南京工业大学土木工程学院交通工程系1 上一页 下一页 5.3.1 悬索桥的类型及其构造特点 1．悬索桥的类型 v悬索桥是由桥塔、主缆索、吊索、加劲梁、锚碇及鞍座等部 分组成的承载结构体系，是目前唯一跨度超过1000m并接近 2000m的桥型 v由于这一桥型能充分利用和发挥高强钢材的作用，并能很好 地适应跨越海峡和宽阔江河的要求，加之近年来悬索桥设计理 论和计算方法的发展和完善以及施工技术的进步，使其成为近 年来发展较快的桥型之一 v现代大跨度悬索桥根据其加劲梁的类型和吊索的形式不同可 分为以下几种类型： *南京工业大学土木工程学院交通工程系2 上一页 下一页 1)美式悬索桥 v其基本特征是采用竖直吊索，并用钢桁架作为加劲梁（图5－ 20a）这种形式的悬索桥一般采用三跨地锚式，加劲梁在主塔 处不连续，由伸缩缝断开，桥面通常采用钢筋混凝土材料，主塔 为钢结构其特点是可以实现双层通车，通过增加桁架高度可保 证桥梁有足够的刚度，由于加劲梁采用钢桁架，使其具有很好的 抗风性能 v美国式悬索桥发展历史接近百年，其建桥技术相当成熟，并积 累了丰富的设计和施工经验，是目前采用较广泛的一种形式在 美国已建成的维拉扎诺海峡大桥和在日本建成的明石海峡大桥, 都属于这种类型。
世界上许多国家的大跨度悬索桥都受到美国式 悬索桥的影响,但也有自己的特点,如在日本通常采用连续的加劲 钢桁架，桥塔处不设伸缩缝；采用钢的正交异性板作桥面等 美国式悬索桥 *南京工业大学土木工程学院交通工程系3 上一页 下一页 2)英国式悬索桥 v英国式悬索桥的基本特征是采用三角形排列的斜吊索和流线型 扁平翼状钢箱梁作为加劲梁（图5－20b）这种形式的悬索桥加 劲梁采用连续的钢箱梁，桥塔处没有伸缩缝，并采用了用钢筋混 凝土桥塔；有时还将主缆与加劲梁在主跨中点处固结 v英国式悬索桥的特点是钢箱加劲梁可减轻恒载，使主缆的截面 减小，降低了用钢量和造价由于钢箱梁抗扭刚度大，受到的横 向风力小，有利于抗风，由此大大减小了桥塔所承受的横向力 三角形排列布置的斜吊索可以提高桥梁刚度，但斜吊索的吊点处 构造复杂 v在英国建成的塞文桥和恒伯尔桥、在土耳其建成的博斯普鲁斯 (Bosporus)桥都是属于这种形式的悬索桥 英国式悬索桥 *南京工业大学土木工程学院交通工程系4 上一页 下一页 3)混合式悬索桥 v这种悬索桥是综合了上述两类悬索桥的特点形成的、目前广泛 采用的悬索桥其特征是采用竖直吊索和流线型钢箱梁为加劲梁 （图5－20c），一般采用钢筋混凝土桥塔。
v混合式悬索桥的广泛使用表明其钢箱加劲梁具有良好的静力和 动力特性，其竖直吊索构造简单实用 v土耳其的博斯普鲁斯二桥、日本来岛的三座悬索桥、香港的青 马大桥、丹麦的大贝尔特(Great Belt)桥和中国的江阴长江大桥 都采用了混合式吊桥形式 混合式悬索桥 *南京工业大学土木工程学院交通工程系5 上一页 下一页 4)带斜拉索的悬索桥 v为了有效地提高大跨度悬索桥结构的整体刚度和抗风稳定性 , 在悬索桥设计 中除设置悬索体系外,还可考虑同时设置斜拉 索，以适应大跨度悬索桥的变形控制和动力稳定性的要求，这 就构成了带斜拉索的悬索桥 v1883年建成的纽约布鲁克林大桥，就是既有现代悬索桥悬索 体系，又有若干加强斜拉索的一座带斜拉索的悬索桥（图5－ 20d）1966年建成的葡萄牙萨拉扎桥(Salazar)，也采用了这 种形式这种结构形式可看作悬索桥和斜拉桥的结合，悬索承 担跨中的荷载，斜拉索承担桥塔附近1/4跨的荷载，这样能够 大大地增加悬索桥的跨越能力和结构的整体刚度，并有效地加 强结构的抗风和抗震能力以及防止和控制结构的振动 带斜拉索的悬索桥 *南京工业大学土木工程学院交通工程系6 上一页 下一页 悬索桥按照其加劲梁的支承条件分类 v悬索桥按照其加劲梁的支承 条件还可分为单跨铰支加劲梁 悬索桥、三跨铰支加劲梁悬索 桥和三跨连续加劲梁悬索桥( 图5－21)。
