1、斜 拉 桥stayed-cable bridge环境与土木工程学院土木八班环境与土木工程学院土木八班-李晓雪李晓雪目目录录1.1 概述概述1.2 总体布置总体布置1.3 斜拉桥的构造斜拉桥的构造1.4 斜拉桥的计算斜拉桥的计算1.5 斜拉桥的施工斜拉桥的施工1.6 实例实例1.1 1.1 概述斜拉桥是将斜拉索两端分别锚固在塔和梁上，形成主梁、索塔、斜拉桥是将斜拉索两端分别锚固在塔和梁上，形成主梁、索塔、和斜拉索共同承载的结构体系。其中，主梁和索塔以受压为主，和斜拉索共同承载的结构体系。其中，主梁和索塔以受压为主，斜拉索受拉。斜拉索受拉。索塔大都采用混凝土结构，主梁一般采用混凝土结构、钢索塔大都
2、采用混凝土结构，主梁一般采用混凝土结构、钢-混凝混凝土组合结构或钢结构，斜拉索则采用高强材料（高强钢丝或钢土组合结构或钢结构，斜拉索则采用高强材料（高强钢丝或钢绞线）制成。绞线）制成。9909876599098765索索 塔塔索索 塔塔主梁主梁未张拉的拉索未张拉的拉索l 斜拉桥中荷载传递路径是：斜拉索的两端分别锚固在主梁和索塔上，斜拉桥中荷载传递路径是：斜拉索的两端分别锚固在主梁和索塔上，将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传至地基。将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传至地基。图图(a)表示三跨连续梁及表示三跨连续梁及其典型的恒载弯矩图，其典型的恒载弯矩图，而图而图(b)为三
3、跨斜拉桥及为三跨斜拉桥及其恒载内力图。从图中其恒载内力图。从图中可以看出，由于斜拉索可以看出，由于斜拉索的支承作用，使主梁恒的支承作用，使主梁恒载弯矩显著减小。此外，载弯矩显著减小。此外，斜拉索轴力产生的水平斜拉索轴力产生的水平分力对主梁施加了预压分力对主梁施加了预压力，从而可以增强主梁力，从而可以增强主梁的抗裂性能节约主梁的抗裂性能节约主梁中预应力钢材的用量中预应力钢材的用量1.1 1.1 概述l 斜拉桥属于高次超静定结构，包含较多的设计变量，桥型方案和寻求斜拉桥属于高次超静定结构，包含较多的设计变量，桥型方案和寻求合理设计较为困难。合理设计较为困难。l 现代斜拉桥的发展：现代斜拉桥的发展：
4、l 第一阶段：稀索布置，主梁较高，主梁以受弯为主，拉索更换不方第一阶段：稀索布置，主梁较高，主梁以受弯为主，拉索更换不方便；便；l 第二阶段：中密索布置，主梁较矮，主梁承受较大轴力和弯矩；第二阶段：中密索布置，主梁较矮，主梁承受较大轴力和弯矩；l 第三阶段：密索布置，主梁更矮，并广泛采用梁板式开口断面。第三阶段：密索布置，主梁更矮，并广泛采用梁板式开口断面。稀索布置稀索布置密索布置密索布置密索布置：日本，密索布置：日本，19991999年年5 5月月1 1日建成通车日建成通车,其主跨长达其主跨长达890890米米,主梁为主梁为P.C.P.C.与钢箱梁混合结构与钢箱梁混合结构 1.2 1.2 总
5、体布置目目录录1.2.1 跨距布置与分孔跨距布置与分孔1.2.2 索塔布置索塔布置1.2.3 拉索布置拉索布置1.2.4 主梁布置主梁布置1.2.1 1.2.1 跨距布置与分孔l 斜拉桥的跨径布置与分孔，除了考虑桥位处的地形、地质、水文条件、斜拉桥的跨径布置与分孔，除了考虑桥位处的地形、地质、水文条件、通航要求以及技术条件，还要考虑桥跨变化的韵律感与连续性。一般通航要求以及技术条件，还要考虑桥跨变化的韵律感与连续性。一般而言，斜拉桥跨径在而言，斜拉桥跨径在3001000m之间是较为合适的。常见的布置形之间是较为合适的。常见的布置形式有：式有：独塔双跨式、双塔三跨式、多塔多跨式独塔双跨式、双塔三
6、跨式、多塔多跨式1.2.1 1.2.1 跨距布置与分孔1、独塔双跨式斜拉桥独塔双跨式斜拉桥独塔双跨式斜拉桥是较为常见的布置方式，其主孔跨径较小，适用于跨独塔双跨式斜拉桥是较为常见的布置方式，其主孔跨径较小，适用于跨越中小河流与城市通道，如图越中小河流与城市通道，如图19.1所示。所示。独塔双跨式斜拉独塔双跨式斜拉桥桥2、双塔三跨式斜拉桥、双塔三跨式斜拉桥l双塔三跨式是斜拉桥最基本的布置方式，其主孔跨径大，适用于跨越双塔三跨式是斜拉桥最基本的布置方式，其主孔跨径大，适用于跨越较大的河流，如图较大的河流，如图19.2所示所示双塔三跨式斜拉桥双塔三跨式斜拉桥1.2.1 1.2.1 跨距布置与分孔3、
