吊桥构造及设计.ppt

,悬索桥,悬索桥的构造与设计,悬索桥的实例介绍,主 要 内 容 悬索桥的组成 悬索桥的形式 悬索桥的各部分构造 悬索桥的设计,第一部分 悬索桥的构造与设计,2,一、悬索桥的组成,组成：悬索桥是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚碇、吊索等构件构成的柔性悬吊体系，其主要构成如下图所示。成桥时，主要由主缆和主塔承受结构自重，加劲梁受力由施工方法决定。成桥后结构共同承受外荷作用，受力按刚度分配。,3,主缆是结构体系中的主要承重构件；通过塔顶索鞍悬挂在主塔上并锚固于两端锚固体中的柔性承重构件。主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件；支承主缆的重要构件。加劲梁是悬索桥承受风荷载和其它横向水平力的主要构件，提供桥面和防止桥面发生过大的挠曲变形和扭曲变形，主要承受弯曲内力。吊索是将加劲梁自重、外荷载传递到主缆的传力构件，是连系加劲梁和主缆的纽带。锚碇是锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力传递给地基。,悬索桥各部分的作用,4,地锚式与自锚式悬索桥地锚式：主缆拉力依靠锚固体传递给地基。自锚式：主缆拉力水平分力直接传递给加劲梁（轴向压力）承受；竖直分力（较小）由端支点承受。适宜：跨度不大、软土地基、城市桥等。双链式悬索桥（小跨度悬索桥）双链式悬索桥的恒载及均布活载由上下链平均负担，非均布活载以及半跨活载时结构的受力及变形特性较好，分散构件受力可减小构件截面尺寸和单件重量；缺点：构件增多分散，安装及养护维修不利。,二、悬索桥的形式,5,地锚式悬索桥的孔跨布置形式(力学体系)单跨：适于边跨建筑高度小、曲线边跨。由于边跨主缆的垂度较小对荷载变形有利，架设主缆时索鞍预偏量较大；梁端用吊杆或者摆柱作支撑的悬浮体系，纵向位移不受限制。1385米江阴大桥。三跨：最常见。两跨：（单边跨）一岸建筑高度小和曲线边跨时。1377米青马大桥。多跨：因中间桥塔和两边桥塔的塔高不同导致主缆垂度偏大，悬索桥整体刚度降低，非均布活载下塔顶变位及加劲梁挠曲变形和弯矩较大；固有振动频率降低。故中塔必须加大刚度（4柱立体桥塔）或者减小主缆垂跨比。,悬索桥的形式（续）,6,单塔悬索桥,7,直布罗陀跨海大桥,8,空间主缆悬索桥,9,刚性缆索体系悬索桥,10,三、悬索桥的构造,主缆 材料有效拉应力大；拉伸延伸率小；弹模大；截面密度大；疲劳强度高、徐变小；成缆锚固及防锈容易；价廉物美。类型 钢丝绳主缆：钢绞线绳、螺旋钢丝绳、封闭式钢绞线索等，适于600米以下；平行丝股主缆：采用空中绕线法AS法或者预制丝股法PS法），适于400米以上，是现代悬索桥主缆的主流结构类型。大跨多采用耐疲劳的高强钢丝，因为钢绞线虽然施工方便，但弹模较低使结构变形增大，截面形状不易按照设计形状压紧，防腐较难，适于中小跨度。,11,结构形式双面平行主缆（绝大多数）；单面主缆；空间主缆；复式主缆（双链吊桥：朝阳大桥）。截面形状（六角形）尖顶形：将钢丝索故在竖向排列，列间插放隔片有助于通风和保持真圆度较高的截面形状，截面温度均匀。主缆施工之初的钢丝定位较难。平顶形：下层的钢丝索股会受到较大的挤压力，截面水平直径较竖向直径大。方阵式：竖横双向均利于插放隔片，钢丝束股数目较为灵活，紧缆机操作时也较容易形成圆形截面。