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1、第四篇 混凝土斜拉桥第一章 概述第一节 斜拉桥的发展一、国外的发展20世纪30年代，德国工程师迪辛格（Dischinger）首先认识到斜拉桥结构上的优越性，建成第一座现代斜拉桥主跨182m的新斯特雷姆伍特桥（Stromsumd）于1955年在瑞典建成。1962年建成的马拉开波桥是第一座混凝土斜拉桥，主跨为1605235160，采用稀索布置，索塔两侧仅一对预应力拉混凝土拉索。此后斜拉桥得到迅速发展，全球建成300多座。1994年建成法国诺曼底桥，主跨为856m，是目前世界上最大跨径的混合型斜拉桥。1998年底日本建成的主跨为890m的多多罗大桥，是20世纪最大跨径的钢斜拉桥。二、斜拉桥在我国发展
2、（19座，L400m）我国在1993年建成了上海杨浦大桥，主跨为603m，是20世纪世界上最大跨径的结合梁斜拉桥。三、斜拉桥的发展阶段第一阶段：稀索布置，主梁基本上是弹性支承连续梁第二阶段：中密索，既是弹性支承连续梁，又承受较大的轴向力第三阶段：密索布置承受强大的轴向力，同时又是一个受弯构件20年的发展中，混凝土斜拉桥的发展异常迅速，除了跨径不断增加外，主梁高不断减小，主梁的高跨比从1/40左右发展到1/254，索距从60m-70m减少到10m以下，截面型式从梁式桥截面型式发展到扁平的板式梁截面，最大跨径已达530m。根据国内外桥梁专家的研究分析，混凝土斜拉桥的最大跨径可达700m，钢斜拉桥跨
3、径可达1300m，结合梁斜拉桥（主梁为钢混凝土结合梁）最大跨径可达1000m。经济跨径在200m-500m之间。第二节 总体布置及结构体系一、总体布置总体布置主要解决塔索布置，跨径布置，拉索及主梁的关系，塔高与跨径关系。1、跨径布置现代斜拉桥最典型的跨径布置有两种：双塔三跨和单塔二跨，特殊情况下也可以布置成独塔单跨式、双塔单跨式及多塔多跨式。双塔三跨 是斜拉桥最常见的一种布置方式。主跨根据通航要求、水文、地形、地质和施工条件定。考虑简化设计、方便施工，边跨常成相等的对称布置。也可采用不对称布置。边跨比中跨 ，经济跨径为0.4。应考虑全桥的刚度、拉索的疲劳度、锚固墩承载能力多种因素。如：主跨有荷
4、载会增加端锚索的应力，而边跨上有活载时，端锚索应力会减少。拉索的疲劳强度是边跨与主跨跨径允许比值的判断标准。当跨径比为0.5时，可对称悬臂施工到跨中进行合拢。小于0.5时，一段悬臂是在后锚的情况下施工的。单塔二跨 可采用两跨对称布置或两跨不对称布置。两跨对称布置，由于一般没有端锚索，不能有效约束塔顶位移，故在受力和变形方面不能充分发挥斜拉桥的优势。而如果用增大桥塔的刚度来减少塔顶变位则不经济。两跨布置可设置端锚索控制桥塔顶的位移。故常采用两跨不对称布置。边跨比上主跨 。采用不对称布置时，注意悬臂端部的压重和锚固。辅助墩及外边孔当斜拉桥的边孔设在岸上或浅滩，边孔高度不大或不影响通航时，在边孔设置
5、辅助墩，可以改善结构的受力状态。当辅助墩受压时，减少了边孔主梁弯矩，而受拉时则减少了中跨主梁的弯矩和挠度，从而大大提高全桥的刚度。边孔设置一个辅助墩后，塔顶水平位移、主梁跨中挠度、塔根弯矩和边跨主梁弯矩都大大减少，加两个辅助墩，内力和位移虽然下降幅度减少，三个辅助墩，内力和弯矩没有明显变化。 当设置辅助墩困难或造价较高时，可采用外边孔的构造型式，将斜拉桥的主梁向前后两侧再连续延伸一孔或数孔，使斜拉桥的主梁与引桥的上部结构形成连续梁形式。但主梁与引桥的上部结构相连，地震时将增加斜拉桥的水平惯性力。2、索塔高度索塔高度不仅与斜拉桥的主跨径有关，还与拉索的索面型式（辐射式，竖琴式或扇式）、拉锁的索距