7、多塔多跨式斜拉桥、多塔多跨式斜拉桥l多塔多跨斜拉桥是另一种布置方式，它具有十分广阔的应用前景，如图多塔多跨斜拉桥是另一种布置方式，它具有十分广阔的应用前景，如图19.3所示。由于多塔多跨式斜拉桥中间塔塔顶没有端锚索来有效地限制它所示。由于多塔多跨式斜拉桥中间塔塔顶没有端锚索来有效地限制它的变位，因此，已经是柔性结构的斜拉桥采用多塔多跨式将使结构柔性进的变位，因此，已经是柔性结构的斜拉桥采用多塔多跨式将使结构柔性进一步增大，可能导致变形过大。一步增大，可能导致变形过大。多塔多跨式斜拉桥多塔多跨式斜拉桥1.2.2 1.2.2 索塔布置索塔设计必须适合于拉索的布置，传力应简单明确，在恒载索塔设计必须
8、适合于拉索的布置，传力应简单明确，在恒载作用下，索塔应尽可能处于轴心受压状态。所塔的布置形式作用下，索塔应尽可能处于轴心受压状态。所塔的布置形式有可从有可从纵向纵向和和横向横向两方面考虑两方面考虑1.2.2 1.2.2 索塔布置纵向布置形式纵向布置形式l从顺桥向，索塔的布置形式主要有单柱式、倒从顺桥向，索塔的布置形式主要有单柱式、倒Y型、型、A字型等几种，如图字型等几种，如图194所示。单柱式主塔构造相对较为简单，而所示。单柱式主塔构造相对较为简单，而A字型与倒字型与倒Y型在顺桥向刚型在顺桥向刚度大，能有效抵抗较大的负弯矩，有利于承受索塔两侧斜拉索的不平衡拉度大，能有效抵抗较大的负弯矩，有利于
9、承受索塔两侧斜拉索的不平衡拉力力A字型字型1.2.2 1.2.2 索塔布置横向布置形式横向布置形式l从横桥向，索塔的布置方式主从横桥向，索塔的布置方式主要有要有柱型柱型(单或双单或双)、门型或、门型或H型、型、A型、倒型、倒Y型及菱型型及菱型等，如图等，如图195所示。柱型塔构造简单，所示。柱型塔构造简单，但承受横向水平力的能力低。较但承受横向水平力的能力低。较单柱型而言，门型塔抵抗横向水单柱型而言，门型塔抵抗横向水平荷载的能力较强。平荷载的能力较强。A型和倒型和倒Y型主塔具有较大的横向刚度，但型主塔具有较大的横向刚度，但其构造及受力复杂，施工难度较其构造及受力复杂，施工难度较大。大。1.2.
10、2 1.2.2 索塔布置塔的高跨比塔的高跨比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，一般塔高与中跨之比跨之比HL中中14-17比较合适，同时这也是最恰当的景观角度。另比较合适，同时这也是最恰当的景观角度。另外，要保证足够的梁下空间，以使得梁下的净空与塔柱、主跨维持一种平外，要保证足够的梁下空间，以使得梁下的净空与塔柱、主跨维持一种平衡的美感，避免不协调的状况发生。具体计算时考虑索对梁的支承刚度分衡的美感，避免不协调的状况发生。具体计算时考虑索对梁的支承刚度分两种情况：两种情况：1）普通索普通索；2）端锚索端锚索1.2.
11、2 1.2.2 索塔布置普通索普通索拉索锚点处荷载拉索锚点处荷载P作用下，作用下，主梁主梁下挠量：下挠量：32tansincos3PbPbEAEI2sincos值最大，拉索的支承刚度最大，值最大，拉索的支承刚度最大，为为55最大；最大；tan越小，塔的越小，塔的支承刚度越大。支承刚度越大。1.2.2 1.2.2 索塔布置端锚索端锚索中跨布载时，水平力中跨布载时，水平力F作用下，塔顶水平位移为：作用下，塔顶水平位移为：2sincosFHE A 为为35时，时，最小，端锚索提供的支承刚度最大最小，端锚索提供的支承刚度最大综合考虑索和塔的共同影响，对于综合考虑索和塔的共同影响，对于每座斜拉桥存在一个
12、最佳高度每座斜拉桥存在一个最佳高度H，使得索和塔对主梁的支承刚度达到使得索和塔对主梁的支承刚度达到最大。最大。1.2.31.2.3拉索布置1、索面布置、索面布置索面布置主要有索面布置主要有单索面单索面、平行双索面平行双索面、空间斜向双索面空间斜向双索面等类型，如图等类型，如图196所示。所示。1.2.31.2.3拉索布置平行双索面类型对主梁截面抗扭有利平行双索面类型对主梁截面抗扭有利，主梁可采用较小抗扭刚度的主梁可采用较小抗扭刚度的截面并且具有较好的抗风稳定性，截面并且具有较好的抗风稳定性，斜向双索面对桥面梁体抵抗风力扭振十分有利，尤其适合于特大跨斜向双索面对桥面梁体抵抗风力扭振十分有利，尤其