,悬索桥的构造主缆,12,方阵式主缆断面,施工中的主缆断面,13,主缆编制方法AS法：通过牵引索作来回走动的编丝轮，每次将两根钢丝从一端拉到另一端，待钢丝达到一定数量后（可达400500根）编扎成一根索股。钢束股数较少，便于集中锚固，起吊设备轻便；架设主缆时抗风较弱所需劳动力也较多。PS法：避免了钢丝编成钢丝束股的作业从而加快主缆的施工进度，但要求大吨位的起重运输设备和拽拉设备来搬运钢丝束股。目前多采用61、91、1275左右钢丝，最重可达40吨。,悬索桥的构造主缆,14,AS法示意图,15,主缆断面,AS法示意图,16,主缆的防护（不可更换的主要受力构件，必须防腐）锈蚀原因：架设期间水份进入；防护完成后因主缆线形变化、温度变化引起伸缩而导致粗糙表面的油漆开裂和索夹上受损的密封部位开裂，水的渗入导致主缆湿度高而锈蚀。防护方法：施工期间镀锌钢丝外涂底漆或者树脂类，然后手工满刮腻子，再缠绕钢丝（退火镀锌4钢丝），最后作外涂装。改良措施：以S 形截面的缠绕钢丝代替圆端面钢丝，使主缆表面光滑、丝丝相扣，油漆不易开裂、水不能渗入。开空气导入法：将除湿机产生的干燥空气用管道输送，通过入口索夹输入主缆，经出口索夹排出主缆（出入口索夹间距140米左右），一般可维持相对湿度在40以下。,悬索桥的构造主缆,17,悬索桥各部分构造吊索（吊杆）,吊索布置形式：竖直；倾斜（提高整体振动时的结构阻尼值）。材料：刚性吊杆（少量小跨：圆钢或钢管）；柔性吊索：钢丝绳或者平行钢丝索（多采用）。钢丝绳索绳心式：以一股钢丝绳为中央形心，外围用钢丝束股围绕扭绞而成。股心式：7股钢丝束股扭绞而成，中央一股为股心。注意：钢丝束股的扭绞方向与其间钢丝的扭转方向相反。平行钢丝索（PWS）：多根57镀锌钢丝外加PE套管。,18,索夹作用：刚性索夹与柔而松的主缆索体间的连接为不稳定连接。依靠摩擦力来保证主缆在受拉产生收缩变形时也不致滑动。构造：六边形（中小跨）：少用；圆形：一对铸钢半圆构件以高强螺栓相连接，依靠高强螺栓拧紧后的拉力来提供足够索夹固定位置的摩擦阻力，两半圆构件之间留有一定空隙，以保证螺栓拉力，空隙内填防腐料；索夹半圆内表面加工后不能磨光。骑跨式：索夹上半部有4各凸肋形成两条凹槽；销铰式：下侧半索夹下带有耳式吊板供销铰连接用。,悬索桥各部分构造索夹,19,悬索桥各部分构造索夹,吊索与索夹的联结方式（钢丝绳）4股骑跨式：两根两端带锚头的钢丝绳索绕跨在索夹顶部的嵌索槽中，锚头与加劲梁连接。不宜用平行钢丝索，索夹分左右两半。双股销铰式：两根下端带锚头、上端带销铰的钢丝绳索或平行钢丝索，上端利用销铰与索夹下的耳板（吊板）连接，下端用锚头或者同样用销铰与加劲梁连接。索夹分上下两半。,20,吊索与主缆连接4股骑跨式,21,吊索与主缆连接双股销铰式索箍索夹,22,图为香港青马桥,23,桥塔材料：圬工（古老、小跨简易）；钢筋砼（框架式；实心矩形或者箱形）最高155米；钢（框架式、桁架式；箱形、多格箱形、H形）。桥塔纵向结构形式：摇柱塔（摆动式）：单柱塔下设铰、塔顶索鞍固定于塔，适于小跨。柔性塔：一般为下端固定式，塔顶水平变位量相对较大，适于大跨。刚性塔：塔顶水平变位量相对较小，单柱或者A形，多用于多跨悬索桥的中间塔柱，纵向刚度较大，塔顶位移小从而减小加劲梁内的应力。,悬索桥各部分构造塔,24,悬索桥各部分构造塔,桥塔横向结构形式：刚构式（框架式）：单层或者多层门架，明快简洁。