这些也都是现代大 跨度悬索桥经常采用的形式 *南京工业大学土木工程学院交通工程系7 上一页 下一页 2．悬索桥的主要构造特点 v现代悬索桥一般由桥塔、主缆索、锚碇、吊索、加劲梁、吊索 及索鞍等主要部分组成(图5-22) *南京工业大学土木工程学院交通工程系8 上一页 下一页 1)桥塔 v桥塔是悬索桥最重要构件它支承主缆索和加劲梁，将悬索桥 的活载和恒载(包括桥面、加劲梁、吊索、主缆索及其附属构件 如鞍座和索夹等的重量)以及加劲梁在桥塔上的支反力直接传至 塔墩和基础，同时还受到风载与地震的作用 v桥塔的高度主要由桥面标高和主缆索的垂跨比f/L确定，通常 垂跨比f/L为1/9～1/12 v大跨度悬索桥的桥塔主要采用钢结构和钢筋混凝土结构其结 构形式可分为桁架式、刚架式和混合式三种(图5-23) v刚架式桥塔通常采用箱形截面由于预应力混凝土和爬模技术 的发展，钢筋混凝土桥塔的桥塔的使用呈较快增长趋势 v桥塔塔顶必须设主索鞍，以便主缆索能与桥塔合理的衔接和平 顺的转折，并将主缆索的拉力均匀的传至桥塔 *南京工业大学土木工程学院交通工程系9 上一页 下一页 2)锚碇 v锚碇是主缆索的锚固构造主缆索中的拉力通过锚碇传至基础 。
v通常采用的锚碇有两种形式：重力式和隧洞式 v重力式锚碇依靠其巨大的自重来承担主缆索的垂直分力，而水 平分力则由锚碇与地基之间的摩阻力或嵌固阻力承担隧道式锚 碇则是将主缆中的拉力直接传递给周围的基岩 v隧道式锚碇适用于锚碇处有坚实基岩的地质条件当锚固地基 处无岩层可利用时，均采用重力式锚碇 v锚碇主要由锚碇基础、锚块、锚碇架及固定装置和锚固索鞍组 成 *南京工业大学土木工程学院交通工程系10 上一页 下一页 3)主缆索 v主缆索是悬索桥的主要承重构件，不仅承担自重恒载，还通过 索夹和吊索承担加劲梁(包括桥面)等其它恒载以及各种活载 v主缆索还要承担部分横向风载，并将其传至桥塔顶部 v主缆索可采用钢丝绳钢缆或平行丝束钢缆，由于平行丝束钢缆 弹性模量高，空隙率低，抗锈蚀性能好，因此大跨度吊桥的主缆 索均采用这种形式 v现代悬索桥的主缆索多采用直径5mm的高强度镀锌钢丝组成(图 5-25)先由数十到数百根5mm的高强度镀锌钢丝制成正六边形的 索束(股), 再将数十至上百股索束挤压形成主缆索,并做防锈蚀 处理 v设计中主缆索的线形一般采用二次抛物曲线 *南京工业大学土木工程学院交通工程系11 上一页 下一页 主缆索的架设方法 v主缆索的架设方法主要有两种：空中送丝成缆法和预制钢丝束 成缆法。
v空中送丝成缆法在现场空中编缆,每根主缆索所含索束数较少, 但每根索束所含钢丝根数较多；施工工期较长；所需锚碇面积较 小；是最早采用的成缆法 v预制钢丝束成缆法在工厂先预制钢丝索束,然后在现场使用索 束编缆；每根主缆索所含索束数较多,但每根索束所含钢丝根数 较少；施工周期较短；所需锚固面积较大；是现代悬索桥较多采 用的成缆法 *南京工业大学土木工程学院交通工程系12 上一页 下一页 4)吊索 v吊索也称吊杆，是将加劲梁等恒载和桥面活载传递到主缆索的 主要构件 v吊索可布置成垂直形式的直吊索或倾斜形式的斜吊索，其上端 通过索夹与主缆索相连，下端与加劲梁连接 v吊索与主缆索连结有两种方式：鞍挂式和销接式两种方式各 有所长 v吊索与加劲梁连结也有两种方式：锚固式和销接固定式锚固 式连结是将吊索的锚头锚固在加劲梁的锚固构造处销接固定式 连结是将带有耳板的吊索锚头与固定在加劲梁上的吊耳通过销钉 连结吊索宜采用有绳芯的钢丝绳制作，二根或四根一组；两端 均为销接式的吊索可采用平行钢丝索束作为吊索 *南京工业大学土木工程学院交通工程系13 上一页 下一页 5)加劲梁 v加劲梁的主要作用是直接承受车辆、行人及其它荷载，以实现 桥梁的基本功能，并与主缆索、桥塔和锚碇共同组成悬索桥结构 体系。