13、适合于特大跨径的桥梁，倾斜的双索面应采用倒径的桥梁，倾斜的双索面应采用倒Y型、型、A型或双子型索塔。若跨径型或双子型索塔。若跨径过小，考虑视野问题，不宜采用。过小，考虑视野问题，不宜采用。单索面类型兼具美学与结构的优势，但拉索不起抗扭的作用，主梁单索面类型兼具美学与结构的优势，但拉索不起抗扭的作用，主梁要采用抗扭刚度较大的截面。这种体系不适合太宽的桥要采用抗扭刚度较大的截面。这种体系不适合太宽的桥1.2.31.2.3拉索布置2、拉索立面布置、拉索立面布置索面形状主要有（索面形状主要有（a）辐射形辐射形、（、（b）竖琴形竖琴形和（和（c）扇形扇形三种类型三种类型竖琴形竖琴形1.2.31.2.3拉
14、索布置辐射形布置的斜拉索沿主梁为均匀分布，而在索塔上则集中于塔顶辐射形布置的斜拉索沿主梁为均匀分布，而在索塔上则集中于塔顶一点。斜拉索的垂直分力对主梁的支承效果大，塔顶上的锚固点构一点。斜拉索的垂直分力对主梁的支承效果大，塔顶上的锚固点构造复杂造复杂。竖琴形布置的斜拉索成平行排列，外形美观，相较于辐射形拉索与竖琴形布置的斜拉索成平行排列，外形美观，相较于辐射形拉索与主梁的夹角较小，提供的竖向支承力小，拉索的用钢量大。主梁的夹角较小，提供的竖向支承力小，拉索的用钢量大。扇形布置的斜拉索相互不平行，它结合了上面两种布置方式的优点，扇形布置的斜拉索相互不平行，它结合了上面两种布置方式的优点，且克服了
15、二者的缺点，是一种较理想的索形，设计中被广泛应用。且克服了二者的缺点，是一种较理想的索形，设计中被广泛应用。1.2.31.2.3拉索布置3、索距的布置、索距的布置斜拉桥的索距为斜拉索在主梁上锚固点之间的间距。索距布置分为斜拉桥的索距为斜拉索在主梁上锚固点之间的间距。索距布置分为“稀稀索索”和和“密索密索”两种形式，现代斜拉桥多采用两种形式，现代斜拉桥多采用“密索密索”形式。形式。密索有如下优点：密索有如下优点：（1）索距小，主梁弯矩小；）索距小，主梁弯矩小；（2）索力较小，锚固构造简单；）索力较小，锚固构造简单；（3）锚固点附近应力流变化小，补强范围小；）锚固点附近应力流变化小，补强范围小；（
16、4）利于悬臂架设；）利于悬臂架设；（5)易于换索易于换索1.2.4 1.2.4 主梁布置l 主梁是斜拉桥直接承受荷载的重要构件，由于密索体系的发展使主梁主梁是斜拉桥直接承受荷载的重要构件，由于密索体系的发展使主梁变得更为轻薄纤细。主梁纵断面线型通常采用水平直线，对于桥跨较变得更为轻薄纤细。主梁纵断面线型通常采用水平直线，对于桥跨较大或需要保证桥下净空时，也可采用纵向竖曲线，这样可以避免跨径大或需要保证桥下净空时，也可采用纵向竖曲线，这样可以避免跨径较大造成拉索的下垂感，从而影响整个桥型的美观，并保持极强的跨较大造成拉索的下垂感，从而影响整个桥型的美观，并保持极强的跨越感。越感。1.3 1.3
17、斜拉桥的构造斜拉桥的构造主要从三个方面考虑：斜拉桥的构造主要从三个方面考虑：1）主梁的构造）主梁的构造（截面形式，梁高）、（截面形式，梁高）、2）主塔的构造）主塔的构造（组成，截面形式，锚固方式）、（组成，截面形式，锚固方式）、3）拉索的构造）拉索的构造（锚具（锚具与类型，锚固与减震方式）与类型，锚固与减震方式）1.3.11.3.1主梁的构造主梁的作用有三个方面：主梁的作用有三个方面：l1、将恒、活载分散传给拉索。梁的刚度越小，则承担的、将恒、活载分散传给拉索。梁的刚度越小，则承担的 弯矩越小；弯矩越小；l2、与拉索及索塔一起成为整个桥梁的一部分，主梁承受的力主要是、与拉索及索塔一起成为整个桥
18、梁的一部分，主梁承受的力主要是拉索的水平分力所形成的轴压力，因而需有足够的刚度防止压屈；拉索的水平分力所形成的轴压力，因而需有足够的刚度防止压屈；l 3、抵抗横向风载和地震荷载，并把这些力传给下部结构、抵抗横向风载和地震荷载，并把这些力传给下部结构l斜拉桥的主梁截面形式有斜拉桥的主梁截面形式有:梁式、板式、肋板式、箱形、半封闭形截面梁式、板式、肋板式、箱形、半封闭形截面等。等。1、板式、板式l板式截面的主梁一般适用于双面密索体系的混凝土窄桥，尤其是对于板式截面的主梁一般适用于双面密索体系的混凝土窄桥，尤其是对于斜索锚固在实体边主梁的情况。其具有构造简单，建筑高度小，抗风性斜索锚固在实体边主梁的
19、情况。其具有构造简单，建筑高度小，抗风性能好，施工方便的优点，如图能好，施工方便的优点，如图198所示。当板厚较大时，可采用空心所示。当板厚较大时，可采用空心板式断面。板式断面。荆州长江公路大桥主梁荆州长江公路大桥主梁2、箱型截面、箱型截面混凝土箱形截面主梁，是现代斜拉桥中经常采用的截面形式，它具有良混凝土箱形截面主梁，是现代斜拉桥中经常采用的截面形式，它具有良好的抗弯与抗扭刚度，能适应稀索、密索、单索面、双索面等不同的布好的抗弯与抗扭刚度，能适应稀索、密索、单索面、双索面等不同的布置情况。主要有置情况。主要有分离式单室双箱截面、半封闭式箱形截面、封闭式箱形分离式单室双箱截面、半封闭式箱形截面
