斜拉橋與懸索橋之對(duì)比

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第四篇斜拉橋與懸索橋

第一章斜拉橋

教學(xué)目的：1、把握斜拉橋橋型的構(gòu)造及力學(xué)特點(diǎn)。

2、了解斜拉橋的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介。

教學(xué)內(nèi)容：

1、斜拉橋主要由主梁、索塔和斜拉索三大部分組成。2、斜拉橋常見(jiàn)的孔跨布置方式和立面上的布置方式。3、斜拉橋的梁、塔、墩的結(jié)合方式。4、斜拉橋的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介。重點(diǎn)：1、斜拉橋構(gòu)造特點(diǎn)。

2、斜拉橋的梁、塔、墩的結(jié)合方式。難點(diǎn)：斜拉橋的梁、塔、墩的結(jié)合方式。思考題及習(xí)題：

1．斜拉橋的主要受力特點(diǎn)是什么?

2．斜拉橋主梁常采用哪些截面，各有何特點(diǎn)?

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第一章斜拉橋

一、斜拉橋的力學(xué)特點(diǎn)1、組成:

主梁——混凝土、鋼—混凝土組合、鋼索塔——鋼筋混凝土

斜拉索——高強(qiáng)材料(高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線(xiàn))2、荷載傳遞路徑：

主梁——多跨彈性支承的連續(xù)梁。

斜拉索對(duì)主梁的多點(diǎn)彈性支承作用，只有在拉索始終處于拉緊狀態(tài)時(shí)才能得到充分發(fā)揮。因此在主梁承受荷載之前對(duì)斜拉索要進(jìn)行預(yù)張拉。

預(yù)張拉力——主梁一個(gè)初始支承力——調(diào)整主梁初始內(nèi)力，并提高斜拉索的剛度。斜拉索水平分力對(duì)主梁預(yù)壓，——加強(qiáng)主梁的抗裂性能，儉約高強(qiáng)鋼材的用量3、斜拉橋與懸索橋的區(qū)別：結(jié)構(gòu)剛度大小主梁承受軸力——可以對(duì)主梁內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整剛度可改變

4、索力調(diào)整——主梁受力均勻——經(jīng)濟(jì)、安全——工序繁瑣5、拉索的防護(hù)、新型錨具的工藝和耐疲乏問(wèn)題二、斜拉橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造與型式（一）孔跨布置:雙塔三跨式

最常見(jiàn)，主跨跨徑較大，適用較大河流

主跨作用活載時(shí)，塔向中跨側(cè)發(fā)生水平傾斜，此時(shí)邊跨剛度將顯著減小塔的傾斜量，從而提高了中跨的剛度。

有效方法：加粗端錨索或增加邊跨輔助墩。獨(dú)塔雙跨式

常見(jiàn)：主跨跨徑比雙塔三跨式主跨跨徑要小，適用中小河流和城市道路當(dāng)邊跨較大時(shí)，一般需在邊跨范圍內(nèi)布置輔助墩，以提高主跨剛度三塔四跨式和多塔多跨式十分少

原因：中間塔沒(méi)有端錨索來(lái)有效地限制它的變位，

可將中間塔做成剛性塔(例如A形塔)，或用拉索對(duì)中間塔頂加勁，或增加主梁梁高、采用矮塔部分斜拉橋體系（二）構(gòu)造1、斜拉索組成：

抗拉強(qiáng)度高、彈性模量大且抗疲乏性能好的鋼平行高強(qiáng)鋼絲束、平行鋼絞線(xiàn)束

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斜拉索造價(jià)約占全橋造價(jià)的25％一30％。斜拉索防護(hù)——使用壽命立面形式：

①輻射形——集于塔頂一點(diǎn)。索與水平面的平均交角較大——支承效果也大塔頂錨固點(diǎn)構(gòu)造過(guò)于繁雜

②豎琴形索成平行排列——塔上錨固點(diǎn)分散，對(duì)索塔的受力有利，傾角較小鋼索用量較多。③扇形布置廣泛應(yīng)用。

橫向布置方式單面索——設(shè)置在橋梁縱軸線(xiàn)上，不需增加橋面寬度，有最小的橋墩尺寸和最正確的視線(xiàn)

