第八章-斜拉桥

1、,第 8 章 斜 拉 桥,大跨度桥梁设计,本章的主要内容,8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系 8.2 斜拉桥的构造 8.3 斜拉桥的设计构思 8.4 斜拉桥的计算 8.5 斜拉桥施工简介 8.6 工程实例,斜拉桥的组成,斜拉桥组成：上部结构主要由主梁、桥塔和斜拉索组成。, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系,斜拉桥的组成,斜拉桥也叫斜拉吊桥，主梁除了有桥墩支承外，还有斜拉索预先给主梁一定的拉力，车辆通过时，桥梁的受力就大大减小。因此，经过调整斜拉索中的预拉力，可使桥梁受力均匀合理。,8.1.1 斜拉桥的受力特点,连续梁桥、斜拉桥受力比较 斜拉索作为梁跨的弹

2、性中间支承，以降低梁跨的截面弯矩、减轻梁重、提高梁的跨越能力。 斜拉索的弹性支承作用对恒载最有效，车辆荷载次之，风荷载最差。, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系,8.1.1 斜拉桥的受力特点, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系,8.1.2 斜拉桥的分类,按斜拉桥的结构体系，分类方式有：,（1）按照塔、梁、墩连接条件：悬浮体系、半悬浮体系、塔梁固结体系和刚构体系； （2）按照斜拉索的锚固方式：自锚体系、部分地锚体系和地锚体系； （3）按照主梁的连续方式：连续体系和T构体系； （4）按照塔的高度不同，有普通斜拉桥和矮塔斜拉桥体系。 （5）按照桥塔的数量分类：独塔、双塔和多塔斜拉桥。,斜拉桥结构

3、体系分类不同，设计时应根据具体情况选择。, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系,8.1.2 斜拉桥的分类塔、梁、墩连接条件,（1）悬浮体系（或飘浮体系）：塔墩固结，塔梁分离,塔墩固结，塔梁分离，主梁除两端支承于桥台处，全部用斜拉索吊起，其结构形式相当于在单跨梁加斜拉索。 特点：可减少主梁在支点的负弯矩，但须施加横向约束。缺点是：悬臂施工时，塔柱处主梁需临时固结，成桥后解除临时固结时，主梁会发生纵向摆动。为防止纵向漂浮体系斜拉桥产生过大的摆动，十分有必要在斜拉桥塔上的梁底部位设置高阻尼的主梁水平弹性限位装置。,悬浮体系, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系,塔墩固结，主梁在塔墩上设置竖向支撑（固

4、定铰和活动铰，可以是一个固定支座三个活动支座，也可以是四个活动支座，但一般均设活动支座，以避免由于不对称约束而导致不均衡温度变位，水平位移将由斜拉索制约），其结构形式属于有弹性支承的连续梁。 特点：具有连续梁的优点。,（2）半悬浮体系（或支承体系）,半悬浮体系,8.1.2 斜拉桥的分类塔、梁、墩连接条件, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系,（3）塔梁固结体系：塔梁固结，梁墩分离,塔梁固结并支撑在墩上。 特点：主梁的内力与挠度直接同主梁与索塔的弯曲刚度比有关，这种体系的主梁一般只在一个塔柱处设置固定支座，而其余均为纵向活动支座。优点是显著减小主梁中央段承受的轴向拉力，并且索塔和主梁的温度力极小

5、。,塔梁固结体系,8.1.2 斜拉桥的分类塔、梁、墩连接条件, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系,（4）刚构体系：塔、梁、墩固结,主梁与塔、墩固结形成整体，其结构形式是有弹性支承的连续刚构。 特点：便于平衡对称施工，抵抗跨中变形的刚度较大,刚构体系,8.1.2 斜拉桥的分类塔、梁、墩连接条件, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系,（1）自锚式斜拉桥,自锚式斜拉桥的拉索全部锚固在主梁和塔柱上，绝大多数斜拉桥均采用自锚体系。,8.1.2 斜拉桥的分类按斜拉索的锚固方式, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系,（2）地锚式斜拉桥,地锚式斜拉桥是将边跨的拉索全部锚固在河岸的地锚或山岩上的斜拉桥。,8.