20、、封闭式箱形截面、三角形箱形截面截面、三角形箱形截面，分别如图，分别如图abcd所示所示分离式单室双箱截面分离式单室双箱截面l分离式的两个箱体各自锚固于拉索，两箱之间则以横梁和桥面板连结。分离式的两个箱体各自锚固于拉索，两箱之间则以横梁和桥面板连结。双箱梁的典型截面为倒梯形。施工较为方便，但全截面的抗扭刚度较差。双箱梁的典型截面为倒梯形。施工较为方便，但全截面的抗扭刚度较差。1.5%1.5%1%1%17 5115 0115 0拉索17 52 6 5 03 00武汉长江二桥双箱形主梁武汉长江二桥双箱形主梁半封闭式箱形截面半封闭式箱形截面l其两侧为三角形封闭箱，端部加厚以便锚固拉索，外缘做成风嘴状
21、，其两侧为三角形封闭箱，端部加厚以便锚固拉索，外缘做成风嘴状，以减少迎风阻力。由于中间无底板，自重变得较轻，其适用于双索面斜以减少迎风阻力。由于中间无底板，自重变得较轻，其适用于双索面斜拉桥。拉桥。美国美国PK桥三角形双箱梁桥三角形双箱梁封闭式箱形截面封闭式箱形截面其箱梁中心对准斜拉索平面，两个箱梁用于承重和锚固拉索，箱梁顶设其箱梁中心对准斜拉索平面，两个箱梁用于承重和锚固拉索，箱梁顶设置桥面系。具有较好的抗弯和抗扭刚度，既可用于单索面的斜拉桥，也置桥面系。具有较好的抗弯和抗扭刚度，既可用于单索面的斜拉桥，也可用于双索面的斜拉桥。可用于双索面的斜拉桥。三角形箱形截面三角形箱形截面l种形式对于抗
22、风最有利。既适用于单索面的斜拉桥，也适用于双索面种形式对于抗风最有利。既适用于单索面的斜拉桥，也适用于双索面的斜拉桥。的斜拉桥。13000700025001502302150挪威挪威Skarnsunddet桥主梁桥主梁梁高的确定梁高的确定l混凝土斜拉桥的截面尺寸直接影响结构的抗弯和抗扭刚度，同时，其混凝土斜拉桥的截面尺寸直接影响结构的抗弯和抗扭刚度，同时，其梁高对截面的内力的影响也极大，并与拉索间距大小直接相关。梁高对截面的内力的影响也极大，并与拉索间距大小直接相关。主梁的高跨比：主梁的高跨比：l稀索：稀索：140170l密索：密索：1701200l双索面：双索面：1/1001/150l单索面
23、：单索面：1/501/100高宽比不宜小于高宽比不宜小于1/10。（若高宽比过小其。（若高宽比过小其 抗扭性抗扭性能不能保证）能不能保证）l 1.3.21.3.2主塔的构造l 1、塔的组成、塔的组成l 主塔主要由两部分组成：塔柱和塔柱间的横梁或其他构造。主塔主要由两部分组成：塔柱和塔柱间的横梁或其他构造。塔柱间的横梁或其他连接构件，如图塔柱间的横梁或其他连接构件，如图1910所示。所示。塔柱之间的横梁分为承重梁与非承重梁两种，前者塔柱之间的横梁分为承重梁与非承重梁两种，前者为设置于主梁支座的受弯横梁及塔柱转折处的压杆为设置于主梁支座的受弯横梁及塔柱转折处的压杆(或拉杆或拉杆)横梁，后者为塔顶横
24、梁和塔柱无转折的中横梁，后者为塔顶横梁和塔柱无转折的中问横梁。问横梁。塔柱是索塔的重要构件。塔柱根据其适用情况可分塔柱是索塔的重要构件。塔柱根据其适用情况可分外单塔柱和双塔柱。单塔柱用于单索面斜拉桥，主外单塔柱和双塔柱。单塔柱用于单索面斜拉桥，主梁截面采用箱型，当塔柱断面不大时，可以采用圆梁截面采用箱型，当塔柱断面不大时，可以采用圆形、矩形等。形、矩形等。索塔构件组成索塔构件组成1.3.21.3.2主塔的构造2、主塔的截面形式、主塔的截面形式l凝土塔的截面形式主要如下：实心体截面、凝土塔的截面形式主要如下：实心体截面、H形截面和箱形截面形式等形截面和箱形截面形式等等等倒角或圆角利于抗风倒角或圆
25、角利于抗风。H形截面对抗风形截面对抗风最为不利最为不利1.3.21.3.2主塔的构造2、索塔的锚固方式、索塔的锚固方式对于实心体截面和对于实心体截面和H形截面形式的索塔而言，由于锚固是对面张拉、交叉进行的，形截面形式的索塔而言，由于锚固是对面张拉、交叉进行的，水平力互相抵消，塔内不存在张拉力。水平力互相抵消，塔内不存在张拉力。对于箱形截面形式的空心索塔而言，采用布置预应力筋与钢横梁的方式来承担拉对于箱形截面形式的空心索塔而言，采用布置预应力筋与钢横梁的方式来承担拉索较大的水平拉力。预应力筋的布置方式主要有两种如图索较大的水平拉力。预应力筋的布置方式主要有两种如图1914所示和图所示和图1915