桁架式：若干组交叉的斜杆与水平横梁组成桁架，施工时稍显困难。混合式：仅在桥面以下设置交叉斜杆以改善受力和经济性能。塔柱横向可竖直或者稍带倾斜（斜柱式）或转折点（折柱式），后两者稳定性能好且较为经济。现代认为钢筋砼刚构式桥塔是悬索桥的桥塔最佳选择。,25,虎门大桥主塔,26,锚碇（用于地锚式悬索桥）基本组成：主缆的锚碇架及固定装置、锚块、锚块基础。基本分类：重力式锚碇、隧道式锚碇、岩锚。重力式锚碇：依靠锚块自重来抵抗主缆的竖直分力，水平分力则由锚碇与地基之间的摩阻力（包括侧壁的）或者嵌固阻力来抵抗。前锚式：主缆采用PS法施工时的缆索锚固方式，支承（定位）钢构架与传力钢构架的结合。后锚式：主缆采用AS法施工时的缆索锚固方式，铸钢索靴与眼杆的结合。现代预应力锚拉工艺：近期已经陆续取代前两者。,悬索桥各部分构造锚碇,27,悬索桥各部分构造锚碇,隧道式锚碇（岩洞式）：主缆散开后各索股通过岩洞中的混凝土锚块内埋设的锚梁与拉杆的伸出端连接，并利用预应力工艺调整松紧。岩锚（岩孔锚）：各索股先分散在各个岩孔内（每股一个孔），最后再进入锚固室。主缆经散索鞍转向并在散索室分散后，每根钢丝索锚拉在钢杆上，钢杆再锚拉在浇注在传力块体内的锚板上，各钢杆与插放在各钻孔内的后张力筋连接，力筋最后在锚固室内张拉后防腐。,28,重力式锚碇外观图,29,青马大桥锚碇,索靴,30,特殊锚碇多跨悬索桥的共用锚墩三角形空腹构架式重力锚平板式重力锚软土层中的深基础重力锚,悬索桥各部分构造锚碇,31,三角形空腹构架式重力锚,32,丹麦大海带桥,33,钢桁架的横截面：双层公路桥面钢桁架梁公铁两用的双层桥面钢桁架梁单层桥面钢桁架梁流线型闭合式桁架箱梁香港青马大桥 钢桁架加劲梁的特点：通透梁体，抗风稳定性好；空间桁架结构，抗扭刚度较大；不易产生颤振、抖振和涡激共振。,悬索桥各部分构造加劲梁,34,钢箱梁的特点采用正交异性钢桥面板和带加劲肋的薄钢板组成，能充分发挥薄钢板比厚钢板力学性能好的优点，利于焊接，同时，正交异性板具有很高的承载力，截面设计更为经济合理。为提高梁体抗失稳能力，纵向每隔一定间距设置框架横联或横向联结系，相邻两横联之间可加设横向加劲肋，支座处横联更应加强；为保证翼缘板及腹板屈曲稳定，受压区架设纵向加劲肋(多为闭口纵肋：抗扭刚度大；屈曲稳定好；外侧贴角焊缝长度减少一半)，连续贯通的纵肋可作为翼缘板截面的一部分予以计算。,悬索桥各部分构造加劲梁,35,钢箱梁内部构造,36,钢箱梁的横截面：扁平棱形钢箱梁增设抗风分流板的扁平棱形钢箱梁流线型钢箱梁增设抗风分流板的流线型钢箱梁,悬索桥各部分构造加劲梁,1500米以上的悬索桥尽可能采用开槽分离箱，及其它导流稳定措施才能满足要求。,37,加劲梁宽达60.4m，由3个纵向的钢箱、钢箱梁之间的钢桥面板和钢横梁等三部分组成。钢横梁的立面作成倒梯形，中间部分高约5m。横梁间距30m，纵向箱梁净跨径26m。主跨的宽跨比为1/54.6。能够经受高于216 Km/h的大风；公路平台能够承受大于140,000辆/天的交通量；双线铁路允许通过列车200辆/天。,（3300米方案）钢箱加劲梁横截面,Messina海峡大桥,38,箱型加劲梁截面构造,39,混凝土加劲梁的横截面：预应力混凝土箱梁 在总用钢量上稍有减少，抗风、变形（刚度）较好，流线型梁体外形美观、养护容易；但总造价偏高，施工架设胶南、工期长，抗震性及适应性较差，吊索及索夹工作量加大。