(完整版)斜拉桥与悬索桥
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斜拉桥和悬索桥的区别斜拉桥和悬索桥的区别在于:斜拉桥的主缆横向布置,悬索桥的主缆竖直布置。
一般说来,斜拉桥跨度小、结构轻巧,而且它可以看作是“吊”起来的;悬索桥则比较笨重,但它形成的强大的横向刚度却使它能够承受巨大的垂直荷载。
另外,由于斜拉桥用的索塔和主梁都是像弹簧一样彼此独立地支撑在各自的基础上的,所以,斜拉桥不仅外观雄伟壮丽,而且内部空间开阔,便于布置管线等设施。
因为这些优点,所以斜拉桥被广泛应用于城市道路交通中。
不过,悬索桥也有它自己的特点。
从历史记录上看,公元前二世纪左右就出现了悬索桥。
当时修建悬索桥是为了军事目的,只要把桥的一端固定住,桥就会稳如泰山,而不必担心会断裂或垮塌。
后来,悬索桥的建造技术逐渐发展,到了19世纪末期,才正式出现了具有完整技术体系的悬索桥。
这种桥利用缆索起重机将桥面吊到高处,再把桥面的重量转移到锚锭上去。
这样做,虽然增加了施工难度,但却减少了许多不安全的因素。
随着科学技术的进步,悬索桥的技术性能已经达到了很高水平。
如今,人类的足迹几乎遍及世界每个角落,而越来越多的人喜欢在大江河流上架设悬索桥。
悬索桥是现代钢铁工业的产物。
第一座真正意义上的悬索桥是1937年建成的美国跨度为1178米的明尼苏达州圣保罗市的金门大桥。
此后不久,德国人首先采用了钢丝绳悬索桥,而后英国人又推出了钢箱形截面悬索桥,这两种桥型一直沿用至今。
日本是亚洲第一个掌握悬索桥制造技术的国家。
该国制造的预应力混凝土悬索桥长1153米,居世界第三位。
这里还需提醒读者注意的是,在悬索桥中有一种半悬索桥。
它实际上是悬索桥与斜拉桥相结合的产物,既有斜拉桥的刚度,又有悬索桥的柔韧性。
这种桥的跨径比单纯的悬索桥要大得多,其结构非常复杂,它既能充分利用悬索桥的柔韧性,又可以避免斜拉桥的笨重。
在我国的南方,也曾有过不少半悬索桥,例如著名的贵州省坝陵河大桥。
半悬索桥既有索桥的刚劲挺拔,又有拱桥的曲线玲珑,它同时兼备了两者的优势,堪称“桥梁新秀”。
第六章悬索桥及斜拉桥第一节悬索桥及斜拉桥的分类及构造一、悬索桥、斜拉桥的分类(一)悬索桥悬索桥也称吊桥,是指利用主缆和吊索作为加劲梁的悬挂体系,将桥跨所承受的荷载传递到桥塔、锚碇的桥梁。
其主要结构由主缆、索塔、锚碇、吊索、加劲梁组成。
悬索桥的类型可根据悬吊跨数、主缆锚固方式及悬吊方式等方面加以划分。
1.按悬吊跨数分类其结构形式如图6-1。
其中单跨悬索桥和三跨悬索桥最为常用。
图6-1 悬吊跨数不同的悬索桥a)单跨悬索桥;b)三跨悬索桥;c)四跨悬索桥;d)五跨悬索桥1)单跨悬索桥2)三跨悬索桥3)多跨悬索桥图6-2 联袂布置的悬索桥2.按主缆的锚固方式分类按主缆的锚固形式划分,可分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。
3.根据悬吊方式分类1)采用竖直吊索并以钢桁架作加劲梁,如图6-4所示。
2)采用三角布置的斜吊索,并以扁平流线形钢箱梁作加劲梁,如图6-5所示。
3)混合式,即采用竖直吊索和斜吊索,流线形钢箱梁作加劲梁。
如图6-6所示。
图6-4 采用竖直吊索桁式加劲梁悬索桥图6-5 采用斜吊索钢箱加劲梁的悬索桥图6-6 带斜拉索的悬索桥4.按支承结构分类图6-7 按支承构造划分悬索桥形式a)单跨两铰加劲梁;b)三跨两铰加劲梁;c)三跨连续加劲梁(二)斜拉桥斜拉桥的主要组成部分为主梁、索塔及拉索。
1.按索塔布置方式分1)单塔式斜拉桥采用图6-8-b)的单塔式斜拉桥。
2)双塔式斜拉桥桥下净空要求较大时,多采用图6-8 a)所示的双塔式斜拉桥。
图6-8 斜拉桥跨径布置3)多塔式斜拉桥在跨越宽阔水面时,由于桥梁长度大,可采用图6-8c)所示的多塔斜拉桥。
2.按主梁的支承条件分1)连续梁式斜拉桥如图6-9 a)。
2)单悬臂式斜拉桥如图6-9 b)。
3)T形刚架式斜拉桥如图6-9 c)。