26、所示。钢横梁的方式是采用布置钢横梁来承担拉索的水平拉力，如图所示。钢横梁的方式是采用布置钢横梁来承担拉索的水平拉力，如图1916所示。所示。1.3.31.3.3拉索的构造l 拉索的构造基本上分为整体安装的拉索和分散安装的拉索两大类。前拉索的构造基本上分为整体安装的拉索和分散安装的拉索两大类。前者的代表为平行钢丝索配冷铸锚，将平行钢丝索中的钢丝换成等截面者的代表为平行钢丝索配冷铸锚，将平行钢丝索中的钢丝换成等截面的钢绞线即成为钢绞线索。后者的代表为平行钢绞线索配夹片锚具。的钢绞线即成为钢绞线索。后者的代表为平行钢绞线索配夹片锚具。常用的拉索还有封闭式钢缆常用的拉索还有封闭式钢缆封闭式钢缆封闭式钢
27、缆1.3.31.3.3拉索的构造1、平行钢丝索配冷铸锚、平行钢丝索配冷铸锚1.3.31.3.3拉索的构造l 2、平行钢绞线索配夹片锚、平行钢绞线索配夹片锚1.3.31.3.3拉索的构造2、拉索与混凝土梁的锚固、拉索与混凝土梁的锚固箱内具有加劲斜杆的单索面斜拉桥箱内具有加劲斜杆的单索面斜拉桥。双索面分离双箱或单索面整体箱。双索面分离双箱或单索面整体箱。双索面分离双箱或单索面整体箱。双索面分离双箱或单索面整体箱。适用于双索面斜拉索适用于双索面斜拉索1.3.31.3.3拉索的构造l 拉索在索塔上的锚固拉索在索塔上的锚固 实体塔交错实体塔交错锚固塔内设钢锚固塔内设钢管管钢扁担锚固钢扁担锚固 牛腿只受竖
28、向力牛腿只受竖向力钢锚箱钢锚箱 锚固锚固预应力空心塔预应力空心塔点非交错锚固，点非交错锚固，设环向预应力筋设环向预应力筋1.3.31.3.3拉索的构造3、拉索的减震、拉索的减震减震措施主要由三种：减震措施主要由三种：l 1）阻尼减震法）阻尼减震法l 2）气动控制法）气动控制法l 3）磁流变减震法）磁流变减震法1.3.31.3.3拉索的构造阻尼减震法阻尼减震法l阻尼减振法是在拉索上设置阻尼支点，阻尼支点可以采用高阻尼黏弹阻尼减振法是在拉索上设置阻尼支点，阻尼支点可以采用高阻尼黏弹性材料或黏性剪切型阻尼器来实现。性材料或黏性剪切型阻尼器来实现。内置式阻尼器内置式阻尼器 1.3.31.3.3拉索的构
29、造气动控制法气动控制法l气动控制法是将光滑的拉索做成具有螺旋凸纹、条形凸纹、圆形凹点、气动控制法是将光滑的拉索做成具有螺旋凸纹、条形凸纹、圆形凹点、条纹凹纹等形式，通过提高拉索表面的粗糙度，有效地减小风振的影响。条纹凹纹等形式，通过提高拉索表面的粗糙度，有效地减小风振的影响。日本多多罗大桥拉索上的圆形凹点日本多多罗大桥拉索上的圆形凹点1.3.31.3.3拉索的构造l磁流变减震法磁流变减震法l 磁流变减振法是用磁流变阻尼器取代油阻尼器，来实现斜拉桥的磁流变减振法是用磁流变阻尼器取代油阻尼器，来实现斜拉桥的“风风雨振雨振”问题。问题。多多罗大桥的制振缆索多多罗大桥的制振缆索1.51.5斜拉桥的计算
30、目目录录1.5.1 斜拉桥计算的主要特点斜拉桥计算的主要特点1.5.2 斜拉索的垂度效应计算斜拉索的垂度效应计算1.5.3 索力的初拟和调整索力的初拟和调整1.5.4 非线性问题的计算非线性问题的计算1.5.1 1.5.1 斜拉桥计算的主要特点斜拉桥是由塔斜拉桥是由塔(压弯压弯)、梁、梁(压弯压弯)、拉索、拉索(拉拉)三种基本构件组成的桥跨结构三种基本构件组成的桥跨结构支承支承(或固结或固结)在桥墩上的缆索承重结构，是典型的组合结构体系。其计在桥墩上的缆索承重结构，是典型的组合结构体系。其计算模型及理论按不同阶段有所不同算模型及理论按不同阶段有所不同。l 分阶段设计分阶段设计概念设计阶段概念设
31、计阶段技术设计阶段技术设计阶段施工阶段施工阶段特殊分析特殊分析恒载索李计算与调整恒载索李计算与调整可选用古典结构力学方法或平面杆可选用古典结构力学方法或平面杆系模式，采用计人收缩徐变的材料系模式，采用计人收缩徐变的材料非线性理论，特大跨径斜拉桥亦可非线性理论，特大跨径斜拉桥亦可考虑按二阶理论进行分析，考虑按二阶理论进行分析，中等跨径的斜拉桥可选择平面中等跨径的斜拉桥可选择平面杆系模式及考虑收缩、徐变的杆系模式及考虑收缩、徐变的材料非线性理论计算恒载作用材料非线性理论计算恒载作用下的内力下的内力;超大跨径时宜采用有超大跨径时宜采用有限位移理论。限位移理论。荷载、地震荷载、局部荷载、地震荷载、局部
