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1、缆索承重桥梁缆索承重桥梁悬索桥悬索桥( (四四) )1_王志强，同济大学桥梁工程系，桥梁馆 404 室联系电话：65983115-2404：Email: 同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强2 加劲梁拼装施工 缆索施工 桥塔施工三、悬索桥的施工 锚碇施工 悬索桥适用于超大跨径桥梁的主要原因，除了其充分利用了材料强度外，还有其独特的施工方法。 通常，悬索桥架设步骤为：塔柱及锚碇施工猫道架设主缆架设索夹及吊索安装加劲梁吊装架设等。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强3 加劲梁拼装施工加劲梁的制造、组拼与运输加劲梁架设：架设顺序和架设方法同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强4箱梁和桁架梁拼装施
2、工l 加劲梁架设加劲桁架梁吊装 加劲钢桁架架设单元分类：单根杆件、平面构架和立体节段。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强5箱梁拼装施工 钢箱梁吊装l 加劲梁架设 主缆是柔索结构，只有部分梁段悬吊在主缆上时挠度很大，梁段吊装到位后只能在上缘与相邻梁段连接形成铰接，下缘是可以张开闭合的；随着吊装梁段的增加，主缆的局部挠度减小，加劲梁下缘的间隙逐渐闭合，待梁段全部吊装完成或大部分完成后，可在相邻节段间永久固结连接；加劲梁的重力完全由主缆承担，加劲梁只承担梁段内的局部弯矩。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强6四、悬索桥的设计加劲梁在活载与其他荷载作用下与主缆共同受力，因此必须与主缆共同考虑，所
3、以悬索桥设计按顺序包括以下内容，先考虑主缆及加劲梁的设计，然后根据已决定的主缆及加劲梁体系考虑桥塔和锚碇的设计，最后进行其它辅助构件的设计。悬索桥设计包括：总体设计、主缆的设计、主塔的设计、锚碇与鞍座、加劲梁的设计等。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强7 悬索桥的总体构思 悬索桥的设计计算内容 悬索桥的设计计算程序1、悬索桥的总体设计同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强81）悬索桥的适用范围2）悬索桥与其它大跨度桥式的比较选择3） 悬索桥的美学比例4）悬索桥总体设计的参考数据：跨度比，垂跨比，宽跨比，高跨比等 1）边跨跨径与主跨跨径的比例；2）桥下空间形式；3）加劲梁选择；4）悬索桥的锚
4、碇选择；5）桥塔选择。 悬索桥的总体构思同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强9同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强10同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强11 悬索桥的设计计算1）作用在悬索桥上的荷载有恒载、活载、风荷载、地震力、温度变化等，设计计算时，一般把它们简化为平面问题或空间问题采用各种计算理论进行计算分析；2）关于塔，一般将其作为独立结构，在桥轴及垂直桥轴方向分别进行分析，对于柔性塔，由于塔柱的刚度不可能很大，还必须计算其屈曲临界荷载；3）对包括塔、缆索、桥台、加劲梁等整个结构组成的计算模型进行动力分析计算时，一般采用以有限位移理论为基础的空间非线性有限元程序计算；4）与斜拉桥
5、的情况一样，悬索桥的跨度远远超出桥规所规定的适用范围。因此，必须制定适用于悬索桥的设计规范。以桥规中的规定为基准，对一些复杂项目如活载、挠度容许值、冲击系数、屈曲长度、抗震设计、抗风设计、荷载组合及容许应力等进行规定，以规范为基准进行计算分析和结构设计。5）悬索桥在设计的不同阶段需要进行不同的计算，现将其设计步骤与其设计中所需的各项计算分述如下:同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强12悬索桥主缆和加劲梁静力设计流程图同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强13主缆及加劲梁动力设计流程（续）同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强14 桥塔的设计顺序 桥塔的设计计算应根据主缆与加劲梁的结构体系来进