雙面索——應(yīng)用最廣平行

傾斜——良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性，特大跨度

斜拉索的傾角拉索傾角大，豎向分力大，主梁彈性支承作用大——相應(yīng)地增加塔高和拉索用量；拉索傾角小，可降低塔高，減少材料用量大，豎向分力相應(yīng)減小，對(duì)主梁彈性支承作用也相應(yīng)減弱。2、主梁

主梁力學(xué)體系：偏心受壓構(gòu)件連續(xù)體系——多

非連續(xù)體——主跨中央插入小跨懸掛結(jié)構(gòu)剪力鉸

主梁的跨高比主跨跨長(zhǎng)與梁高的比值。密索100-200材料：

鋼主梁、混凝土主梁、鋼與混凝土的結(jié)合梁、主跨鋼梁與邊跨混凝土梁的混合式主梁

截面型式：板式——適用于雙面密索且寬度不大的橋梁半封閉式箱型截面——較寬的雙索面橋

兩個(gè)邊主梁對(duì)準(zhǔn)索面分開(kāi)設(shè)置——施工極為便利單箱多室截面——單索面布置且需要抗扭剛度大的單室箱型截面——單索面混凝土斜拉橋較典型的實(shí)例三角形箱梁截面，它的特點(diǎn)是三角升簡(jiǎn)支在兩側(cè)斜拉索上3、索塔

(1)索塔的縱向布置

獨(dú)柱式、A字形、倒Y形

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單柱式主塔構(gòu)造簡(jiǎn)單

A字形、倒Y形在順橋向剛度大，A字形還可減小主梁在該點(diǎn)處的負(fù)(2)索塔的橫向布置

獨(dú)柱型、雙柱型、門(mén)型或H型、A型、寶石型或倒Y形

（三）斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系：飄浮體系、支承體系、塔梁固結(jié)體系、剛構(gòu)體系。

1.飄浮體系

定義：又稱(chēng)懸浮體系，該體系塔墩固結(jié)、塔梁分開(kāi)，主梁除兩端外全部用纜索吊起而在縱向可稍作浮動(dòng)，是一種具有多跨彈性支承的單跨梁。

特點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn)是全跨滿(mǎn)載時(shí)，塔柱處主梁無(wú)負(fù)彎矩峰值；

（2）主梁可以隨塔柱的縮短而下降，所以溫度、收縮和徐變內(nèi)力均較小。（3）密索體系主梁各截面的變形和內(nèi)力變化較平緩，受力較均勻；

（4）地震時(shí)允許全梁縱向擺蕩，成為長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)，從而抗震消能，因此地震烈度較高地區(qū)可考慮選擇這類(lèi)體系。

（5）該體系缺點(diǎn)是：當(dāng)采用懸臂旋工時(shí)，塔柱處主梁需臨時(shí)固結(jié)。

（6）斜拉索不能對(duì)梁提供有效的橫向支承，為抗?fàn)幱捎陲L(fēng)力等所引起的橫向搖擺，必需增加一定的橫向約束。

2.支承體系

定義：該體系塔墩固結(jié)、塔梁分開(kāi)，主梁在塔墩上設(shè)置豎向支承，接近于在跨度內(nèi)具有彈性支承的三跨連續(xù)梁，又稱(chēng)半飄浮體系。

特點(diǎn)：

（1）這種體系的主梁內(nèi)力在塔墩支點(diǎn)處產(chǎn)生急劇變化，出現(xiàn)了負(fù)彎矩尖峰，尋常須加強(qiáng)支承區(qū)段的主梁截面。

（2）支承體系的主梁一般均設(shè)置活動(dòng)支座，在橫橋方向亦須在橋臺(tái)和塔墩處設(shè)置側(cè)向水平約束。

3.塔梁固結(jié)體系

定義：塔梁固結(jié)并支承在墩上，斜拉索為彈性支承，相當(dāng)于梁頂面用斜索加強(qiáng)的一根連續(xù)梁。

特點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn)是，減小了塔墩彎矩和主梁中央段的軸向拉力。

（2）缺點(diǎn)是中孔滿(mǎn)載時(shí)，主梁在墩頂處轉(zhuǎn)角位移導(dǎo)致塔柱傾斜，顯著增大主梁跨中撓度和邊跨負(fù)彎矩；

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（3）上部結(jié)構(gòu)重力和活載反力都需由支座傳給橋墩，這就需要設(shè)置很大噸位的支座。在大跨徑斜拉橋中，這種結(jié)構(gòu)體系可能要設(shè)置上萬(wàn)噸級(jí)的支座，支座的設(shè)計(jì)制造及日后的養(yǎng)護(hù)，更換均較困難。

