基之间的摩阻力（包括侧壁的）或者嵌固阻力来抵抗。前锚式：主缆采用PS法施工时的缆索锚固方式，支承（定位）钢构架与传力钢构架的结合。后锚式：主缆采用AS法施工时的缆索锚固方式，铸钢索靴与眼杆的结合。现代预应力锚拉工艺：近期已经陆续取代前两者。悬索桥各部分构造——锚碇悬索桥各部分构造——锚碇隧道式锚碇（岩洞式）：主缆散开后各索股通过岩洞中的混凝土锚块内埋设的锚梁与拉杆的伸出端连接，并利用预应力工艺调整松紧。岩锚（岩孔锚）：各索股先分散在各个岩孔内（每股一个孔），最后再进入锚固室。主缆经散索鞍转向并在散索室分散后，每根钢丝索锚拉在钢杆上，钢杆再锚拉在浇注在传力块体内的锚板上，各钢杆与插放在各钻孔内的后张力筋连接，力筋最后在锚固室内张拉后防腐。重力式锚碇（采用较多）隧道式锚碇

重力式锚碇用于持力层位于地表以下20～50米较合理；过深可以采用深基础：沉箱、沉井、桩、管柱等。隧道式锚碇用于基岩外露处，主缆各索股集中在一个岩洞内锚固。挪威研究的新型锚碇，例如“瑞典高海岸大桥”，构造简单而经济。重力式锚碇外观图

图a）为现代预应力锚固系统（前锚式）图b）为一般后锚式锚固系统青马大桥锚碇索靴特殊锚碇多跨悬索桥的共用锚墩三角形空腹构架式重力锚平板式重力锚软土层中的深基础重力锚悬索桥各部分构造——锚碇三角形空腹构架式重力锚丹麦大海带桥悬索桥各部分构造——加劲梁结构形式：钢板梁钢桁梁钢箱梁砼箱（板）梁比较项目加劲梁形式钢桁梁钢箱梁砼箱梁抗风性能涡流激振最不易发生易发生不易发生自激振动可能性大可能性小静态阻力系数大小小风致变形大小小结构刚度小大结构梁高高低低用钢量最大低最低桥面系一般与主梁分离一般与主梁结合为整体为主梁的一部分制造制造杆件多，节点结构复杂，标准化大量生产困难箱梁由板构件组成，标准化大量生产容易工厂预制节段，标准化生产容易施工架设单根杆件平面构件立体节段多样化节段法架设或与现浇节段并用预制节段法养护养护维修油漆养护难油漆养护方便一般无需养护桥面菲结合型损伤时易与主梁结合损伤难维修损伤时易维修钢板梁的横截面悬索桥各部分构造——加劲梁钢桁架的横截面：双层公路桥面钢桁架梁公铁两用的双层桥面钢桁架梁单层桥面钢桁架梁流线型闭合式桁架箱梁——香港青马大桥钢桁架加劲梁的特点：通透梁体，抗风稳定性好；空间桁架结构，抗扭刚度较大；不易产生颤振、抖振和涡激共振。悬索桥各部分构造——加劲梁一般桁架加劲梁横截面在两片主桁架的外围，沿着桥梁纵向每隔4.5米加设一道包括上下桥面系横梁、两侧尖端形导风角与中间两根立柱等构件组成的六边形横向主框架，在导风角部分用1.5毫米后的不锈钢板围封。这样连同上下横梁部分的正交异性钢桥面板，组成一个类似与钢箱梁的封闭性截面。上层桥面的中央3.5米宽度部分和下层桥面的铁道桥面系部分均以交叉的斜杆代替正交异性板，整个截面中央部分形成一条纵向的上下通风道，对抗风极为有利。

闭合式

钢桁梁横截面香港青马大桥汲水门大桥（斜拉桥）钢箱梁的特点采用正交异性钢桥面板和带加劲肋的薄钢板组成，能充分发挥薄钢板比厚钢板力学性能好的优点，利于焊接，同时，正交异性板具有很高的承载力，截面设计更为经济合理。为提高梁体抗失稳能力，纵向每隔一定间距设置框架横联或横向联结系，相邻两横联之间可加设横向加劲肋，支座处横联更应加强；为保证翼缘板及腹板屈曲稳定，受压区架设纵向加劲肋(多为闭口纵肋：抗扭刚度大；屈曲稳定好；外侧贴角焊缝长度减少一半)，连续贯通的纵肋可作为翼缘板截面的一部分予以计算。