32、温差等空间荷载，若仅温差等空间荷载，若仅关心其静力响应，可选关心其静力响应，可选用空间杆模式。用空间杆模式。拉索锚固区、塔梁固结区、不拉索锚固区、塔梁固结区、不同材料主梁结合区等的应力集同材料主梁结合区等的应力集中现象，应进行局部应力有限中现象，应进行局部应力有限元分析，必要时需考虑塑性重元分析，必要时需考虑塑性重分布影响。可采用子模型方法分布影响。可采用子模型方法，调整斜拉索力可改变斜拉桥结调整斜拉索力可改变斜拉桥结构的受力分配，从而优化结构构的受力分配，从而优化结构受力状态。受力状态。1、按施工过程分析、按施工过程分析l斜拉桥的成桥状态要通过一系列的施工步骤来实现。斜拉桥的成桥状态要通过一
33、系列的施工步骤来实现。在成桥状态目标和施工在成桥状态目标和施工程序拟定后，即可确定程序拟定后，即可确定斜拉索施工各次张拉力。斜拉索施工各次张拉力。目前，确定斜拉索各次目前，确定斜拉索各次张拉力的方法主要有：张拉力的方法主要有：倒拆法、正装一倒拆迭倒拆法、正装一倒拆迭代法、正装迭代法。代法、正装迭代法。l2、结构分析的有限元模型建立、结构分析的有限元模型建立l 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。有限元分析首先是建立计算模型，对整于小位移的直接刚度矩阵法。有限元分析首先是建立计算模型，对
34、整体结构划分单元和结点，形成结构离散图，研究各单元的性质，并用体结构划分单元和结点，形成结构离散图，研究各单元的性质，并用合适的单元模式进行模拟。合适的单元模式进行模拟。l 单元模拟：柔性拉索：可用拉压杆单元进行模拟，用等效弹性模量方单元模拟：柔性拉索：可用拉压杆单元进行模拟，用等效弹性模量方法考虑斜索的垂度影响；梁和塔单元：可用梁单元进行模拟。法考虑斜索的垂度影响；梁和塔单元：可用梁单元进行模拟。斜拉桥结构分析离散图斜拉桥结构分析离散图l 内力计算内力计算斜拉桥内力及变形分析包括主梁、桥塔、斜拉索、基础，所承受斜拉桥内力及变形分析包括主梁、桥塔、斜拉索、基础，所承受的荷载包括一期恒载、二期恒
35、载、活载、温度变化、支座沉降、的荷载包括一期恒载、二期恒载、活载、温度变化、支座沉降、预应力、斜拉索拉力、混凝土收缩徐变、施工荷载等。预应力、斜拉索拉力、混凝土收缩徐变、施工荷载等。特大跨径的斜拉桥，为消除斜拉索垂度及大变位引起的非线性因特大跨径的斜拉桥，为消除斜拉索垂度及大变位引起的非线性因素的影响，必须采用有限变形理论；对于中小跨径的斜拉桥，采素的影响，必须采用有限变形理论；对于中小跨径的斜拉桥，采用小变形理论可获得满意的结果。用小变形理论可获得满意的结果。1.5.2 1.5.2 斜拉索的垂度效应计算l 1、等效弹性模量、等效弹性模量斜拉桥的拉索一般采用柔性索，斜索在自重的作用下会产生一斜
36、拉桥的拉索一般采用柔性索，斜索在自重的作用下会产生一定的垂度，这一垂度的大小与索力有关，垂度与索力呈非线性定的垂度，这一垂度的大小与索力有关，垂度与索力呈非线性关系关系。索的伸长量包括弹性伸长和克服垂度的伸长，可用等效弹性模索的伸长量包括弹性伸长和克服垂度的伸长，可用等效弹性模量的方法，在弹性伸长公式中计入垂度的影响。量的方法，在弹性伸长公式中计入垂度的影响。q为斜索自重集度，为斜索自重集度，fm为斜索跨中的径向挠度。因索不承担弯矩，根据为斜索跨中的径向挠度。因索不承担弯矩，根据索中弯矩为零的条件，得到：索中弯矩为零的条件，得到：aHqLfqqaqllqTfmmcos8coscos.81812
37、1221索的伸长与垂度的关系：索的伸长与垂度的关系：l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：长度为：283mfSll22 3228cos324mfq llSllT 2 323cos12d lq ldTT l 用弹性模量的概念表示上述垂度的影响，则有：用弹性模量的概念表示上述垂度的影响，则有：3322321212cosfdTllTEd lAAq lL()fdldTdlE A/T AqAcosL l 计算垂度效应的当量弹性模量计算垂度效应的当量弹性模量 式中式中：eeE 在在T T的作用下，斜拉索的弹性应变为