汕头海湾大桥：单箱三室预应力混凝土箱梁预应力混凝土板梁,悬索桥各部分构造加劲梁,40,汕头海湾大桥,（452米）砼箱加劲梁横截面,41,加劲梁的桥面构件：钢筋混凝土桥面板钢桥面板桥面板上的铺装层 要求：高温稳定性、低温抗裂性、常温抗疲劳性、防水性。多以热铺改性沥青混凝土（浇注式或摊铺式）为主，其上为磨耗层，其下为与钢桥面板之间的粘结层与防水层。,悬索桥各部分构造加劲梁,42,桥面铺装层的几种常见铺装方法:1）单层浇注式混凝土（欧洲）2）下层浇注式沥青混凝土，上层为密级配摊铺式沥青混凝土（或者SMA）（日本）3）上、下层分别采用不同粒径石料的SMA（中国）4）单层环氧沥青混凝土（美国）重点是确定铺装层结构形式和厚度。一般：单层3.55cm，双层6.58cm。,悬索桥各部分构造加劲梁,43,索鞍（鞍座）支承主缆的支承件或配件 类型：塔顶主索鞍；支架副索鞍：边跨靠近岸端的墩架或钢排架的顶部，改变主缆在竖平面内的倾角。也可不设。展束锚固索鞍：多设置在桥台上，使构成主缆的许多钢丝束股在水平向及竖直向分散开的支撑鞍座，并导引各索股入锚固部分。,悬索桥各部分构造索鞍,44,香港青马桥主索鞍,45,江阴主索鞍,46,展束锚固索鞍（散索鞍）,47,悬索桥的设计,悬索桥的总体设计 适用范围 1000米以上几乎是唯一可选桥型；3001000米之间采用砼加劲梁也可与斜拉桥竞争。与其它大跨度桥梁的比较选择拱桥：主拱是压弯构件，过大的轴力和弯距会使其失稳，材料强度很难发挥；拱质量中心较高，不利于抗震；施工抗风难。斜拉桥：受压弯的加劲梁在跨度很大时恒载压力巨大，截面尺寸势必加大；跨度较大时刚度较好；施工抗风难。,48,主缆 主缆设计主要内容如下 几何线形的确定：主缆中心线控制点理论高程计算；矢跨比的选择（1:91:11）；m时,全桥刚度,主缆拉力。截面及预制平行钢丝束布置；空隙率约为0.170.21左右，备由着色观察钢丝和标准长度钢丝各一根，沿索长全使用长度内不能有接头，2米左右布置定型强力胶带。主缆无应力长度的计算：主缆成桥态长度；一、二期恒载作用下的弹性伸长；自由悬挂状态的伸长；无应力长度。,悬索桥的设计主缆,49,吊索及索夹 吊索：现代吊索索力计算时应考虑加劲梁的荷载分配效应。设计拉力的荷载组合为：恒载活载温度效应制造误差架设误差弯曲二次应力。安全系数取值在3.14.5 之间。吊杆间距影响桥面构造以及桥面系材料用量，一般为58米，最大可达25米以上。索夹：螺栓预应力损失在3050。截面尺寸的设计：a.直径的确定；b.应力验算：环向拉应力；圆周向弯曲应力；顺桥向弯曲应力；主缆直径平面的平均压力。螺栓的预应力损失：主缆受力变细、镀锌层蠕动、钢丝变位；螺栓时效；索夹变形；温差等。抗滑安全度：定期紧固螺栓；考虑了螺栓预应力损失后安全系数不应低于3。,悬索桥的设计吊索,50,加劲梁扁平钢箱梁：设计计算内容：钢桥面板（第一结构体系：梁体系；第二结构体系：桥面体系，按正交异性板理论计算；第三结构体系：桥面板是支承在加劲肋上的连续各向同性板，作用在肋间的局部荷载由板传给加劲肋，此项计算可略。）箱形截面的应力设计计算：弯曲正应力和剪力（对称荷载）；扭转应力（偏心荷载、纯扭转、约束扭转）。,悬索桥的设计加劲梁,51,加劲梁砼箱梁：不多使用，适于400800米。