1115斜拉桥与悬索桥施工简介

现代桥梁之斜拉桥与悬索桥区别与联系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.因此悬索桥的稳定性不如斜拉桥的稳定性好.4.既然增加索塔可以加大桥面的竖向拉力,减小桥面轴向应力鹤岗索拉力,为什么不把索塔建得很高呢？首先,增加索塔的高度会增加桥梁的用料,从而增加桥梁的经济成本高.其次,由于现实生活中桥面的受力情况特别复杂,无法保证索塔两边桥面受力情况完全相同,这会使得索塔两边钢索所受的拉力不同,如果索塔很长会使得索塔与桥面连接处以及桥墩与地面连接处弯矩过大,容易发生破坏.5.为什么斜拉桥的桥面可以比悬索桥的桥面宽很多？斜拉桥的桥面比悬索桥的桥面宽很多是有桥面的材料为混凝土和桥面的受力特点的决定的 .下面截取斜拉桥和悬索桥的桥面的一个横截面来简化力学模型,并对其进行受力分析.假设桥面受大小为q的均布力,斜拉桥的受力如图c,悬索桥的受力如图d.在斜拉桥的横截面受力图中,桥面横截面受斜向上的钢索拉力,因为斜拉桥的索塔为A型或椡Y型;而在悬索桥的受力图中,桥面横截面只受到竖直向上的拉力,因为悬索桥的索塔为H型.假设斜拉桥和悬索桥桥面长度为l,厚度为2h,则斜拉桥受到的最大拉应力为：米y/Iz-Tt/2lh=0.5ql*lh/Iz-Tt/2lh;悬索桥的最大拉应力为：米y/Iz=0.5ql*l/Iz.由此可见在受力和桥面横截面形状相同的情况下,斜拉桥的最大拉应力比悬索桥小Tt/2lh,又因为桥面材料为混凝土,抗压不抗拉,因此斜拉桥的桥面可以比悬索桥的桥面更宽一些.下面,假设桥面受大小为q的均布力(因为桥面主要受到自身的重力,而桥面自身的重力是均布力),而这也是桥面的,设有n根钢索且每根钢索所受的拉力相等为T=ql/(n+2),并且假设桥面只发生小变形,对力学模型进一步简化后.对斜拉桥和悬索桥进行分析,做出斜拉桥与悬索桥的受力图g,剪力图e,弯矩图f.从斜拉桥和悬索桥加钢索和没加钢索的剪力图可以看出：钢索的增加能有效的减小剪力的不断的增加,将剪力变成一种周期性的力.同时可以看出钢索越多剪力图像中的峰值在斜率不变,钢索的只能更加会使图像的周期减小,因此能有效地减小剪力图像中的峰值(F Q=ql/(n+2)),由米(X)= F Q(X)dx得到斜拉桥和悬索桥的弯矩图.同时从斜拉桥和悬索桥的弯矩图中可以看出来其图像也为周期函数图象.同样其图像的峰值与钢索的数量加2后的平方成反比(米=ql*l/(n+2)*(n+2)).由此可见增加钢索的数量不仅可以减小斜拉桥和悬索桥桥面的剪力和弯矩,同时也可以减小每根钢索的拉力.由此可见准确的估计每一段的受力情况,以此来设置钢索中的预应力是十分重要的,对减小桥面中的剪力和弯矩起着决定性的作用.虽然钢索中的预应力设置不当也可以起到阻止弯矩增大作用,但效果将大打折扣.由此可见对斜拉桥和悬索桥进行准确的受力分析是十分重要的.以上只是在理想化的条件下进行的粗糙的理论分析,现实中总是有着这样或那样的不可控条件.首先,桥面不可能受均布力：其次,大跨度的桥梁并非只发生小变形,而是会发生大变形;最后,斜拉桥的桥面存在着弯矩和轴力混合作用的效应.当然还有其他的一些因素对理论分析的影响没有列举出来,我们就先不讨论了.下面我们来分析一下以上三个方面对我们的分析造成的影响.1.由于桥面的受力并非均布力,虽然桥面自身的重力仍是均布力,但两者相加之后,剪力图e中的剪力就不是线性变化的,这会对钢索预应力的估计造成困难.2.由于大跨度桥梁发生的并非小变形,而是会发生大变形.以上的线弹性的分析方法就不再适用了,应该运用几何非线性的分析方法进行分析.几何非线性问题是指大位移问题,几何运动方程为非线性.在绝大多数大位移问题中,结构内部的应变是微小的 .因为应变是微小的,对线性问题一般是根据变形前的位置来建立平衡方程.但对几何非线性问题,由于位移变化产生的二次内力不能忽略,荷载一变形关系为非线性,此时叠加原理不再适用,整个结构的平衡方程应按变形以后的位置来建立.3. 斜拉桥的斜拉索拉力使其它构件处于弯矩和轴向力组合作用下,这些构件即使在材料满足虎克定律的情况下也会呈现非线性特性.构件在轴向力作用下的横向挠度会引起附加弯矩,而弯矩又影响轴向刚度的大小,此时叠加原理不再适用.但如果构件承受着一系列横向荷载和位移的作用,而轴向力假定保持不变,那么这些横向荷载和位移还是可以叠加的.因此,轴向力可以被看作为影响横向刚度的一个参数,一旦该参数对横向的影响确定下来,就可以采用线性分析的方法进行近似计算.有两种方法可以处理这种由压一弯共同作用引起的非线性问题：一是引入稳定函数,得到梁体单元刚度矩阵元素的修正系数,然后用修正系数在迭代中不断地对小位移线弹性刚度矩阵进行修正;或者在计算单元刚度矩阵时考虑几何刚度矩阵的影响.二是从实际的应变出发列出压弯共同作用的总应变方程,通过虚功原理,得到梁体单元的整体刚度矩阵.。