38、：的作用下，斜拉索的弹性应变为：l 等效弹性模量为：等效弹性模量为：1eeqeefeffEEEEEE23112eeqeeEEELE(1)即即斜拉索等效弹模与斜索水平斜拉索等效弹模与斜索水平投影长投影长L的关系的关系l 2、斜拉索两端倾角修正、斜拉索两端倾角修正斜拉索两端的钢导管安装时，必须考虑垂度引起的索两端倾角的变化量斜拉索两端的钢导管安装时，必须考虑垂度引起的索两端倾角的变化量，否则将造成导管轴线偏位。一般情况下，可按抛物线计算，即：否则将造成导管轴线偏位。一般情况下，可按抛物线计算，即：244tancos822mfqlqLLllTT 1tan()2L 取恒载内力，不是组合内力。取恒载内力
39、，不是组合内力。当索的水平投影长度很长时（当索的水平投影长度很长时（L300m），按抛物线计算会带来一定的），按抛物线计算会带来一定的误差，因而应采用更精确的悬链线方程求解。误差，因而应采用更精确的悬链线方程求解。1.5.3 1.5.3 索力的初拟和调整l 1、索力初拟、索力初拟对于主跨，忽略主梁抗弯刚度影响，根据竖向力的平衡，得到：对于主跨，忽略主梁抗弯刚度影响，根据竖向力的平衡，得到：/s inm imiTW 拉索引起的水平力为拉索引起的水平力为：cos/tanmimiimiFTW 进一步考察边跨，忽略塔的抗弯刚度，则主、边跨拉索的水平分力应相进一步考察边跨，忽略塔的抗弯刚度，则主、边跨拉
40、索的水平分力应相等，得到：等，得到：/cos/costancosmbibiimiiiiWTFF 边跨第边跨第i号索支承的恒载重量号索支承的恒载重量Wb可依据可依据Tbi作相应的调整：作相应的调整：tansintanibbiimiWTW l 2、索力调整、索力调整l 在斜拉桥设计中，通常先要确定一个合理成桥状态，然后根据拟定的在斜拉桥设计中，通常先要确定一个合理成桥状态，然后根据拟定的施工工序确定各合理施工状态。施工工序确定各合理施工状态。合合 理理 成成 桥桥 状状 态态据成桥状态的受力图式来计算据成桥状态的受力图式来计算施工过程将索的张拉程序逐个细化施工过程将索的张拉程序逐个细化分析方法有简
41、支梁法、刚性支承分析方法有简支梁法、刚性支承连续梁法、可行域法。连续梁法、可行域法。（1 1）简支梁法简支梁法选择合适的拉索初张力，使主梁结构的恒载内力与主梁以拉索选择合适的拉索初张力，使主梁结构的恒载内力与主梁以拉索的锚固点为简支支承的简支梁内力一致。的锚固点为简支支承的简支梁内力一致。（2）刚性支承连续梁法）刚性支承连续梁法将斜拉索和主梁锚固点处作为刚性支承点（零挠度）进行分析，将斜拉索和主梁锚固点处作为刚性支承点（零挠度）进行分析，计算出各支点反力计算出各支点反力。（3）可行域法）可行域法主梁必定存在一个索力可行域，使主梁在各种工况下各截面应力均在主梁必定存在一个索力可行域，使主梁在各种
42、工况下各截面应力均在容许范围之内。容许范围之内。1.51.5斜拉桥的施工目目录录1.5.1 主梁的施工主梁的施工1.5.2 索塔的施工索塔的施工1.5.3 拉索的施工拉索的施工目目录录1.5.1 1.5.1 主梁的施工l 大跨度斜拉桥的主梁一般采用大跨度斜拉桥的主梁一般采用悬臂法施工悬臂法施工（悬臂浇筑法、悬臂预制（悬臂浇筑法、悬臂预制法），但对于跨径不大的斜拉桥，根据施工条件，也可采用顶推法、法），但对于跨径不大的斜拉桥，根据施工条件，也可采用顶推法、平转法或支架法施工。平转法或支架法施工。1.5.1 1.5.1 主梁的施工1、悬臂法施工、悬臂法施工l现代大跨径斜拉桥主梁施工常用悬臂法，悬臂
43、施工法可分为现代大跨径斜拉桥主梁施工常用悬臂法，悬臂施工法可分为悬臂拼装悬臂拼装法法和和悬臂浇筑法悬臂浇筑法两种。两种。l采用悬臂法进行桥梁结构施工时总的施工顺序是：墩顶采用悬臂法进行桥梁结构施工时总的施工顺序是：墩顶0号块的浇筑，号块的浇筑，悬臂节段的预制安装或挂篮现浇；各桥跨间合拢段施工及相应的施工结悬臂节段的预制安装或挂篮现浇；各桥跨间合拢段施工及相应的施工结构系转换；桥面系施工。构系转换；桥面系施工。1.5.1 1.5.1 主梁的施工悬臂拼装法悬臂拼装法l悬臂拼装法先在塔柱区现浇一段放置起吊设备的起始梁段，然后用起悬臂拼装法先在塔柱区现浇一段放置起吊设备的起始梁段，然后用起吊设备从塔柱
44、两侧依次对称安装预制梁段，同时逐渐安装斜拉索，使悬吊设备从塔柱两侧依次对称安装预制梁段，同时逐渐安装斜拉索，使悬臂不断伸长直至合拢。臂不断伸长直至合拢。1.5.1 1.5.1 主梁的施工l 图图221是美国哥伦比亚桥主梁悬臂拼装示意图。先把吊装梁安装好并锚固是美国哥伦比亚桥主梁悬臂拼装示意图。先把吊装梁安装好并锚固在已架好的梁上，并由塔顶的辅助钢索保持平衡，再安装与吊杆相连的千斤在已架好的梁上，并由塔顶的辅助钢索保持平衡，再安装与吊杆相连的千斤顶，当驳船将预制梁段运到桥下时，将吊杆与预制梁段铰接，通过千斤顶起顶，当驳船将预制梁段运到桥下时，将吊杆与预制梁段铰接，通过千斤顶起吊，使梁段慢慢提升到