6、行。首先选择桥塔的结构形式，拟定桥塔各组成构件的截面尺寸,进而进行桥塔的设计计算，设计流程见右图所示，后续还会进一步介绍桥塔的计算。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强15桥塔的设计流程同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强16 悬索桥的设计计算程序悬索桥的计算机辅助分析和设计的发展过程，既与计算机的发展有关，也与悬索桥结构分析理论的发展有关，而更重要的还与悬索桥建设的实际需要有关。这就决定了悬索桥的计算机辅助分析和设计起源于美英，而兴盛于日本这样一个发展过程。据文献介绍，开始将计算机辅助分析应用于悬索桥设计的是美国学者。他们提出的吊杆力法和据此编制的计算程序，在曼哈顿桥的加固工程中得到应用
7、。但此程序不具通用性。英国在60年代修建塞文桥时，将悬索桥当作非线性平面框架结构，利用有限位移法作计算分析， 检算了具有斜吊杆（索）的塞文桥的设计合理性。1966年的里斯本国际悬索桥会议促进了悬索桥计算机辅助设计计算分析的发展。虽然美国自那以后再未修建大跨悬索桥，系统的悬索桥软件开发并未受到重视，但其在理论的研究方面仍处于领先地位，尤其是动力设计计算方面。英国自修建塞文桥以后，在悬索桥的设计中都采用计算机作静力分析，而进行完善的计算机动力分析较晚。随后，日本由于修建本四连络线，线内含有11座悬索桥，所以开发了悬索桥设计计算系列软件。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强17ABAQUS - N
8、on-Linear F.E. AnalysisADINA - Non Linear F.E. AnalysisMSC Software - NASTRAN and many other programsANSYS - General Purpose F.E. CSI - SAP 2000 General Purpose Analysis and Design LUSAS Bridge Bridge engineering analysis, design and assessment software MIDAS/Civil Stage Analyses for Post-tensioned,
9、 Suspension & Cable Bridges and Design ANSYS/ CivilFEMTDV RM 软件 悬索桥的设计计算程序（续）同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强18 主缆的类型和材料2、主缆的总体设计 主缆的设计 主缆成桥几何线型的确定； 主缆截面及预制平行钢丝束设计； 主缆钢丝束的无应力长度。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强19 主缆成桥几何线型的确定设计时对1：9.5， 1：10， 1：10.5等矢跨比进行了经济、技术方面的比选，在对锚碇所处地形条件及施工等因素的综合评价后，最后选定合适的矢跨比1：10。 1）主缆矢跨比的选择（汕头海湾悬索桥）同济大学
10、土木工程学院桥梁工程系 王志强202）主缆成桥几何线型确定（1）基本数据：根据最终完成主缆编制操作净空要求，中跨跨中主缆中心线、边跨跨端主缆中心线均按髙出主粱顶面2.0m进行主缆中心的高程控制。中跨部分：跨中主缆中心线高程为+53.7m ，梁跨 l=444 m，矢高f=44.4m，主塔中心至梁端支点b=4.0m；边跨部分：岸侧跨端主缆中心线高程为+45.3m ，梁跨l1=150.0m,主塔中心至梁端支点b1=4.0m,主缆直线段b2=95.0m。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强21（2）几何线型计算边跨矢高f1：根据主缆在塔顶处恒载水平拉力相等可以得出塔顶主缆中心线理论高程: 同济大学土
11、木工程学院桥梁工程系 王志强22（2）几何线型计算散索鞍座主缆中心线高程：同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强23主缆截面及预制平行钢丝束设计 采用预制平行钢丝束股（PWS）法制作架设。主缆由10010根5mm高强镀锌钢丝组成，设计面积0.1965 m2 ，分为110股平行钢丝束，每束91根。钢丝抗拉强度1600Mpa，屈服强度1180Mpa，弹性模量2.0 105 。主缆的检算：容许应力法，2.5 及1.7。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强24 钢丝束无应力长度计算钢丝束无应力长度指钢丝束两端锚头前支承面间无应力状态下的长度。无应力长度计算：1)以标准温度20时，主缆的设计几何线形为