悬索桥各部分构造——加劲梁钢箱梁内部构造钢箱梁的横截面：扁平棱形钢箱梁增设抗风分流板的扁平棱形钢箱梁流线型钢箱梁增设抗风分流板的流线型钢箱梁悬索桥各部分构造——加劲梁1500米以上的悬索桥尽可能采用开槽分离箱，及其它导流稳定措施才能满足要求。加劲梁宽达60.4m，由3个纵向的钢箱、钢箱梁之间的钢桥面板和钢横梁等三部分组成。钢横梁的立面作成倒梯形，中间部分高约5m。横梁间距30m，纵向箱梁净跨径26m。主跨的宽跨比为1/54.6。能够经受高于216Km/h的大风；公路平台能够承受大于140,000辆/天的交通量；双线铁路允许通过列车200辆/天。

（3300米方案）钢箱加劲梁横截面Messina海峡大桥青龙大桥布置图箱型加劲梁截面构造中央开槽箱梁混凝土加劲梁的横截面：预应力混凝土箱梁

在总用钢量上稍有减少，抗风、变形（刚度）较好，流线型梁体外形美观、养护容易；但总造价偏高，施工架设胶南、工期长，抗震性及适应性较差，吊索及索夹工作量加大。

汕头海湾大桥：单箱三室预应力混凝土箱梁预应力混凝土板梁悬索桥各部分构造——加劲梁汕头海湾大桥（452米）砼箱加劲梁横截面

加劲梁的桥面构件：钢筋混凝土桥面板钢桥面板桥面板上的铺装层要求：高温稳定性、低温抗裂性、常温抗疲劳性、防水性。多以热铺改性沥青混凝土（浇注式或摊铺式）为主，其上为磨耗层，其下为与钢桥面板之间的粘结层与防水层。悬索桥各部分构造——加劲梁桥面铺装层的几种常见铺装方法:1）单层浇注式混凝土（欧洲）

2）下层浇注式沥青混凝土，上层为密级配摊铺式沥青混凝土（或者SMA）（日本）

3）上、下层分别采用不同粒径石料的SMA（中国）

4）单层环氧沥青混凝土（美国）重点是确定铺装层结构形式和厚度。一般：单层3.5～5cm，双层6.5～8cm。悬索桥各部分构造——加劲梁索鞍（鞍座）支承主缆的支承件或配件类型：塔顶主索鞍；支架副索鞍：边跨靠近岸端的墩架或钢排架的顶部，改变主缆在竖平面内的倾角。也可不设。展束锚固索鞍：多设置在桥台上，使构成主缆的许多钢丝束股在水平向及竖直向分散开的支撑鞍座，并导引各索股入锚固部分。悬索桥各部分构造——索鞍塔顶主索鞍主要构件：鞍槽、腹板底板和加劲肋板等（腹板传递鞍槽压力，横肋加强）。布置形式：两块斜腹板：大部分鞍下应力由斜腹板直接径塔柱两侧横壁板传给桥塔、单（两）块竖腹板：大部分压力经鞍座板间接传递给塔柱顶板。塔顶鞍槽的纵向曲率半径：纵向圆弧半径（可为纵向非对称多段圆弧）不小于主缆直径的8～12倍，入口处鞍槽半径局部略小以防破坏主缆防腐。鞍槽的截面形状：配合主缆钢丝索股的排列形状。制造方法：全铸、铸件鞍槽＋焊接钢板（铸焊）——倾向、全焊。悬索桥各部分构造——索鞍散索鞍构造形式为调节主缆在各种条件下的长度变化，散索鞍由辊轴、摇轴支承，或者作成摆柱构件。鞍槽的纵向曲率半径入口处鞍槽形状与塔顶鞍槽相同，出口处略小，满足转向和散索。鞍槽的截面形状配合主缆钢丝索股的排列形状。悬索桥各部分构造——索鞍香港青马桥主索鞍虎门主索鞍江阴主索鞍展束锚固索鞍