斜拉桥及悬索桥施工安全控制的要点斜拉桥和悬索桥是大型桥梁工程中常见的两种结构形式，它们采用吊索或拉索的方式支撑桥梁，在提供通行功能的同时也需要保证施工过程中的安全性。

下面将重点介绍斜拉桥和悬索桥施工安全控制的要点。

一、斜拉桥施工安全控制要点：1.工程前期准备：（1）准确测量和确定桥梁的地基情况，评估地质条件，确保地基能够承受桥梁荷载。

（2）评估风力条件，确定合适的设计参数，预测施工期间的风压，合理选择施工方法和工艺。

2.施工方案设计：（1）根据桥梁形式和地质条件，确定合适的施工方案和工艺，包括吊索或拉索的布置、起吊顺序、加固措施等。

（2）设置合理的施工平台和施工工区，保证施工人员和设备的安全。

3.施工设备和工具：（1）选择符合安全标准的起吊设备，保证设备可靠性和承载能力。

（2）合理布置起吊设备和人员，设立安全警示标志和安全防护措施。

4.施工过程安全控制：（1）严格控制吊带或拉索的张力，避免超载。

（2）定期检查吊带或拉索的磨损和腐蚀情况，及时更换。

（3）注意风力对吊带或拉索的影响，根据风压变化及时调整吊带或拉索的张力。

（4）施工过程中的人员应统一着装，戴好安全帽和安全带，严禁违规操作。

5.施工现场管理：（1）设立专门的施工组织部门，负责施工现场的管理和安全控制。

（2）设置施工现场警示标识，划定施工安全区域。

（3）配备专业的施工人员，定期进行施工安全培训，提高安全意识。

二、悬索桥施工安全控制要点：1.地基处理与加固：（1）对悬索桥的地基进行详细勘测，确保地基的稳定性和承载能力。

（2）根据地基情况，采取相应的地基处理措施，如加固、加密等，确保地基能够满足悬索桥的荷载要求。

2.桥塔与桥墩的施工：（1）桥塔和桥墩的施工要符合规范要求，保证施工质量和安全。

（2）在施工过程中，对桥塔与桥墩进行不间断的监测，及时发现和处理施工中的问题。

3.悬索索的制造和安装：（1）悬索索的制造要严格按照规范要求进行，确保质量合格。

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。