6、和拉索的水平倾角有关。一般在主跨相同的情况下，索塔高度底，拉索的水平倾角就小，则拉索的垂直分力对主梁的支承效果小，导致拉索的钢材用量增加。拉索的高度应由经济比较来确定。双塔：，单塔：3、拉索布置拉索对主梁有弹性支承作用，对整个斜拉桥的结构刚度和经济合理性起着重要的作用。拉索一般采用抗拉强度高、疲劳强度好和弹性模量较大的高强钢丝、钢绞线及高强粗钢筋等。拉索在空间的布置型 可布置成单索面和双索面。双索面又分为竖直双索面和倾斜双索面。单索面时，对抗扭不起作用，因此要求主梁应采用抗扭刚度较大的截面，跨度也不宜过大，目前单索面混凝土斜拉桥的最大跨径是法国的艾龙河（Elon），主跨为400m，双索面时，两
7、个拉索面能加强结构的抗扭刚度，不需要强调主梁采用抗扭刚度大的箱型截面。倾斜双索面抗风效果好。较窄的双车道桥梁不宜采用单索面布置。中央要设中央分隔带。拉索在索面内的布置型式 具体有辐射式、竖琴式、扇式。（1）辐射式拉索与水平面的平均交角大，拉索垂直分力对主梁的支承效果好，拉索用量省。拉索的水平分力在塔顶平衡，索塔的弯具小，索塔高度比另外两种布置型式低。所有拉索锚固于塔顶，使塔顶的构造比较复杂，局部应力集中现象突出。目前应用较少。（2）竖琴式 所有拉索的倾角相同，拉索和桥塔的锚固点分散布置，连接构造简单。加强了索塔的顺桥向刚度，对减少索塔的弯矩和提高稳定性有帮助。如将中间拉索用边孔内设置的辅助墩锚
8、固，可大大减少索塔的弯矩和变形。拉索倾角小，拉索对主梁的支承效果差，拉索用量大。无法形成漂浮体系，于抗风、抗震不利，难于控制跨中弯矩。一般用于中小跨径的桥（3）扇型兼有辐射形和竖琴形的优点，式采用得最多得一种桥型。 具有很好得抗扭刚度以及抗风振动稳定性和抗地震稳定性。 对拉索的锚固位置、构造要求及施工工艺要求高。拉索间距 早期采用拉索很少而刚性大的稀索布置，索距达15m30m（混凝土主梁），30m50m（钢主梁），拉索索力容易控制在设计预期值。索距大，主梁的弯矩和剪力大，要求较高的主梁高度。拉索内力大，锚固区需要进行补强，施工困难。 现代采用密索布置，使主梁弯矩减小，轴力增大。梁高降低，可做成
9、梁板式截面，改善了动力性能，提高了结构的抗风、抗震能力。多索布置与悬臂平衡施工方法相似，有利于施工控制。可在行车时更换拉索。可能产生分振问题，边跨主梁可能产生较大负弯矩及端锚索刚度较小问题。索距：混凝土达4m12m钢斜拉桥达8m24m。拉索倾角（边索）拉索的倾角与拉索受力情况有关。当索与梁之间的倾角增大，则拉索索力减小，蛋塔的高度与索的长度都要增加，索塔截面可减小。 如图：假设索塔高度H及主跨水平力 为常数，锚索倾角 及边跨跨径 为可变数。此时拉索轴力 和截面积 与 值成反比，拉索长度 与值成反比，则拉索重力可用下式表示：拉索重力：拉索材料的单位体积重力：比例常数由上式可知， 为 时， 为最小
10、，材料最经济。另外如图所示，塔索的轴力和主梁端支点的负反力均为 ，当 不变时， 越小，则索塔的轴力和主梁端支点负反力就越小。而梁的轴力 与 相等，与无关。根据上述分析， 角应小于 较经济。角控制在 ，竖琴形布置较多取 ，辐射形或扇形布置， 范围， 最为普遍。4、主梁的布置 连续体和非连续体主梁为连续体系主梁为连续梁或连续刚构（拉索为跨内的弹性支承），为改善受力布置外边孔时，斜拉桥主梁梁体还与边跨或引桥的上部结构主梁相连续。主梁为非连续体系 在双塔三跨式斜拉桥的主跨中央部分，带有一个简支挂孔或剪力绞。（1）带有挂孔 带有挂孔的主梁布置型式简化了结构体系，减少了结构的超静定次数较好的解决了两个塔拄