6、1.2 斜拉桥的分类按斜拉索的锚固方式, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系,（3）部分地锚式斜拉桥,部分地锚式斜拉桥是将边跨部分斜拉索锚固在主梁上、另一部分锚固桥台上的斜拉桥。 桥台要求大，一般会做重力式桥台，由桥台重力平衡拉索索力。 特殊地形才会建设。,8.1.2 斜拉桥的分类按斜拉索的锚固方式, 8.1 斜拉桥的受力特点与结构体系, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.1 主梁,斜拉桥主梁是以承受压力和弯矩为主的偏心受压构件，具有以下特点： 1、跨越能力大。斜拉索是主梁的弹性支座，使主梁跨度减小，节约材料并增大了桥梁的跨越能力 2、建筑高度小。斜拉桥主梁均等高，可增大桥下净空。 3、主梁为压弯

7、构件，斜拉索的水平分力相当于混凝土梁的预压力，可提高抗裂性能。 4、通过调整索力，对主梁内力进行调整，可以得到最优恒载内力状态。 5、可以采用传统施工方法，如悬臂施工等。,斜拉桥主梁按材料不同分：（1）钢梁（钢斜拉桥）（2）混凝土梁（混凝土斜拉桥）（3）结合梁（结合梁斜拉桥）（4）混合梁（混合梁斜拉桥）, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.1 主梁,（1）钢斜拉桥 主跨材料为钢材的斜拉桥。从截面形式分为钢箱梁、工字梁和钢桁架两种主要形式。 钢箱梁分为单箱单室、双箱单室、多箱多室等。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.1 主梁,钢箱梁斜拉桥 近年来，扁平钢箱梁在大跨径斜拉桥中得到广泛应用。, 8.2

8、斜拉桥的构造,8.2.1 主梁,钢桁架梁斜拉桥 钢斜拉桥跨径较大，一般可大于600m。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.1 主梁,（2）混凝土斜拉桥 主梁采用预应力混凝土梁的斜拉桥。截面形式有板式、箱形等。跨径布置为200400m。,板式,板式,分离式单室双箱,箱形,半封闭箱形, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.1 主梁,（2）混凝土斜拉桥 混凝土梁与钢梁相比，主要优点： 造价低，后期养护比钢桥简单便宜。 刚度大、挠度小。 抗风稳定性好。 主要缺点： 跨越能力不如钢梁大，施工速度不如钢梁快。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.1 主梁,（3）结合梁斜拉桥 结合梁，是在钢主梁上用预制混凝土桥面板代替

9、常用的正交异性钢桥面板。 相对钢主梁：节约钢材、刚度和抗风稳定性更好。 适宜跨径：一般在300600m。 结合梁一般都采用钢双主梁，只适用于双索面斜拉桥。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.1 主梁,（4）混合梁斜拉桥 混合梁斜拉桥，是指沿着桥纵向主梁截面由两种不同的材料组成，中跨大部分或全部为钢主梁、边跨部分或全部为混凝土主梁的组合结构。,钢主梁截面,混凝土梁截面, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.1 主梁,顺桥向，索塔的布置形式有单柱式、A字形、倒Y形等。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.2 主塔,横桥向，索塔的布置方式有柱形（单或双柱）、门形或H形，A形、倒Y形及菱形等。较柱形来说，其余形状

10、的主塔横向刚度更大，但构造及受力复杂，施工难度较大。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.2 主塔,桥塔的组成主要分为两部分：塔柱与横梁。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.2 主塔,混凝土桥塔的截面形式 混凝土塔的截面形式主要有实心体截面、H形截面和箱形截面形式等。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.2 主塔,1）斜拉索的构造 （1）锚固段：即锚具。（2）过渡段：包括锚垫板、导索管和减振装置等。（3）中间段：即索体，防护完整钢丝束。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.3 斜拉索,拉索是斜拉桥的重要受力构件。常用的类型有：,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

11、（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) 封闭式钢缆 （Z形镀芯钢丝组成封闭索）, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.3 斜拉索,锚具： 斜拉索锚具主要有三种：热铸锚、冷铸镦头锚和夹片锚具。 热铸锚：将一个内壁为锥形的钢质套筒套在钢索上，将钢索端部的钢丝散开，在套筒内灌入熔融的低熔点合金，合金凝固后，散开的钢丝在套筒内形成一个头小尾大的塞子。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.3 斜拉索,冷铸锚： 斜拉索常采用整体安装与分散安装两种形式。整体安装主要采用平行钢丝配冷铸锚的形式。, 8.2 斜拉桥的构造

12、,8.2.3 斜拉索,2、锚具冷铸锚 工作原理：将钢丝束穿入冷铸锚，钢丝尾镦头后锚定在冷铸锚的后锚板上，再在锚体内分段常温浇灌环氧树脂加铁丸等混合填料，使锚体与钢丝束之间的刚度均匀变化，最后将冷铸锚头放入加热炉中养生，加热温度为150度，由于这种锚是在常温下浇铸填料，因此称为冷铸锚。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.3 斜拉索,夹片式锚： 分散安装主要采用钢绞线配夹片式锚的形式。夹片式锚是由带锥孔的锚板和夹片组成，张拉时，每个锥孔穿进一根钢绞线，张拉后各自用夹片将孔中的钢绞线抱夹锚固，各锥孔成立一个独立的锚固单元。, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.3 斜拉索,2）斜拉索的布置, 8.2 斜拉桥

