斜拉桥的构造及设计ppt课件.ppt

桥梁工程(Bridge Engineering),授课人：王智超土木工程与力学学院,第四篇 斜拉桥与悬索桥,第一章 斜拉桥的构造及设计,1-1 斜拉桥概述 1-2 斜拉桥的总体布置1-3 斜拉桥的构造与设计,第一节 斜拉桥概述,一、斜拉桥(cable-stayed bridge)的简介,定义：由梁、索、塔三类构件组成的一种桥面体系以加劲梁受压（密索）或受弯（稀索）为主，支承体系以斜拉索受拉及桥塔受压为主的桥梁。,特点：与吊桥相比它是一种自锚体系，不需昂贵的地锚基础；防腐技术要求较低，还可在通车情况下换索；刚度较大，抗风能力较好；用钢量较少；采用悬臂施工不防碍通航。,二、斜拉桥的发展历史,1.国外的发展,20世纪30年代德国工程师迪辛格（Dischinger）提出,斜拉桥雏形,斜拉桥的失败（18世纪下半叶至19世纪初）,爪哇的竹斜拉桥,老挝的竹斜拉桥,纽伦堡萨尔河桥（德国，1824）,泰晤士河Albert桥（英国，1873）,失败原因：桥梁结构的力学理论缺乏拉索材料的强度不足,第一座现代化钢斜拉桥主跨182m,1955年在瑞典建成“Stromsund桥”,第一座混凝土斜拉桥，主跨为1605235160,1962年在委内瑞拉建成马拉开波桥,斜拉桥得到迅速发展,已建成300多座,主跨856m混合型斜拉桥,1995年建成法国诺曼底桥,主跨890m钢斜拉桥,1999年日本建成多多罗桥,主跨1088m混合梁斜拉桥,2008年中国建成苏通大桥,2.国内的发展,学习阶段：60年代初传入我国；1975年四川、上海先后建成试验性钢筋混凝土斜拉桥（75.8m云阳汤溪河桥，54m新五桥）；1977年改革开放；1982年建成220m济南黄河大桥,推广阶段（80年代，30余座斜拉桥）1987年天津永河大桥（260m）、东营黄河桥（288m 我国第一座钢斜拉桥），1988年广州海印桥(单索面，175m)、重庆石门大桥（230m不对称独塔）,高潮（90年代）1991年上海南浦大桥(423m)，1993年上海杨浦大桥(602m)2001年南京长江二桥(628m)，2005年的南京长江三桥(648m)，2008年苏通长江大桥（世界第一，主跨1088米）,三、斜拉桥的种类,矮塔斜拉桥，又称部分斜拉桥。塔高较低，梁体刚度较大，斜拉索对承载力的贡献相对较小。多塔斜拉桥，具有两个以上索塔的斜拉桥。混凝土梁斜拉桥，主梁为钢筋混凝土或预应力混凝土结构的斜拉桥。钢梁斜拉桥，主梁与桥面板均为钢结构的斜拉桥。组合梁斜拉桥，主梁为钢结构，桥面板为混凝土结构，主梁与桥面板组合共同承载的斜拉桥。混合梁斜拉桥，边跨的一部分或全部采用混凝土梁，主跨的大部分或全部采用钢梁或组合梁的斜拉桥。,1999年建成的日本多多罗大桥,主跨890米,钢箱梁,诺曼底大桥（Normandy Bridge），1995建成，主跨856米，为混合梁，其中624米为钢梁，其它为混凝土梁。,厄勒海峡大桥（Oresund Bridge）,总长约16公里，连接丹麦哥本哈根和瑞典第三大城市马尔默，于1995年动工，2000年通车。,Sunshine Skyway Bridge(USA 1987)span=366 m,Alamillo Bridge(Spain 1992),跨度200米,高142米,圣地亚哥卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava),Marian Bridge(the Czech Republic)span=123.3m，pylon=75m,苏通大桥，2008年建成，主跨1088米，混合梁,2005年建成的南京长江三桥，主跨648米，钢箱梁,2001年建成的南京长江二桥，主跨628米，钢箱梁,杨浦大桥(1993),主桥为双塔空间双索面钢混凝土结合梁斜拉桥结构，塔墩固结，上部结构为纵向悬浮体系，主桥全长1178米，过渡孔45+边孔（99+144）+主孔602+边孔（144+99）+45,2005年建成的长沙浏阳河洪山大桥，主跨206米，斜塔垂直高度136.8米，塔身倾斜角58度。