（散索鞍）小海带桥四、悬索桥的设计

悬索桥悬索桥的美学考虑国际著名建筑美学专家JENSENPoulOve认为：美的可感知性和结构的实在性之间具有强烈关系，最有效地挖掘材料强度和材料特殊属性的结构形式是最美的。主要构件为受拉或承压的结构通常比受弯结构更容易感知，悬挂结构的美学潜能是十分优越的。

具有柔梁和悬挂系统的大跨度桥梁具有内在美，给设计者提供了一个创造真正伟大设计的机会。但是，是否能够成功依赖于设计者的意愿和能力。有意识地和一致地设计所有构件，不但要满足指定功能，而且在视觉上相互补充而形成一个整体。缆索承重桥梁的美学考虑（续）悬索桥的美学比例（1）边跨跨经应小于主跨跨经的一半。可达0.21～0.31（2）桥下空间应呈扁平，桥面越高，跨经越大（3）加劲梁易扁平，使空气动力性能好而外形纤巧（4）锚碇安全而不过于庞大（5）桥塔结构简洁而不失雄伟悬索桥的设计悬索桥的设计悬索桥的总体设计

适用范围

1000米以上几乎是唯一可选桥型；300～1000米之间采用砼加劲梁也可与斜拉桥竞争。

与其它大跨度桥梁的比较选择拱桥：主拱是压弯构件，过大的轴力和弯距会使其失稳，材料强度很难发挥；拱质量中心较高，不利于抗震；施工抗风难。斜拉桥：受压弯的加劲梁在跨度很大时恒载压力巨大，截面尺寸势必加大；跨度较大时刚度较好；施工抗风难。

结构特性要点跨度比垂跨比宽跨比高跨比加劲梁的支承体系主缆与加劲梁的特殊联结悬索桥的设计跨度比（边跨与中跨之比）一般取值自由度较小，为0.3～0.5。单位桥长用钢量随跨度比的减小而增大；结构的竖向变形及竖向挠角随跨度比的减小而减小；取消悬吊的边跨加劲梁又导致结构的整体刚度降低。大跨悬索桥多小边跨来增加刚度的同时又使用钢量较省，跨度比在0.2～0.4之间。悬索桥的设计——结构特性要点Messina海峡大桥立面图

Messina海峡大桥最终方案选用主跨为3300m的悬索桥，本土侧和西西里岛侧的边跨分别为810m和960m，共长5070m。除主跨全长用竖直吊索悬吊加劲梁之外，两个边跨都是在桥塔附近较短的局部区段内设有竖向吊索，在西西里岛侧由于地形较高设有若干短跨小墩。

跨度布置实例：垂跨比（主缆矢跨比）（f/l）一般取值范围为1/9～1/12。垂跨比对主缆拉力影响较大，垂跨比越小主缆拉力越大，从而所需主缆截面面积越大，增加单位桥长用钢量。钢桥塔的用钢量随垂跨比的增加而增加。钢桥塔时，总用钢量随着垂跨比的加大而略有降低；混凝土塔时，大跨径的总用钢量随着垂跨比的增加而略有增加。垂跨比越大，悬索桥的竖向、横向整体刚度越大。对振动特性的影响：垂跨比增大时：竖向挠振固有频率和极惯矩降低；扭振固有频率增大。悬索桥的设计——结构特性要点

高跨比（加劲梁高与主孔跨度之比）悬索桥加劲梁在恒载作用下除了承受与吊索节间长度有关的挠曲应力外，一般处于无应力状态，所以加劲梁高度与主孔跨度基本没有关系。减小加劲梁竖向变形的有效办法是减小跨度比而不是增大加劲梁高度。一般而言，桁架式加劲梁的高度为8～14米，箱型加劲梁高度为2.5～4.5米。已建桁架式加劲梁悬索桥的高跨比大致在1/180～1/70；箱型加劲梁悬索桥的高跨比大致在1/400～1/300；

问题：扁平钢箱梁的流线型设计有利于风动稳定，但高度太小会导致加劲梁抗扭刚度削弱太多，容易导致涡振和抖振发生而导致结构疲劳。因此，一般控制高宽比在1/7～1/11。悬索桥的设计——结构特性要点