图 6-9按主梁支承条件划分斜拉桥形式二、悬索桥、斜拉桥的构造(一)悬索桥上部结构的主要形式和构造特点现代悬索桥通常主要由主缆、主塔、锚碇与加劲梁等四大主体结构以及塔顶主索鞍、锚口散索鞍座或散索箍和悬吊系统等重要附属系统组成。
斜拉桥与悬索桥之比较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(suspen sionbridge)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。
悬索桥与斜拉桥的比较(补充)
(1)结构受力方面
悬索桥:
主要靠主缆承受荷载,并通过主缆将拉力传给锚固体系,
加劲梁仅仅起到局部承受荷载、传递荷载的作用;
采用地锚时,加劲梁中不受轴向力作用,由加劲梁自重引起的恒载内力较小。
斜拉桥:
由斜拉索与主梁共同承受荷载,斜拉索的纵桥向水平分力在主梁中引起较大的轴向力,恒载内力所占比重很大。
悬索桥只有通过调整垂跨比才能改变主缆的恒载内力,
而斜拉桥可直接通过张拉斜拉索就能调整索、梁的恒载内力。
(2)材料方面
◎(大跨度)悬索桥:加劲梁多采用自重较轻的钢材。
◎斜拉桥:主梁材料可以是钢、混凝土或钢-混凝土结合。
(3)刚度方面
☐悬索桥:竖向刚度较小,且基本由主缆提供;调整其竖向刚度的方法主要靠调整主缆的恒载拉力。
☐斜拉桥:竖向刚度由斜拉索与主梁共同提供,相对于悬索桥而言,刚度可以较大;斜拉桥的主梁刚度对结构刚度的影响较大;改变斜拉桥的结构布置形式,可调整其竖向刚度。
(4)施工方面
◎悬索桥:
~施工顺序是锚碇、桥塔、主缆、吊索、加劲梁,施工需要的机械、技术和工艺相对较简单;
~结构的线形主要取决于主缆线型和吊杆长度,因而施工控制相对比较简单。
◎斜拉桥
~在施工中将发生多次的结构体系转换,必须严格控制结构的线形和拉索索力,施工控制较复杂、技术难度相对较大。
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悬索桥和斜拉-悬索协作体系桥的比较悬索桥(suspension bridge)是利用主缆及吊索作为加劲梁的悬挂体系,将荷载作用经桥塔、锚碇传递到地基的桥梁。
悬索桥主要由缆索系统、塔墩、加劲梁及附属结构四大部分组成。
地锚式悬索桥中锚碇、桥塔和主缆是主要的承载结构,吊索与加劲梁则主要起传递直接作用其上的荷载的作用;自锚式悬索桥中锚碇、桥塔、主缆、加劲梁都是主要的承载结构。
斜拉-悬索协作体系桥(cable-stayed-suspension bridge)是在悬索桥上增加斜拉索,或者在斜拉桥上增加主缆,故斜拉-悬索协作体系桥也是主要由缆索系统、桥塔、加劲梁及附属结构四大部分组成。
其中锚碇、桥塔、主缆、斜拉索、主梁是主要的承载结构。
日本明石海峡桥纽约布鲁克林桥一、悬索桥和斜拉-悬索协作体系桥的优缺点悬索桥的优点:(1)受力非常合理:悬索桥的主要受力构件为缆索,缆索主要受拉,次弯矩非常小,应力在截面上分布比较均匀;桥塔以受压为主,弯矩也较小;加劲梁只作为桥面来传递荷载,不是主受力构件,就静力来说,梁高与跨度无关而只与吊索间距有关。
(2)跨越能力大:在大跨度悬索桥中,缆索的恒载拉力远大于活载值,因此一般疲劳的影响较小。
(3)桥型优美;悬索桥加劲梁的梁高比同跨度的梁桥的梁高小得多,所以建筑高度较小,具有优美的曲线,外形比较美观,在城市中采用此种桥式将为城市增加风景点。
如美国旧金山的金门大桥。
(4)抗震能力强:悬索桥是轻而柔的桥梁,刚度较小,在地震作用下,受地震惯性力较小,往往位移大而内力小,消能能力强,因此抗震能力强。
(5)施工方便:悬索桥施工时是先架设好桥塔,然后利用桥塔架设牵引索和施工猫道等,利用猫道来架设主缆,然后再架设加劲梁和桥面系,施工方便;在交通不便的山区,修建悬索桥较为有利;在交通方便的江河湖海和城市外,悬索桥除了开始架设先导索外,不会中断交通。
悬索桥的缺点:(1)荷载作用下变形较大:由于缆索是柔性结构,当活载作用时,会改变几何形状,会引起桥跨结构较大的变形。