11、不均匀沉降。主梁的非连续破坏了桥梁的整体性。（2）带有剪力绞剪力绞可以只传递剪力和轴向力，不传递弯矩。可以缓解温度内力的影响，但也破坏了桥面的整体稳定。剪力绞设计、施工和养护困难，尽量避免采用。二、结构体系斜拉桥的结构体系可以根据主梁、拉索、索塔和桥墩的不同结合方式形成结构体系，也可根据拉索的锚拉体系来形成斜拉桥的不同结构体系。（一）由梁、索、塔、墩的不同结合构成的四种不同的结构体系。1、塔墩固结、塔梁分离漂浮体系 主梁除两端有支承外，其余全部由拉索作为支承，成为在纵向可稍作浮动的一根具有多点弹性支承的单跨梁。现代大跨度混凝土斜拉桥大多采用。优点：满载时，塔柱处主梁不出现负弯矩峰值温度积混凝土
12、收缩、徐变内力均小在密索情况下，主梁各截面的变形和内力的变化较平缓，受力均匀。 地震时允许全梁纵向摆动，从而起抗震的作用缺点：当采用悬臂施工时，塔柱处梁段需临时固结，以抵抗施工过程中的不平衡弯矩和纵向剪力。 拉索不能对主梁提供有效的横向支承，所以对漂浮体系必须施加一定的横向约束，提高振动频率以改善动力性能。一般在塔柱和主梁之间设置板式橡胶支座或聚四氟乙烯盆式支座，对主梁在横向形成较为柔性的约束。如图：2、塔墩固结、塔梁分离，在塔墩处主梁下设置竖向支承半漂浮体系半漂浮体系的主梁成为在跨内具有多点弹性支承的连续梁或悬臂梁。半漂浮体系的主梁内力在塔墩支承处出现负弯矩峰值，通常须加强支承区段的主梁截面
13、。温度及混凝土收缩、徐变内力也较大。但在墩顶设置可调节高度的支座或弹簧支承来代替从塔柱中心悬吊下来的拉索（0索），并在成桥时调整支座反力，以消除大部分收缩、徐变的不良影响。3、塔梁固结、塔墩分离塔梁固结体系塔梁固结并支承在桥墩上，主梁相当于顶面用拉索加强的一根连续梁或悬臂梁。取消了承受很大弯矩的梁下塔柱部分，使塔柱和主梁的温度内力极小，并可显著减小主梁中央段承受的轴向拉力。 当中跨满载时，由于主梁在墩顶处转角位移导致塔柱倾斜，使塔顶产生较大的水平位移，显著增大了主梁的跨中挠度和边跨的负弯矩。 对于大跨径的桥，上部结构反力大，可能需要设置上万吨的支座，使支座构造复杂，且动力特性不理想，于抗风、抗
14、震不利，固不宜采用。4、主梁、索塔、桥墩三者互为固结刚构体系 梁、塔、墩固结，主梁成为在跨内有多点弹性支承的刚构。 结构刚度大，主梁和塔柱的挠度均较小，不需要大吨位的支座，最适合悬臂施工。 刚构体动力性能差，尤其在窄桥时。应认真进行动力性能研究。 在固结处主梁负弯矩极大，在此段内主梁截面必须加大。 为了消除固结点处及墩脚处产生的温度附加弯矩，可在双塔三跨式主梁跨中设置可以允许水平位移的剪力绞或挂梁。但这样对行车不利。 在塔墩很高的双塔三跨式斜拉桥中，若采用双薄臂柔性墩，适应由于温度、混凝土收缩、徐变和活载引起主梁的水平位移，形成连续刚构桥。既能保持刚构体系的优点，又能使行车平顺。（二）按拉索的
15、锚拉体系不同而形成的三种结构体系1、自锚式斜拉桥 塔前拉索分散锚固在主梁梁体上，而塔后侧的拉索除了最后边的锚固在主梁端支点处以外，其余拉索则分散锚固在边跨主梁上或将一部分拉索集中锚固在端支点附近的主梁上。拉索的水平分力由主梁的轴力来平衡。锚固在端支点处的拉索索力最大，需要较大截面，对控制塔顶的变位起重要作用。2、地锚式斜拉桥单跨式斜拉桥一般采用地锚式。由拉索的水平分力引起的梁内水平轴力必须由相应的下部结构（地锚）来承担。3、部分地锚式斜拉桥 边跨相对于主跨很小时，可以将边跨部分拉索锚固在主梁上，而部分拉索布置成地锚式。（三）锚拉体系与主梁轴力的关系拉索作为斜拉桥的弹性支承，减少了梁内弯矩，拉索所里的水平分力时主梁产生轴向力。其分布和正负号随斜拉桥拉索的锚拉体系和主梁的支承条件不同变化。 如图a,主梁两端可自由活动，梁体轴力为正（受拉），跨中轴力大于两端压力。 b图，主梁两端固定，跨中设置