宽跨比

一般中小跨度桥梁：（B/l）一般取值范围为大于等于1/20。但是大跨度悬索桥的宽跨比尚无合理而科学的标准。一般而言，宽跨比越大，梁体越宽，梁体横向挠曲刚度越大，可以非常有效地减小边跨梁体的横向最大挠角以及主跨梁体的横向最大挠角（对主跨梁体的横向最大挠度减小不是很显著）。已建大跨度悬索桥的宽跨比大致在1/40～1/60。悬索桥的设计——结构特性要点悬索桥的设计——结构特性要点加劲梁的支承体系：（塔墩处是否连续）简支（双铰）体系：适于边跨建筑高度小、曲线边跨。由于边跨主缆的垂度较小对荷载变形有利，架设主缆时索鞍预偏量较大；梁端用吊杆或者摆柱作支撑的悬浮体系，纵向位移不受限制。不太适合铁路桥。

1385米江阴大桥。连续体系：加劲梁挠度（竖向及横向）、梁端角变位及伸缩量较小。但是，主塔支点处产生较大弯距；梁穿过塔，使塔柱间横向间距大，基础尺寸也相应加大；制造、架设误差以及基础的不均匀沉降对加劲梁应力影响较大。单跨悬索桥中的一些特殊布置：单跨悬索桥加劲梁在两个非悬吊的边跨内各带有连续伸出段。可有效减小变形。悬索桥的设计——结构特性要点主缆与加劲梁的特殊联结及其它：传统做法：主缆只通过吊索与加劲梁联结。特殊做法：主跨中点将主缆与加劲梁直接固结。优点：可以减小非对称荷载作用下的挠度，提高纵向位移的复原力，减小正常情况下活载引起的振动以及风荷载和地震荷载引起的纵向位移量。1959年法国首创，现逐渐广泛。

布置方式：主跨跨中设计特殊夹具连接主缆与加劲梁；主跨跨中设计一对相对的短斜索；主跨跨中（中斜索）以及边跨端部（端斜索）设计一对相对的短斜索。悬索桥的减振措施主要包括：纵向弹性支承，主缆在跨中与主梁固接、抗风索悬索桥的设计——结构特性要点

主缆

主缆设计主要内容如下

几何线形的确定：主缆中心线控制点理论高程计算；矢跨比的选择（1:9～1:11）；m↓时,全桥刚度↑,主缆拉力↑。

截面及预制平行钢丝束布置；空隙率约为0.17～0.21左右，备由着色观察钢丝和标准长度钢丝各一根，沿索长全使用长度内不能有接头，2米左右布置定型强力胶带。

主缆无应力长度的计算：主缆成桥态长度；一、二期恒载作用下的弹性伸长；自由悬挂状态的伸长；无应力长度。悬索桥的设计——主缆主缆的重力刚度

吊索及索夹

吊索：现代吊索索力计算时应考虑加劲梁的荷载分配效应。设计拉力的荷载组合为：恒载＋活载＋温度效应＋制造误差＋架设误差＋弯曲二次应力。安全系数取值在3.1~4.5之间。吊杆间距影响桥面构造以及桥面系材料用量，一般为5～8米，最大可达25米以上。

索夹：螺栓预应力损失在30％～50％。

截面尺寸的设计：a.直径的确定；b.应力验算：环向拉应力；圆周向弯曲应力；顺桥向弯曲应力；主缆直径平面的平均压力。

螺栓的预应力损失：主缆受力变细、镀锌层蠕动、钢丝变位；螺栓时效；索夹变形；温差等。

抗滑安全度：定期紧固螺栓；考虑了螺栓预应力损失后安全系数不应低于3。悬索桥的设计——吊索加劲梁（直接承受竖向荷载；抵抗横向风压；抗震）钢桁梁：

桁架设计：沿跨度等高；腹杆多为加竖杆的三角形；杆件多为四支角钢和钢板组成的H型截面，较长杆件可为箱形截面；桁架间按刚度控制设计纵横向联结系。

节点二次内力的考虑：为了便于计算，假定桁架节点为铰接，而实际结构在荷载作用下桁架的变形受到刚性节点的约束时要产生附加弯距。（附加弯距的大小于交汇杆件的刚度有关，当杆件高度小于长度的1/10时，可不考虑附加弯距引起的二次内力。）悬索桥的设计——加劲梁加劲梁扁平钢箱梁：设计计算内容：