45、桥面标高就位。梁段间用环氧树脂和预应力筋相连接，吊，使梁段慢慢提升到桥面标高就位。梁段间用环氧树脂和预应力筋相连接，待环氧树脂凝固后，张拉拉索，重复上述步骤，再安装下一梁段。待环氧树脂凝固后，张拉拉索，重复上述步骤，再安装下一梁段。1.5.1 1.5.1 主梁的施工悬臂浇筑法悬臂浇筑法主梁悬臂浇筑施工方法，是从塔柱两侧用挂篮对称逐段就地浇筑主梁混主梁悬臂浇筑施工方法，是从塔柱两侧用挂篮对称逐段就地浇筑主梁混凝土的一种施工方法。我国大部分混凝土斜拉桥主梁都是采用悬臂浇筑凝土的一种施工方法。我国大部分混凝土斜拉桥主梁都是采用悬臂浇筑法施工的。该法梁段的制作和安装作业均在挂篮上进行。法施工的。该法梁
46、段的制作和安装作业均在挂篮上进行。1.5.1 1.5.1 主梁的施工l 悬臂浇筑程序悬臂浇筑程序a)支架现浇支架现浇0号及号及1号块并挂索；号块并挂索；b)拼装牵索挂篮，对称悬浇梁段；拼装牵索挂篮，对称悬浇梁段；c)挂篮前移，依次悬浇梁段挂篮前移，依次悬浇梁段1-索塔；索塔；2-现浇梁段；现浇梁段；3-现拼支架；现拼支架；4-前支点挂篮；前支点挂篮；5-斜拉索；斜拉索；6-前支前支点斜拉索；点斜拉索；7-悬浇梁段悬浇梁段1.5.1 1.5.1 主梁的施工2、其他施工工艺、其他施工工艺支架法支架法：该法主要应用在桥下净空较低，搭设支架不影响交通，且具该法主要应用在桥下净空较低，搭设支架不影响交通
47、，且具有足够的支架设备的场合。有足够的支架设备的场合。平推法：平推法：该方法较适用于桥下净空较低、修建临时支墩造价不高、支该方法较适用于桥下净空较低、修建临时支墩造价不高、支墩不影响桥下交通、抗拉和抗压能力相同、能承受反复弯矩的钢斜拉墩不影响桥下交通、抗拉和抗压能力相同、能承受反复弯矩的钢斜拉桥主梁的施工。桥主梁的施工。平转法平转法：施施该法该法适用于桥址地形平坦、河滩平整的情况下，或人工开适用于桥址地形平坦、河滩平整的情况下，或人工开挖的运河中，以及桥粱结构具有适合罄体转动的结构体系和墩身较矮挖的运河中，以及桥粱结构具有适合罄体转动的结构体系和墩身较矮的桥梁施工中。的桥梁施工中。1.5.1
48、1.5.1 主梁的施工l3、主梁施工注意事项、主梁施工注意事项l（1）塔梁临时固结措施塔梁临时固结措施l 1）加临时支座并锚固主梁）加临时支座并锚固主梁l 2）设临时支承）设临时支承l(2）无索区施工无索区施工1.5.21.5.2索塔施工l 斜拉桥的索塔一般由塔座、塔柱、横梁和塔冠几部分组成，它是全桥斜拉桥的索塔一般由塔座、塔柱、横梁和塔冠几部分组成，它是全桥的主要承重构件，除承受因自重引起的轴力外，还承受水平荷载以及的主要承重构件，除承受因自重引起的轴力外，还承受水平荷载以及通过拉索传递给塔的竖向荷载。此处主要介绍钢筋混凝土索塔的施工通过拉索传递给塔的竖向荷载。此处主要介绍钢筋混凝土索塔的施
49、工方法。方法。1.5.21.5.2索塔施工1、索塔施工顺序、索塔施工顺序l混凝土斜拉桥可先施工墩、塔，然后施工主梁和安装拉索，也可索塔、拉索、混凝土斜拉桥可先施工墩、塔，然后施工主梁和安装拉索，也可索塔、拉索、主梁三者同时并进。典型的墩塔固结混凝土索塔的施工可按图主梁三者同时并进。典型的墩塔固结混凝土索塔的施工可按图225的施工顺序的施工顺序进行进行。1.5.21.5.2索塔施工2、塔座的施工、塔座的施工l塔座是塔柱与承台连接的重要结构，施工时，其平面位置、标高、倾塔座是塔柱与承台连接的重要结构，施工时，其平面位置、标高、倾斜度等都必须准确测量。塔柱劲性骨架和主钢筋预埋的准确性直接影响斜度等都
50、必须准确测量。塔柱劲性骨架和主钢筋预埋的准确性直接影响下塔柱的施工精度和线性，也应精确定位。下塔柱的施工精度和线性，也应精确定位。1.5.21.5.2索塔施工l3、塔柱的施工、塔柱的施工混凝土索塔的塔柱可分为下塔柱、中塔柱和上塔柱，一般采用就地浇筑。混凝土索塔的塔柱可分为下塔柱、中塔柱和上塔柱，一般采用就地浇筑。模板和脚手平台的做法常用模板和脚手平台的做法常用支架法、滑模法、爬模法支架法、滑模法、爬模法和和翻模法翻模法等。等。1.5.21.5.2索塔施工爬模法爬模法l爬模法施工是用一段模板带爬架一起固定在下段已浇混凝土的主体上，浇上段爬模法施工是用一段模板带爬架一起固定在下段已浇混凝土的主体上