,第二节 斜拉桥的总体布置,一、跨径布置与分孔,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。一般而言，斜拉桥跨径控制在300m1000m之间是较为合适的。,分为双塔三跨式、独塔双跨式和多塔多跨式等三种形式。在特殊情况下，也可布置成独塔单跨式或混合式。,1.双塔三跨式,适用：跨越较大的河流、海口及海面；最常用，分对称式和非对称式。,边跨L1与中跨L2之比：,钢主梁宜为0.300.40;组合梁宜为0.400.50;混合梁宜为0.300.45；混凝土主梁宜为0.400.45。但在特殊的地形条件下，可采用更小的跨径比或采用地锚式斜拉桥。,一般宜为0.330.50,2.独塔双跨式,适用：跨越中、小河流、谷地和城市道路或较大河流的主航道。,边跨L1与中跨L2之比：,一般宜为0.51.00,3.多塔多跨式（3塔）（4跨）,缺点：由于中间塔没有端锚索有效地限制其变位,柔性太大。,改进措施:,做中间刚性塔(如马拉开波桥）;拉索加劲中间塔(如香港汀九桥）;加粗尾索并在锚固尾索的梁段上压重,以增加索的刚度(如洞庭湖大桥)。,边跨L1与中跨L2之比：,可参照双塔三跨斜拉桥,4.辅助墩和外边孔,辅助墩适用条件：当边孔设在岸上或浅滩，边孔高度不大或不影响通航时优点：可以改善结构的受力状态，增加施工期的安全。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粱的弯矩和挠度，从而大大提高了全桥刚度。实践证明：设一个辅助墩后，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，一般约为原来的4065。,二、索塔布置,1.索塔的形式,索塔的纵向布置形式,索塔的横向布置形式,2.塔的高度,定义：一般应从桥面以上算起，也不包括由于建筑造型或观光等需要的塔顶高度。,索塔高度,主跨跨径索面形式（辐射式、竖琴式、扇式或星式）拉索的索距和拉索的水平倾角(22),双塔：H/L2=1/41/7,单塔：H/L2=1/2.71/3.7,影响因素：与主跨跨径有关，还与拉索的索面型式(辐射式、竖琴式或扇式)、拉索的索距和拉索的水平倾角有关。索塔高度低，拉索的水平倾角就小，则拉索的垂直分力对主梁的支承作用就小，会导致拉索的钢材用量增加。索塔高度愈大，拉索的水平倾角愈大，拉索对主梁的支承效果也愈大，但索塔和拉索的材料用量也要增加，还会增加施工难度。,三、拉索布置,1.索面位置,空间布置形式,单索面双索面,竖直双索面倾斜双索面（空间双索面）,2.索面形状,斜拉索纵桥向布置宜采用扇形，也可采用竖琴形、辐射形、星形等。,拉索间距,早期：稀索,混凝土达15m30m钢斜拉桥达30m50m,现代：密索,混凝土达6m12m钢梁（或组合梁）斜拉桥达8m16m,3.索距的布置,可以分为“稀索”与“密索”：在早期的斜拉桥中都为“稀索”(超静定次数少），现代斜拉桥则多为“密索”(必须利用电子计算机计算)。,拉索倾角（边索）,辐射式或扇式：260380竖琴式:220300,角控制在250450,图a)主梁下挠量为：,图b)塔顶水平位移为：,四、主梁的布置,1.