应为流线型全封闭式整体箱形截面，抗扭刚度大，抗风性能良好；较大的自重为主缆提供强大的初应力刚度，活载弯距与挠度也减小。其构造类同于斜拉桥。汕头海湾大桥（主跨452米）。结合梁：混凝土桥面板与钢梁共同工作，梁的截面中性轴较高，混凝土受到的应力较小（包括负弯距所致的拉伸应力）。重庆朝阳大桥（主跨186米）。,悬索桥的设计加劲梁,52,加劲梁的风洞试验（节段模型风洞试验）目的：进一步改善加劲梁的基本截面，提高其气动稳定性能。改进措施：混凝土桥面板与钢梁共同工作横截面两侧增设分流板；增设导风尖角或改变导风尖角的角度；在横截面的四角增设导风附件，如翼板、转折器等；在桥面上布置一定的格栅形透风孔。,悬索桥的设计加劲梁,53,桥塔：多为底部固定的柔性（框架、钢桁架）塔柱。设计步骤为：计算作用于塔的外力（塔顶竖直反力及加劲梁反力）及其位移（塔顶水平位移及加劲梁反力点的位移）；拟定截面。以刚度为大致标准拟定各构件截面及尺寸；塔顶及塔基的加劲；应力及屈曲验算：顺桥向及横桥向（容许应力）；验算腹杆及横系梁截面，多为横桥向控制；承载力验算。,悬索桥的设计桥塔,54,鞍座塔顶主索鞍：索鞍鞍槽曲面的半径为主缆直径的8倍以上（日规）；索槽形状按绳股排列形状设计，内设衬垫以增大主缆与鞍座摩擦力；大跨度悬索桥主鞍座辊轴在架梁过程中有用，成桥后固定于塔顶；柔性塔柱的主索鞍下可不设辊轴。,悬索桥的设计鞍座,55,锚碇主缆与锚块的连接：绳股由一连串锚杆传至锚块后部的锚梁上。用可以调节长度（索靴与螺杆间）的螺杆代替前文的锚杆。利用后张法预应力钢筋或钢丝束，将主缆绳股力传至锚块。在混凝土端面处，通过座板使螺杆与预应力筋连接来传力。主缆采用预制平行丝股时，直接通过绳股的锚头将主缆拉力传至锚块。,悬索桥的设计锚碇,56,锚碇锚碇的计算（容许应力法）：基本要求：锚碇不发生沉降、滑移和转动。刚体，在主缆水平分力下不会滑移。竖向压应力不应超过地基土的容许压应力，即不会沉降和转动。现代对锚碇的计算分析更为复杂：稳定、基础长短期变位、抗震等动态分析。锚碇问题难点在施工方面。,悬索桥的设计锚碇,57,支座（基本要求：能够承受正、负反力。）摇轴式：固定支座：上摇座、下摇座、销子；活动支座：在下摇座下加一排辊轴，有负反力时辊轴两侧设固定块件与底板焊牢。连杆式：两端有铰的连杆，纵向位移及转动自由，约束竖直位移及扭转。下承式时，连杆一端支承下弦杆；上承式时：连杆从上面吊起下弦杆（上端通过螺栓与塔柱内伸出的牛腿相联，下端与加劲梁下弦杆端节点相联）。减震橡胶支座：长大悬索桥使用的新型支座。,悬索桥的设计支座,58,弧形钢支座,适用范围：跨径1020m构造特点：由上下垫板所组成，下垫板顶面切剥成圆柱体。固定支座需在上垫板上做齿槽（或销孔），在下垫板上焊以齿板（或销钉），安装后使齿板嵌入齿槽(或销钉伸入销孔)，以保证上下垫板之间不发生相对水平位移安装要点其它钢支座,其它钢支座,59,QGZ 球型钢支座,60,连杆支座,61,62,第二部分悬索桥实例,63,江阴桥猫道,悬索桥,64,悬索桥,紧缆机紧缆,编缆,65,悬索桥,加劲钢箱梁的架设,66,悬索桥施工猫道,67,悬索桥,江阴长江大桥 锚碇,68,悬索桥 三角形框架式重力锚锭,69,悬索桥 施工猫道,70,悬索桥 索塔 钢桁梁,71,悬索桥 箱型梁,72,明石海峡大桥 日本,73,新塔可马桥 美国,74,悬索桥的风毁旧塔可马大桥新纪元,75,旧塔可马桥 美国,76,