4.剛構(gòu)體系

定義：梁、塔、墩互為固結(jié)，形成跨度內(nèi)具有多點(diǎn)彈性支承的剛構(gòu)。特點(diǎn)：

（1）這種體系的優(yōu)點(diǎn)是既免除了大型支座又能滿(mǎn)足懸臂施工的穩(wěn)定要求；（2）結(jié)構(gòu)的整體剛度比較好；主梁撓度小。

（3）剛度的增大是由梁、塔、墩固結(jié)處能抗?fàn)幒艽蟮呢?fù)彎矩?fù)Q取來(lái)的，因此這種體系的固結(jié)處附近區(qū)段內(nèi)主梁的截面必需加大。

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三、斜拉橋設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介1、特點(diǎn)：高次超靜定結(jié)構(gòu)，不管是方案比較，還是技術(shù)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)計(jì)算都要采用有限元法并借助電子計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行。2、計(jì)算圖式與計(jì)算原則

計(jì)算圖式（1）斜拉橋是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，要簡(jiǎn)化計(jì)算圖式。例如，在豎向荷載作用下，可以將雙索面斜拉橋簡(jiǎn)化為兩片平面結(jié)構(gòu)，而將荷載在兩片平面結(jié)構(gòu)間分派。這種做法略去了活載偏心作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，而用橫向分布系數(shù)來(lái)粗略計(jì)入空間影響。（2）由于對(duì)斜拉索施工階段所施加的初始張拉力（指活載作用前的索力）足以抵消活載作用下對(duì)索產(chǎn)生的壓力，斜拉索始終處于張緊狀態(tài)，因此，即使對(duì)于柔性索，計(jì)算中仍將可其作為受拉桿單元對(duì)待；對(duì)于主梁和索塔，則作為梁?jiǎn)卧幚?。?）商用軟件可對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的空間分析，但大量采用有限元法編制的實(shí)用電算程序中，仍將斜拉橋作為平面體系結(jié)構(gòu)來(lái)處理。結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式的規(guī)定（1）結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖、幾何特性、邊界條件須與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致；

（2）結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖必需能反映結(jié)構(gòu)分階段形成的特點(diǎn)，正確反映各重要工況下的結(jié)構(gòu)特性及荷載狀況，如結(jié)構(gòu)形成、體系轉(zhuǎn)換、拉索張拉與索力調(diào)整、永久荷載、可變荷載及施工荷載等。

斜拉橋結(jié)構(gòu)計(jì)算的原則是：

（1）對(duì)于一般跨徑的混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)計(jì)算，可按經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)或有限元方法計(jì)算；（2）對(duì)于跨徑較大的斜拉橋，應(yīng)計(jì)入結(jié)構(gòu)幾何非線(xiàn)性及材料非線(xiàn)性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；（3）斜拉橋?yàn)榭臻g結(jié)構(gòu)體系，在靜力分析時(shí)可將空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，動(dòng)力分析應(yīng)按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算；

（4）在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，必需計(jì)入拉索垂度對(duì)結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性影響，可采用拉索換算彈性模量的方法計(jì)入其影響；

（5）除對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體計(jì)算外，尚應(yīng)對(duì)一些特別部位進(jìn)行局部分析。3、恒載與活載的內(nèi)力計(jì)算

（一）恒載內(nèi)力

特點(diǎn)：（1）斜拉橋的施工往往不是一次完成的，存在體系轉(zhuǎn)化。恒載內(nèi)力計(jì)算應(yīng)按

施工程序分階段進(jìn)行（這往往需要采用橋梁專(zhuān)用結(jié)構(gòu)分析程序），并將各階段的內(nèi)力和變形逐次累加，以得到最終的恒載內(nèi)力和變形。

（2）由于拉索的拉力大小直接響主梁和索塔的內(nèi)力，且可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，因此有條件使結(jié)構(gòu)（特別是主梁）的恒載內(nèi)力得到更合理的分布，從而優(yōu)化設(shè)

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計(jì)，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，這就是斜拉橋的內(nèi)力調(diào)整。