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。,2.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铰。,五、结构体系,1.按梁体与塔墩的连接划分,常用的结构体系包括:飘浮体系、支承体系(半飘浮体系)、塔梁固结体系、刚构体系，如图示：,飘浮体系宜用于跨度较大、索距较密或在有抗震要求的地区修建的斜拉桥;缺点：悬臂施工，需临时固结，解除临时固结时，主梁会发生纵向摆动。支承体系（或半飘浮体系）宜用于跨度较小的斜拉桥；缺点：须采用能调节高度和支座反力的特殊支座，否则主梁在塔柱处有较大负弯矩，同时温度、收缩、徐变次内力也较大。塔梁固结体系宜用于塔根弯矩小和温度内力小的斜拉桥；缺点：主梁转角位移导致塔柱倾斜，塔顶水平位移较大，增大主梁跨中挠度和边跨负弯矩，需设大吨位支座。刚构体系宜用于独塔或双塔高墩和对变形要求较高的斜拉桥；缺点：固结处负弯矩大，为消除温度应力，要求墩身有一定的柔性，适合于独塔斜拉桥。,2.按拉索的锚拉体系分类,自锚式斜拉桥地锚式斜拉桥部分地锚式斜拉桥,第三节 斜拉桥的构造与设计,一、主梁的构造,应综合考虑斜拉桥纵、横向受力情况，合理选择截面形式和梁高。,1.主梁的高跨比,双塔三跨斜拉桥:混凝土主梁 1/1001/220；组合梁 1/1251/200；钢主梁 1/1801/330;独塔斜拉桥：梁高视主跨长度、索面数、截面形式等变化较大，可略低于同跨径的双塔式梁高。,2.主梁横截面,主梁横截面宽度B，取决于行车道、人行道宽、拉索布置、横断面布置、抗风稳定性等，B/L1/30,B/h8。,混凝土斜拉桥主梁截面：实心板截面、边箱梁截面、箱形截面、带斜撑箱形截面和肋板式截面。,实心板截面适用于跨径200m斜拉桥；肋板式截面及边箱梁截面适用于双索面斜拉桥；带斜撑的箱形截面适用于单索面斜拉桥。当桥面很宽时，箱梁截面可考虑设为单箱多室截面、肋板式及边箱梁截面，必要时在中间板的部分适当增加梁肋数。,钢梁斜拉桥主梁截面：箱形截面、板板截面、分离式边箱截面和钢板梁截面，当采用双层桥面的主梁时，宜采用桁架形式。,组合梁斜拉桥主梁截面：用两工字形钢主梁其间加小纵梁截面形式，跨径较大时也可采用边钢箱梁截面形式。,宜采用双索面，飘浮体系。采用钢筋混凝土或预应力混凝土桥面板，其厚度250mm，混凝土强度等级C40，需存放46个月后才能使用，混凝土板间接缝、钢梁顶面的剪力键与钢梁顶面应有效地结合成整体。,二、索塔的构造,1.索塔的形式和截面,纵向形式:,横向形式:,2.索塔的细部构造要求,竖向受力钢筋的直径不宜小于20mm;竖向受力钢筋的截面积不应小于混凝土截面积的1%;箍筋直径不应小于12mm，间距不应大于竖向受力钢筋直径的10倍，且不大于200mm;混凝土索塔的非预应力部位以及门洞部位宜增设防裂钢筋网。处于海洋或其他腐蚀环境中的混凝土索塔、主梁，应考虑增大其保护层厚度或增加其他提高结构耐久性的措施。,混凝土索塔:应根据施工需要在索塔内配置型钢作为劲性骨架。,索塔受力钢筋和普通箍筋应符合下列条件:,斜拉桥钢索塔:宜设计成矩形空心箱截面形式，根据工程实际也可将其设计成T形或准十字形空心箱形式。箱室四周各主壁板上应布置竖向加劲肋，箱室内应设置水平横隔板，其间距不宜大于4000mm。钢索塔外壁板及竖向隔板的厚度根据受力需要可沿索塔内分段取用不同的壁板厚度，但不宜小于20mm。,3.索塔的锚固方式,实心体截面和H形截面形式的索塔: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。