第八章 其他桥型-斜拉桥
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浅谈斜拉桥认识斜拉桥又称斜张桥,是一种缆索承重结构体系,其上部结构由塔、梁、拉索三种基本构件组成。
由塔柱伸出的斜拉索作为主梁的多点弹性支承,同时斜拉索拉力的水平分力对主梁起着轴向预应力作用,因此斜拉桥是一种桥面体系以主梁受压(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。
斜拉桥良好的力学性能、建造相对经济、景观优美,已是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。
一、斜拉桥介绍以斜拉桥的主要结构体系来划分,斜拉桥的发展可分成两个阶段:第一阶段,稀索体系;第二阶段,密索体系。
稀索体系的主梁基本上为弹性支承连续梁;密索体系的主梁主要承受强大的轴向力,同时又是一个受弯构件。
斜拉桥是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
斜拉桥是一种自锚式体系,斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩台上外,还支承在由塔柱引出的斜拉索上。
这样可使梁体内弯矩减小,降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料。
斜拉桥是由承压的塔,受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱,材料有钢和混凝土的。
斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。
梁按所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。
纵观斜拉桥结构体系的发展历史,可以看到,加劲梁朝着更细更柔的方向演变,加劲梁的高跨比不断减小。
唯一的制约来自于空气动力作用,为了使加劲梁获得令人愉悦的外形而同时又要保证最小刚度,加劲梁从最初的重质量块发展到后来的加肋板、箱梁。
虽然也有由桁架构成的加劲梁体系,但这多应用于双层桥面体系。
拉索体系则经历了一个从无到有、从少到多的过程。
现在稀索体系斜拉桥已经很少采用,除非偶尔为了桥梁造型上的求新创异,密索体系以其突出的优势成为了人们心目中默认的斜拉桥体系,也必然将是超千米主跨斜拉桥结构体系的组成之一。
索塔的外形由简单到复杂,稳定性却在不断加强,其最初为门式塔,继而“入"形塔,A形塔,钻石形塔,直至空间塔结构。
斜拉桥是由斜拉索、塔柱和主梁组成,用若干高强的拉索将主梁斜拉在塔柱上,斜拉索使主梁受到一个压力和一个向上的弹性支承的反力,这就使得桥梁的跨越能力大大增强。
斜拉桥示意图斜拉桥是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。
它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。
斜拉桥是—种自锚式体系,斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩台上外,还支承在由塔柱引出的斜拉索上。
按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。
斜拉桥由斜索、塔柱和主梁所组成。
用高强钢材制成的斜索将主粱多点吊起,并将主梁的恒载和车辆荷载传至塔柱,再通过塔柱基础传至地基。
这样,跨度软人的主梁就象一根多点弹性支承(吊起)的连续梁一样工作,从而可使主梁尺寸大大减小,结构自重显著减轻,既节省了结构材料,又大幅度地增大桥梁的跨越能力。
此外,与悬索桥相比,斜拉桥的结构刚度大,即在荷载作用下的结构变形小得多,且其抵抗风振的能力也比悬索桥好,这也是在斜拉桥可能达到大跨度情况下使悬索桥逊色的重要因素。
斜索在立面上也可布置成不同型式。
各种索形在构造上和力学上各有特点,在外形美观上也各具特色。
常用的索形布置为竖琴形(图一)和扇形(图二)两种。
另一种是辐射形布置(图三)因其塔顶锚固结构复杂而较少采用图一竖琴形斜拉桥图二扇形斜拉桥图三放射形斜拉桥斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。
桥的主要承重并非它上面的汽车或者火车,而是它本身,也即我们看的的路面。
现在我们就分析这个:我们以一个索塔来分析。
索塔两侧是对称的斜拉索,通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。
现在假设索塔两侧只有两根斜拉索,左右对称各一条,这两根斜拉索受到主梁的重力作用,对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力,根据受力分析,左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力;同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力;由于这两个力是对称的,所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了,最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力,这样,力又传给索塔下面的桥墩了。
斜拉桥与悬索桥之比较令狐采学斜拉桥与悬索桥作为现代桥梁的主要建筑方式,二者之间又存在着怎样的区别与联系呢?下面我们通过结构力学的方法对其进行受力方面的定性分析,来解决一些现实中的现象。
首先我们来了解一下他们的定义:斜拉桥又称斜张桥,是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