13、的构造,8.2.3 斜拉索,斜拉索纵向布置形式主要有： （1）辐射形。拉索集中锚固于索塔顶部，拉索与主梁夹角大，竖向支承力大，节省拉索用钢量，锚固区应力集中。（2）竖琴形。斜拉索平行排列，外形美观，竖向支承力小。（3）扇形。斜拉索布置介于辐射形和竖琴形之间，结合两者优点，应用广泛。 （4）不对称形。一般用于独塔斜拉桥。,辐射形 竖琴形 扇形 不对称形,索的其他布置形式：,拉索倾角（边索）,辐射式或扇式：210300 竖琴式:260380,2）斜拉索的布置, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.3 斜拉索,索面布置：,空间布置形式,单索面,双索面,竖直双索面 抗风稳定性好,倾斜双索面 抵抗风力扭振有利

14、，适合特大跨径,2）斜拉索的布置, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.3 斜拉索,早期：稀索,1530m（混凝土斜拉桥）,3060m（钢斜拉桥）,莱茵河上最早的斜拉桥（德）,索距布置分为稀索和密索两种形式。,2）斜拉索的布置, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.3 斜拉索,现代：密索,824m（钢斜拉桥）,上 海 南 浦 大 桥,412m（混凝土斜拉桥）,索距布置分为稀索和密索两种形式。,2）斜拉索的布置, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.3 斜拉索,1、顶板锚固式 斜拉索直接锚固在截面中部箱梁顶板上，并与一对斜撑连接，斜撑作为受拉杆件将索力传递到整个截面，用于箱内具有加劲斜杆的单索面斜拉桥。,斜拉索在

15、梁上的锚固方式, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.4 塔梁索锚固体系,2、箱内锚块 式 锚固块位于顶板之下与两个腹板之间，垂直分力通过锚固块左右的腹板传递。适用于双索面分离双箱或单索面整体箱。,斜拉索在梁上的锚固方式, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.4 塔梁索锚固体系,3、横隔板锚固式 锚头设置在梁底外面或埋入斜隔板预留的凹槽内，其垂直分力由斜隔板两侧的腹板以剪力形式传递。适用于双索面分离双箱或单索面整体箱。,斜拉索在梁上的锚固方式, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.4 塔梁索锚固体系,4、梁体两侧锚固式 锚固块设置在风嘴形实体或者较厚的斜腹板下，斜拉索水平力通过风嘴形实体或厚边板传递，垂直分力则

16、需要在斜腹板内设置预应力筋来抵抗。适用于双索面斜拉桥。,斜拉索在梁上的锚固方式, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.4 塔梁索锚固体系,5、梁底锚固式 锚固简单，在肋中按斜拉索的倾角设置管道，拉索通过管道锚固在梁底。适用于双索面斜拉索。,斜拉索在梁上的锚固方式, 8.2 斜拉桥的构造,8.2.4 塔梁索锚固体系, 8.3 斜拉桥的设计构思,斜拉桥设计构思应根据工程的经济性、适用性，同时兼顾美学效果，内容包括： （1）结构体系比选； （2）跨径划分； （3）主梁的结构形式； （4）主塔的结构形式； （5）拉索的布置； （6）构造细节设计。,根据塔梁墩连接形式进行结构体系选定 悬浮体系、半悬浮体系、塔

17、梁固结体系和刚构体系。,斜拉桥的跨径布置与分孔，需要考虑桥位处的地形、地质、水文条件、通航要求、技术条件和美观等。斜拉桥跨径一般控制在200-1200m。,斜拉桥孔跨布置主要可分为独塔双跨斜拉桥、双塔三跨斜拉桥和多塔多跨斜拉桥等多种形式。 在特殊情况下，斜拉桥也可以布置成独塔单跨式或者混合式。, 8.3 斜拉桥的设计构思,8.3.2 跨径布置,（1）独塔双跨斜拉桥,适用：跨越中、小河流、谷地和城市道路或较大河流的主航道。 L1 / L=0.51.0，一般取0.650.7。,主跨 L,中间辅助墩：缓和端锚索应力集中或减少边跨主梁弯矩，增大桥梁整体刚度。, 8.3 斜拉桥的设计构思,8.3.2 跨