,箱形截面形式的空心索塔:拉索会对索塔断面产生较大的拉力，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。,直线型预应力筋方式,环形预应力筋方式,钢横梁方式,三、拉索的构造,每一根拉索都包括钢索和锚具两大部分，钢索承受拉力，设置在钢索两端的锚具用来传递拉力。,1.拉索种类与构造,对拉索的要求：具有良好的抗疲劳性、耐久性、抗腐蚀性；目前斜拉索的能力：破断索力30000kN，耐疲劳应力幅值200250Mpa，使用寿命超过30年；拉索的技术经济指标：强度、刚度、耐疲劳性、耐锈蚀性、施工难易、价格。,斜拉索应结合起重、运输和安装等条件选用平行钢丝斜拉索、钢绞线斜拉索或封闭式钢缆斜拉索。,平行钢丝斜拉索,平行钢丝索是将若干根钢丝，平行并拢、扎紧、外包热挤PE橡胶，并进行张拉。通常钢丝索配用镦头锚或冷铸锚。,弹性模量、疲劳强度高，可充分适应设计要求，但其防腐与安装较为繁琐。挠曲性能好，可以盘绕，具备长途运输的条件，质量易于保证。设计应符合现行国家标准斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件(GB/T 18365-2001)的要求。成品拉索检验超张拉取1.21.4倍设计索力，冷铸锚板内缩值不宜大于5mm。,特点：,钢绞线斜拉索,钢绞线索是由多股钢绞线平行或经轻度扭绞而成。平行钢绞线索一般在现场制作，配用夹片锚；半平行钢绞线索一般在工厂制作好后运至工地，配用冷铸镦头锚。,具有弹性模量较低、非线性变形较大的特点。应选择满足现行预应力混凝土用钢绞线(GB/T 5224-2003)的高强度低松弛钢绞线。单根钢绞线宜进行镀锌等防腐处理，且外包挤黑色高密度聚乙烯护套，整束钢绞线外护套可采用高密度聚乙烯半圆管或整管护套。,特点：,封闭式钢缆斜拉索,封闭式钢缆斜拉索是由异型钢丝轧制而成，其梯形或“Z”型钢丝相互间基本是面接触，各层钢丝的层面上也是面接触。只能在工厂制作，盘绕后运送至现场，通常钢丝索配用热铸锚具。,特点：结构紧密、表面封闭、安装方便和防腐容易等优点。,2.拉索的锚固,斜拉索与混凝土梁的锚固,顶板锚固宜用于箱内采用加劲斜杆的单索面桥;箱内锚固宜用于两个分离单箱的双索面桥;斜隔板锚固应用范围与箱内锚固块一致;梁体两侧锚固宜用于双索面桥;梁底锚固宜用于梁截面较小的双主梁或板式梁。,斜拉索与混凝土索塔的锚固,锚固的基本构造要求:,实体塔上的交错锚固，应在塔柱中埋设钢管，并设置锚垫板。空心塔上的侧壁锚固，应在空心塔柱的壁板内配置预应力钢筋，对索塔的预应力钢筋的布置，应避免出现预应力盲区。钢横梁锚固，应在混凝土塔柱内侧设置牛腿。钢锚箱锚固，由锚垫板、承压板、锚腹板、套筒及若干加劲肋构成钢锚箱。钢锚箱间连接应采用焊接，并用栓钉使之与混凝土塔身连接。,3.拉索的防护,钢丝防护,镀锌、镀防锈脂、涂防锈底漆。,拉索防护,涂料保护、卷带保护、套管保护、拉索外加塑料缠绕保护层。,国内常用的方法,热挤高密度聚乙烯套管防护（最常用）；高密度聚乙烯套管内灌注水泥浆防护；环氧树脂形成玻璃钢外壳防护；多层玻璃纤维缠绕，钢套管外防锈漆保护。,4.拉索的减振,振动产生的原因,防止风振作用,阻尼减振法：用高阻尼黏弹性材料或黏性剪切型阻尼器来实现。气动控制法：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。磁流变减振法：用磁流变阻尼器取代油阻尼器，来实现斜拉桥的“风雨振”问题。“湖南岳阳洞庭湖斜拉桥”,气流在拉索的背风面生成卡门涡流，它与拉索自身的某一阶自振频率合拍，则产生上下振动。由于桥面受风激出现上下振动，使得全桥拉索振动。,