v加劲梁是承受风荷载和其它横向水平力的主要构件，应考虑其 结构的动力稳定特性，防止其发生过大挠曲变形和扭曲变形，避 免对桥梁正常使用造成影响 v大跨度悬索桥的加劲梁均为钢结构，通常采用桁架梁和箱形梁 预应力混凝土加劲梁仅适用于跨径500m以下的悬索桥，大多采 用箱形梁采用箱形梁时，应选择流线型主梁截面，并适当设置 风嘴、导流板、分流板等抗风装置；采用桁架梁时，应加强主梁 和桥面车道部分的联系，并注意保证主梁及桥面构造横向通风良 好，不得有任何阻碍空气流动的多余障碍物存在，也可适当设置 抗风装置 *南京工业大学土木工程学院交通工程系14 上一页 下一页 5)加劲梁 v加劲梁的构造和尺寸主要取决于其抗风稳定性 v通常参考其它已建成悬索桥的加劲梁拟定其初步设计的构造和 尺寸，再根据结构计算结果进行适当修改，最后对较为合理的几 个方案，通过风洞试验检验其抗风性能，并选择抗风性能好的加 劲梁及其构造和尺寸 *南京工业大学土木工程学院交通工程系15 上一页 下一页 6)索鞍 v索鞍是支承主缆的重要构件，其作用是保证主缆索平顺转折； 将主缆索中的拉力在索鞍处分解为垂直力和不平衡水平力，并均 匀地传至塔顶或锚碇的支架处。
v索鞍可分为塔顶索鞍和锚固索鞍塔顶索鞍设置在桥塔顶部， 将主缆索荷载传至塔上；锚固索鞍(亦称散索鞍)，设置在锚碇的 支架处，主要作用是改变主缆索的方向，把主缆索的钢丝绳束在 水平及竖直方向分散开来，并将其引入各自的锚固位置为了减 少塔顶索鞍处钢丝的弯曲次应力，塔顶索鞍弯曲半径一般为主缆 索直径的8—12倍；而散索鞍必须考虑钢丝绳束的水平曲率半径 和竖直曲率半径，以确定索鞍合理形状索鞍通常采用铸焊组合 件组成，大型组件采用分块制作，安装后通过螺栓或焊接连成整 体 返回 *南京工业大学土木工程学院交通工程系16 上一页 下一页 5．3．2 悬索桥的计算要点 v悬索桥的计算目前多采用以计算机为计算手段的有限元等数值 计算方法 v根据结构计算的要求不同，可采用较精确的空间结构计算图式 或采用简化的平面结构计算图式，计算所依据的计算理论也有所 不同，如线弹性理论、挠度理论和有限位移理论等 v计算的内容主要包括悬索桥在各种动、静荷载作用下的结构内 力和位移以及其抗风、抗震稳定性 v计算中必须考虑结构的动力特性和非线性受力、变形特性 v悬索桥的计算是相当复杂的，这里仅就悬索桥的受力特点、计 算理论、计算图式和计算内容作简要介绍，更详细的计算理论和 方法请参阅有关专著。
*南京工业大学土木工程学院交通工程系17 上一页 下一页 1．大跨度悬索桥受力特点 v现代悬索桥是由主缆索和加劲梁及桥塔构成的一种合理的柔性 悬挂组合体系，具有索、梁、柱合理分工综合受力的特点 v在荷载作用下，主缆索、加劲梁和桥塔发挥各自的受力特点共 同承担荷载 v主缆索是这个组合体系中最关键的构件，它承受由吊索传来的 作用在加劲梁上的各种荷载，并将其传至桥塔、锚碇及其基础 它的初始几何线形及在荷载作用下的变形直接影响到整个组合体 系的受力分配和变形 v根据结构分析悬索桥有如下一些受力特点： *南京工业大学土木工程学院交通工程系18 上一页 下一页 1)主缆索是几何可变的柔性体，只能承受拉力作用 v只有在初始恒载作用下，使其具有较大的初拉力时，才能保持 一定的几何形状，通常称为初始几何形状 v当有进一步荷载作用时，主缆索的几何形状将发生改变，这种 改变对悬索桥受力有不可忽略的影响，因此体系的受力平衡应建 立在变形后的几何形状上，这就反映出主缆索及结构体系的几何 非线性性质对此在结构的计算中必须给予考虑 v主缆索的垂跨比是描述其初始几何形状的重要参数，直接影响 结构的内力和结构体系的刚度。
一般说来，垂跨比减小，主缆索 的拉力将增大，结构体系的刚度将增大，挠度将减少 *南京工业大学土木工程学院交通工程系19 上一页 下一页 2)大跨度悬索桥的恒载相对较大，在主缆索的拉力中占较大比例 ，而活载占的比例较少因而活载引起。