18、径布置, 10.2 总体布置,10.2.1 跨径布置与分孔,（2）双塔三跨斜拉桥,最常用，对称式和非对称式 适用：跨越较大的河流、海口及海面, 8.3 斜拉桥的设计构思,8.3.2 跨径布置,双塔三跨式,（2）双塔三跨斜拉桥, 8.3 斜拉桥的设计构思,8.3.2 跨径布置,（3）多塔多跨斜拉桥（3塔）,改进措施： a、做中间刚性塔 b、拉索加劲中间塔 c、增加主梁梁高 d、矮塔斜拉桥体系, 8.3 斜拉桥的设计构思,8.3.2 跨径布置,希腊里海安 蒂雷翁桥， 主跨506m,武汉二七长江大桥， 主跨616m,（4）单跨式,地锚式：独塔单跨式, 8.3 斜拉桥的设计构思,8.3.2 跨径布置,

19、双塔单跨式,（4）单跨式, 8.3 斜拉桥的设计构思,8.3.2 跨径布置,无背索式,长沙洪山大桥，跨径206m,（4）单跨式, 8.3 斜拉桥的设计构思,8.3.2 跨径布置,主梁是以承受压力和弯矩为主的偏心受压构件，根据力学体系上可选择：连续体系、非连续体系。 主梁一般采用等高度布置，梁高与拉索的密疏有关； 稀索体系梁 梁高跨比： h/l=1/401/70 密索体系梁 梁高跨比：h/l=1/701/200 根据材料可选择： 钢梁、混凝土梁、结合梁、混合梁, 8.3 斜拉桥的设计构思,8.3.3 主梁结构设计,拉索与主塔对整个斜拉桥结构的刚度、经济性都存在影响，一般塔高与中跨跨径之比为：,注

20、：H为主塔在桥面以上的高度，L为中跨跨径。, 8.3 斜拉桥的设计构思,8.3.4 主塔结构设计,8.3.7 斜拉桥设计构思流程,结构分析通过建立有限元模型进行, 8.4 斜拉桥的计算,斜拉桥是高次超静定结构，常规分析可采用平面杆系有限元法，即基于小位移的直接刚度矩阵法；大跨结构采用空间有限元方法，考虑非线性采用有限变形理论。 有限元分析首先是建立计算模型，对整体结构划分单元和节点，形成结构离散图，研究各单元的性质，并用合适的单元模型进行模拟。 对于柔性拉索，可用拉压杆单元进行模拟，同时按后面介绍的等效弹性模量法考虑斜索的垂度影响，对梁和塔单元，则用梁单元进行模拟。,结构分析通过建立有限元模型

21、进行,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 梁柱效应（P效应）,大跨度：,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：,施工过程计算非常重要,大位移效应,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, 8.4 斜拉桥的计算, 8.4 斜拉桥的计算,8.4.1 斜拉索的自重垂度效应,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，垂度与索力呈非线性关系。 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。

22、考虑索垂度效应对索伸长与索力的关系影响，这种影响采用修正弹性模量，即等效弹性模量来考虑。, 8.4 斜拉桥的计算,8.4.1 斜拉索的自重垂度效应,设索无荷载作用时的长度为l，索任意截面弯矩为零：,（1）索在恒载作用下的几何方程, 8.4 斜拉桥的计算,8.4.1 斜拉索的自重垂度效应,（2）索的伸长与垂度的关系,索的几何形状为悬链线，对fm很小的情况，可近似按抛物线考虑，则索在自重作用下的长度为：,则索的伸长为：, 8.4 斜拉桥的计算,8.4.1 斜拉索的自重垂度效应,（2）索的伸长与垂度的关系,则用弹性模量表示上述垂度的影响有：,为索容重,而, 8.4 斜拉桥的计算,8.4.1 斜拉索的

23、自重垂度效应,（3）等效弹性模量,梁柱效应P效应,由于斜拉索的拉力作用，主梁和索塔不仅承受弯矩而且还将承受巨大的轴向力，在主梁和索塔变形过程中，由于轴向力和弯矩相互影响，而产生所谓的梁-柱效应（P-效应），使整个斜拉桥结构表现出几何非线性行为。, 8.4 斜拉桥的计算, 8.4 斜拉桥的计算,大位移效应,斜拉桥是一种柔性的悬挂结构，其刚度较小，在正常的设计荷载作用下，其上部结构的几何位置变化就非常显著，因此，平衡方程不再是线性关系，小变形假设中的叠加原理也不再适用。 因此，在计算应力及反力时需要计入结构位移的影响，也就是位移理论。由于结构大位移的存在，荷载与位移呈非线性关系，力的叠加原理也不再适用。整个结构在不同阶段的