其可使梁体内弯矩减小,降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料。
斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。
悬索桥,又名吊桥(suspension bridge)指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。
其缆索几何形状由力的平衡条件决定,一般接近抛物线。
从缆索垂下许多吊杆,把桥面吊住,在桥面和吊杆之间常设置加劲梁,同缆索形成组合体系,以减小活载所引起的挠度变形。
斜拉桥与悬索桥的结构简图如图a,b所示。
下面对一些现实现象进行定性分析。
1.为什么斜拉桥和悬索桥可以比其他桥梁的跨度大很多?通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出,斜拉桥和悬索桥都是通过钢索的拉力来代替了桥墩的支持力。
因此可以减少桥墩的数量,实现桥梁的大跨度。
2.为什么悬索桥可以比斜拉桥的跨度更大?通过斜拉桥和悬索桥的结构简图可以看出,斜拉桥的钢索是斜着的,以a图C点进行受力分析,为了在C点提供足够的竖直拉力Fcy随着AC距离的增加,Fc和Fcx将会不断增大,这样会不断增大钢索的拉力和桥面的轴向压力,这也是为什么斜拉桥的钢索大多集中在索塔的上端的原因。
因此AC之间的距离不能太大,即斜拉桥的跨度不能太大。
而通过悬索桥的结构简图可以看出,悬索桥的钢索受力是竖直方向的,随着跨度的增加并不会增加钢索的受力。
因此悬索桥的跨度可以比斜拉桥更大。
3.为什么斜拉桥比悬索桥稳定?由斜拉桥的结构简图可以看出绷紧的钢索与索塔及桥面根据三钢片原则构成了不变体系,而有悬索桥的结构简图不难看出悬索桥的主索、细钢索、索塔及桥面之间构成的是可变体系。
斜拉桥施工技术第一节认识斜拉桥斜拉桥是由主梁、拉索和索塔三种构件组成的,见图8.1.1。
图8.1.1 斜拉桥的组成斜拉桥是一种桥面体系以主梁承受轴向力(密索体系)或承受弯矩(稀索体系)为主,支撑体系以拉索受拉和索塔受压为主的桥梁。
拉索的作用相当于在主梁跨内增加了若干弹性支承,使主梁跨径显著减小,从而大大减少了梁内弯矩、梁体尺寸和梁体重力,使桥梁的跨越能力显著增大。
与悬索桥相比,斜拉桥不需要笨重的锚固装置,抗风性能又优于悬索桥。
通过调整拉索的预拉力可以调整主梁的内力,使主梁的内力分布更均匀合理。
一、总体布置斜拉桥的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. 孔跨布置现代斜拉桥最典型的跨径布置(图8.1.2)有两种:双塔三跨式和单塔双跨式。
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。
双塔三跨式是斜拉桥最常见的一种布置方式。
主跨跨径根据通航要求、水文、地形、地质和施工条件确定。
考虑简化设计、方便施工,边跨常设计成相等的对称布置,也可采用不对称布置,边跨和中跨经济跨径之比通常为0.4。
另外,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龙;小于0.5 时,一段悬臂是在后锚的情况下施工的。
独塔双跨式是另一种常见的斜拉桥孔跨布置方式之一,通常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。
采用两跨不对称布置则可设置端锚索控制桥塔顶的位移,受力比较合理,采用不对称布置时,要注意悬臂端部的压重和锚固。
图8.1.2 斜拉桥的跨径布置当斜拉桥的边孔设在岸上或浅滩上,边孔高度不大或不影响通航时,在边孔设置辅助墩,可以改善结构的受力状态。
哈尔滨工业大学毕业设计(论文)第1章绪论1.1概述斜拉桥是一种桥面体系受压、支承体系受拉的结构,其桥面体系由加劲梁构成,其支承体系由钢索组成。
上世纪70年代后,混凝土斜拉桥的发展可分成三个阶段:第一阶段:稀索,主梁基本上为弹性支承连续梁;第二阶段:中密索,主梁既是弹性支承连续梁,又承受较大的轴向力;第三阶段:密索,主梁主要承受强大的轴向力,又是一个受弯构件。
近年来,结构分析的进步、高强材料的施工方法以及防腐技术的发展对大跨斜拉桥的发展起到了关键性的作用。
斜拉桥除了跨径不断增加外,主梁梁高不断减小,索距减少到10m以下,截面从梁式桥截面发展到板式梁截面。
混凝土斜拉桥已是跨径200m~500m范围内最具竞争力的桥梁结构。
1.1.1 结构体系斜拉桥的基本承载构件由梁(桥面)、塔和索三部分组成,且三者以不同的方式影响总体结构的性能。
实际设计时三者是密不可分的。
塔、梁及索的不同变化和相互组合,可以构成具有各自结构性能且力学特点和美学效果的突出的斜拉桥。
正因为如此,斜拉桥基本体系可按力学性能分为漂浮体系、支承体系、塔梁固结体系和刚构体系:漂浮体系为塔墩固结、塔梁分离,主梁除两端有支承外,其余全部用拉索悬吊,是具有多点弹性支承的连续梁。
支承体系即墩梁固结、塔梁分离,在塔墩上设置竖向支承,为具有多点弹性支撑的三跨连续梁。
塔梁固结体系即塔梁固结并支承在墩上,梁的内力和挠度同主梁与塔柱的弯曲刚度比值有关。
其支座至少有一个为纵向固定。
刚构体系为梁塔墩互为固结,形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。
这种体系的优点是既免除了大型支座又满足悬臂施工的稳定要求,结构整体刚度较好,主梁挠度小;缺点是主梁固结处负弯矩较大,较适合于单塔斜拉桥。
在塔墩很高的双塔斜拉桥中,若采用薄壁柔性墩来适应温度和活载等对结构产生的水平变形,形成连续刚构,能保持刚构体系的优点,并使行车平顺。
采用这种体系的有美国的Dames Point桥和我国的广东崖门大桥等。