钢桥面板（第一结构体系：梁体系；第二结构体系：桥面体系，按正交异性板理论计算；第三结构体系：桥面板是支承在加劲肋上的连续各向同性板，作用在肋间的局部荷载由板传给加劲肋，此项计算可略。）

箱形截面的应力设计计算：弯曲正应力和剪力（对称荷载）；扭转应力（偏心荷载、纯扭转、约束扭转）。悬索桥的设计——加劲梁加劲梁砼箱梁：不多使用，适于400～800米。应为流线型全封闭式整体箱形截面，抗扭刚度大，抗风性能良好；较大的自重为主缆提供强大的初应力刚度，活载弯距与挠度也减小。其构造类同于斜拉桥。汕头海湾大桥（主跨452米）。结合梁：混凝土桥面板与钢梁共同工作，梁的截面中性轴较高，混凝土受到的应力较小（包括负弯距所致的拉伸应力）。重庆朝阳大桥（主跨186米）。悬索桥的设计——加劲梁加劲梁的风洞试验（节段模型风洞试验）

目的：进一步改善加劲梁的基本截面，提高其气动稳定性能。

改进措施：混凝土桥面板与钢梁共同工作横截面两侧增设分流板；增设导风尖角或改变导风尖角的角度；在横截面的四角增设导风附件，如翼板、转折器等；在桥面上布置一定的格栅形透风孔。悬索桥的设计——加劲梁

桥塔：多为底部固定的柔性（框架、钢桁架）塔柱。

设计步骤为：计算作用于塔的外力（塔顶竖直反力及加劲梁反力）及其位移（塔顶水平位移及加劲梁反力点的位移）；拟定截面。以刚度为大致标准拟定各构件截面及尺寸；塔顶及塔基的加劲；应力及屈曲验算：顺桥向及横桥向（容许应力）；验算腹杆及横系梁截面，多为横桥向控制；承载力验算。悬索桥的设计——桥塔鞍座塔顶主索鞍：索鞍鞍槽曲面的半径为主缆直径的8倍以上（日规）；

索槽形状按绳股排列形状设计，内设衬垫以增大主缆与鞍座摩擦力；大跨度悬索桥主鞍座辊轴在架梁过程中有用，成桥后固定于塔顶；柔性塔柱的主索鞍下可不设辊轴。悬索桥的设计——鞍座

鞍座展束锚固索鞍：一般应设置在辊轴、摇轴或摆柱上。鞍座进口处设圆槽以与主缆圆截面适配。在锚跨一侧的竖直方向将主缆各绳股分散开的出口处，鞍座应使具有小偏角的上部绳股（在索鞍上支承于短区间）和具有大偏角的底部绳股（在长区间内支承）的延长线在上端汇交于一点，下端指向其锚固点。鞍座索槽（鞍槽）在纵向的曲率半径应由大变小（多为复合圆4曲线）以使绳股压力沿长度方向均匀分布；按绳股水平曲率半径为竖直曲率半径的根号3倍来拟定索鞍的尺寸和形状。在水平向加设鞍盖，鞍盖不能有将绳股向下压紧的竖向力，水平向也不能弯曲。悬索桥的设计——鞍座锚碇主缆与锚块的连接：绳股由一连串锚杆传至锚块后部的锚梁上。用可以调节长度（索靴与螺杆间）的螺杆代替前文的锚杆。利用后张法预应力钢筋或钢丝束，将主缆绳股力传至锚块。在混凝土端面处，通过座板使螺杆与预应力筋连接来传力。主缆采用预制平行丝股时，直接通过绳股的锚头将主缆拉力传至锚块。悬索桥的设计——锚碇锚碇锚碇的计算（容许应力法）：基本要求：锚碇不发生沉降、滑移和转动。刚体，在主缆水平分力下不会滑移。竖向压应力不应超过地基土的容许压应力，即不会沉降和转动。现代对锚碇的计算分析更为复杂：稳定、基础长短期变位、抗震等动态分析。