拉索初始張拉力（指施工時(shí)人為張拉的索力）的確定是恒載內(nèi)力計(jì)算中的關(guān)鍵性問(wèn)題。它與施工方法有關(guān)，且往往要通過(guò)反復(fù)試算才能得到較理想的數(shù)值。

拉索的初始張拉力可按以下原則確定：①塔的偏心力矩小；②主梁彎矩??；③索力相對(duì)均勻。目前，尋常采用計(jì)算機(jī)程序來(lái)（正向或反向）模擬施工全過(guò)程，從中確定比較合理的主梁（也包括索塔）內(nèi)力及撓度值對(duì)應(yīng)的初始張拉力。（3）原則上，成橋后的主梁恒載彎及變形應(yīng)盡可能分布均勻合理。（4）計(jì)算中還要考慮混凝土主梁的收縮、徐變、預(yù)加力等的影響。（二）活載內(nèi)力

方法：按平面桿系來(lái)分析斜拉橋時(shí)，其活載內(nèi)力計(jì)算仍是先作出內(nèi)力及撓度影響線(xiàn)，

然后進(jìn)行影響線(xiàn)加載，并以計(jì)入橫向分布系數(shù)的方法來(lái)考慮空間影響。橫向分布系數(shù)的計(jì)算，可根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的特點(diǎn)采用適合的方法。

特點(diǎn)：對(duì)于馬路斜拉橋，由于活載內(nèi)力占總內(nèi)力的比重較小，而活載作用時(shí)拉索已

有相當(dāng)大的拉力，因此計(jì)算活載內(nèi)力時(shí)可不考慮拉索的非線(xiàn)性影響。對(duì)混凝土斜拉橋，活載對(duì)徐變的影響也可不予考慮。因此，活載內(nèi)力計(jì)算可按一般線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的分析方法計(jì)算。

4、風(fēng)振問(wèn)題及抗風(fēng)措施特點(diǎn)：

（1）一般的中、小跨徑橋梁風(fēng)作為靜力計(jì)算，對(duì)風(fēng)荷載也化為靜力處理。（2）大跨徑橋梁中，除了考慮風(fēng)的靜力作用外，還必需考慮風(fēng)的動(dòng)力作用。（3）橋梁的風(fēng)振包括兩大類(lèi)，

a一類(lèi)是當(dāng)自然風(fēng)達(dá)到某一臨界值時(shí)，橋梁振幅不斷增大直至結(jié)構(gòu)損壞的自激振動(dòng)，它是一種發(fā)散振動(dòng)；

b另一類(lèi)是限幅振動(dòng)，它所引起的振幅有限，不會(huì)發(fā)散，但在低風(fēng)速下經(jīng)常發(fā)生。對(duì)橋梁危害最大的就是自激發(fā)散振動(dòng)。

c對(duì)于斜拉橋，其斜拉索還可能出現(xiàn)多種形式的風(fēng)致振動(dòng)。其中危害最大的是：當(dāng)索面中兩排拉索橫橋向并列布置時(shí)，背風(fēng)側(cè)拉索由迎風(fēng)側(cè)拉索的尾流引起尾流馳振。下雨時(shí)，風(fēng)（風(fēng)速約為5～15m/s）使雨水在拉索表面駐留并形成“上水路〞時(shí)，拉索出現(xiàn)的雨—風(fēng)鼓舞振動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)雨振。由于這種拉索風(fēng)振的振動(dòng)振幅較大，可能引起索端疲乏，并引起行人擔(dān)憂(yōu)，有時(shí)甚至引起索與索相碰，從而導(dǎo)致拉索保護(hù)層的損壞等。

d風(fēng)振對(duì)鋼斜拉橋的影響更大些，由于其自重較輕（目前已達(dá)3.4kN/m）?；炷列崩瓨虻淖灾卮螅s為14kN/m）,狀況較鋼斜拉橋?yàn)楹谩?/p>

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關(guān)于風(fēng)振問(wèn)題的計(jì)算，目前尚無(wú)完善的純理論方法，因此對(duì)一些大型懸吊結(jié)構(gòu)往往需借助航空模型試驗(yàn)中的風(fēng)洞試驗(yàn)方法來(lái)取得結(jié)構(gòu)抗風(fēng)振的特性。所謂風(fēng)洞，尋常指一個(gè)可產(chǎn)生氣流的閉合環(huán)形管道。風(fēng)洞試驗(yàn)可根