12、依据，先求出成桥状态下主缆钢丝束的几何长度；2）然后扣除一期、二期恒载作业下主缆钢丝束产生的弹性伸长量，从而得到自由悬挂状态下的悬链线长度；3)此长度再扣除由钢丝束自重产生的弹性伸长量，即可得到钢丝束无应力长度。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强25同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强26 一期、二期恒载作业下主缆钢丝束产生的弹性伸长量同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强27 自由悬挂状态下的悬链线长度和自重产生的弹性伸长量同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强28加劲梁设计悬索桥加劲梁的主要功能：首先是直接承受竖向活载；其次是能够安全地抵抗横向风压， 并在风动力作用下不丧失稳定；最后
13、要能抗震。1）加劲梁结构形式和布置2）加劲梁计算考虑应包括如下内容： 加劲梁在使用活载作用下的弯矩、剪力和扭矩； 横向风力的效应； 起控制作用的强度验算； 加劲梁在不同荷载下的变形。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强29加劲梁设计考虑应包括如下内容：（1）在竖向活载下的设计考虑大跨悬索桥加劲梁的高跨比很小，在活载作用下梁的应力不大，但变形大，这里的变形是指梁的挠度和曲率。加劲梁承受的正弯矩，由短段加活载工况决定；而在不加活载的区段，主缆因发生向上的竖位移，通过吊索就使加劲梁在这些区段引发负弯矩。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强30（2）在横向风静压下的设计考虑在作横向风的静压下的强度
14、验算时，可根据加劲梁的不同布置情况分別作考虑：双铰加劲梁：加劲梁为一简支梁，它将与主缆共同抵抗水平的横向风压。按横向风压进行内力分析，即可求得加劲梁所承受的横向弯矩。在进行梁的应力验算时，应将其与由竖向活载引起应力迭加。这一荷载组合，对于加劲梁的设计往往起控制作用。三跨双铰悬索桥：因边跨通常较短，在承受横向风压方面，梁的作用远较主缆大。因此边跨在塔端的水平支承可同主跨一样考虑，而在锚碇端的水平支承可按固定设计。三跨连续加劲梁：因其在穿过塔柱处并不断开，在承受横向水平风压时，可将它视为水平的三跨连续梁，且与主缆共问承载。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强31（3）在风动力作用下的设计考虑对于
15、风的动力作用，加劲梁总是与主缆共同作用，但是加劲梁的尺寸和形状起决定性作用，所以对不同结构型式的加劲梁要作相应考虑。 钢板梁式加劲梁：在风动力持久作用下，加劲梁易发生反对称扭转振动，主缆发生反对称竖向振动，导致吊索及加劲梁超载；钢桁梁式加劲梁：在桥面水平向应该设置一些纵向透风孔，可以设在行车路面间，也可设在桁架梁片和行车路面之间，使空气上下对流，减弱涡流。另外，还应提高加劲梁的抗扭刚度，如在上承桁梁之间布置横联和平纵联，以及增加其抗弯刚度；同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强32（3）在风动力作用下的设计考虑（续）扁平梭状钢箱梁和混凝土箱梁：这是解决风振的新结构型式，其迎风边的风嘴能将气流分
16、成上、下两股，各自顺着箱梁的顶面、底面通过，很少发生涡流。大大减小了因涡流引起的扭矩，且箱梁的封闭截面又增大了加劲梁的抗扭刚度。总之，悬索桥加劲梁设计中，其在风动力作用下激振和颤振均是一个十分重要的问题，其理论计算尚不成熟。目前，设计中多只作颤振临界风速估算，如果其估算值小于允许临界风速，则进一步工作交风洞试验完成，否则必须通过变更设计参数来调整其风动特性。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强33（4）对地震设防的设计考虑长大跨悬索桥都是柔性结构，其自振周期一般较长 ，可以长达10秒以上。如跨度888米的广东虎门桥侧向周期超过11秒、跨度1 380米的江阴长江公路悬索桥，其侧向基本周期将达20秒。而现今作抗震设计用于较长周期的地震反应谱曲线是从较短周期的资料向外延伸而推出，不甚可靠。一些反应谱分析结果表明，地震时加劲梁的内力反应值都比活载内力值小， 即地震力不起控制作用，但需要注意加劲梁部位的位移。而塔根处的内力反应值，远大于活载内力值，因此地震荷载往往控制下部结构的设计。同济大学土木工程学院桥梁工程系 王志强34 桥塔结构形式桥塔的设计 桥塔的设计1）桥塔的受力分析 桥塔的荷载 桥