锚碇问题难点在施工方面。悬索桥的设计——锚碇支座（基本要求：能够承受正、负反力。）摇轴式：

固定支座：上摇座、下摇座、销子；

活动支座：在下摇座下加一排辊轴，有负反力时辊轴两侧设固定块件与底板焊牢。连杆式：两端有铰的连杆，纵向位移及转动自由，约束竖直位移及扭转。下承式时，连杆一端支承下弦杆；上承式时：连杆从上面吊起下弦杆（上端通过螺栓与塔柱内伸出的牛腿相联，下端与加劲梁下弦杆端节点相联）。减震橡胶支座：长大悬索桥使用的新型支座。悬索桥的设计——支座弧形钢支座适用范围：跨径1020m构造特点：由上下垫板所组成，下垫板顶面切剥成圆柱体。固定支座需在上垫板上做齿槽（或销孔），在下垫板上焊以齿板（或销钉），安装后使齿板嵌入齿槽(或销钉伸入销孔)，以保证上下垫板之间不发生相对水平位移安装要点其它钢支座其它钢支座QGZ球型钢支座连杆支座第二部分悬索桥实例悬索桥广东虎门大桥日本明石海峡大桥江阴大桥悬索桥的风毁——旧塔可马大桥——新纪元江阴桥猫道悬索桥悬索桥紧缆机紧缆编缆悬索桥加劲钢箱梁的架设悬索桥施工步骤图悬索桥悬索桥江阴长江大桥江阴长江大桥混凝土索塔构造1998日本1991m明石海峡大桥明石大桥地震前后总体图明石大桥——索塔构造图明石大桥——构造图明石大桥

——构造图悬索桥施工猫道悬索桥加劲梁安装悬索桥吊索的连接悬索桥江阴长江大桥锚碇汀九大桥汀九桥悬索桥三角形框架式重力锚锭

悬索桥施工猫道

悬索桥

索塔

钢桁梁

悬索桥

箱型梁

明石海峡大桥

日本

新塔可马桥

美国

旧塔可马桥

美国

一、受力特点主梁飘浮体系：相当跨内具有弹性支承的单跨梁半飘浮体系：相当跨内具有弹性支承的连续梁梁塔梁固结体系：相当于配置体外索的连续梁刚构体系：相当于配置体外索的连续刚构（压弯构件）索（受拉）：为主梁提供弹性支承塔（受压为主）：承受索力第四章混凝土斜拉桥的设计与计算第一节斜拉桥的静力分析

双塔斜拉桥与多塔斜拉桥的受力特点二、计算方法概述分析方法一般简化为平面结构，采用杆系有限元计算直接采用空间杆系有限元方法考虑因素几何非线性中小跨度索的垂度效应P－

效应大跨度：大变形理论收缩、徐变、温度等引起的变形和内力重分布锚下局部应力计算:先进行整体分析，然后按圣维南假定，取出局部进行局部应力分析施工过程计算非常重要三、斜拉索的结构特性－索垂度效应混凝土斜拉桥的拉索一般为柔性索，高强钢丝外包的索套仅作为保护材料，不参加索的受力，在索的自重作用下有垂度，垂度对索的受拉性能有影响，同时索力大小对垂度也有影响。为了简化计算，在实际计算中索一般采用一直杆表示，以索的弦长作为杆长。关健问题是考虑索垂度效应对索的伸长与轴力的关系影响，这种影响采用修正弹性模量来考虑，其计算思路如下：

索在恒载作用下的几何方程设索无荷载作用时的长度为l，如下图，由索任意截面弯矩为零有：1、垂度对索轴向变形的影响对于索的跨中截面,有：对上式积分可得到索的几何方程为悬链线由可得：由于：

索的伸长与垂度的关系索的几何形状为悬链线，如近似按抛物线考虑，则索在自重作用下的长度为：则索的伸长为：

等效弹性模量实际上在应力索的轴向变性由两部分组成（1）索自身的弹性变形；（2）垂度效应:则结构的等效弹性模量可表示为则用弹性模量表示有：其中为索容重四、