自锚式悬索桥的设计

文章编号:1003-4722(2002)05-0030-03

自锚式悬索桥的设计

张元凯,肖汝诚,金成棣

(同济大学桥梁工程系,上海200092)

摘　要:浙江平湖海盐塘桥为一座主桥跨径为(30+72+30)m的自锚式悬索桥,上部结构采

用钢筋混凝土箱梁,主缆锚固在主梁端和主梁的跨中,主缆外包钢管混凝土索套,塔梁固结,设计构

思独特。以该桥为工程背景,介绍这类桥梁设计构思,通过计算分析说明其受力特性,并对这种桥

型的发展、应用前景进行了分析。

关键词:悬索桥;力学分析;桥梁设计

中图分类号:U448.25文献标识码:A

DesignofSelf2anchoredSuspensionBridge

ZHANGYuan2kai,XIAORu2cheng,JINCheng2di(DepartmentofBridgeEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:TheHaiyantangBridgeinPinghuisaself2anchoredsuspensionbridge,spansareat2

tributedas(30+72+30)m.Inthesuperstructuretheconcreteboxgirdersareused,thecablesare

anchoredbothintheendandinthemiddleofthegirder,andaresurroundedbytheconcretesteel

tubes.Takingthebridgeasbackgroundandanalyzingthestressfeatures,theconceptiondesignand

thedevelopmentofthespecialbridgearediscussed.

Keywords:suspensionbridge;mechanicalanalysis;bridgedesign

收稿日期:2002-04-29作者简介:张元凯(1972-),男,博士生,1995年毕业于重庆大学力学系,获学士学位,2000年毕业于同济大学桥梁工程系,获硕士学位,现为同济大学博士生。1　前　言自锚式悬索桥是一种古老的桥型,它不同于一

般的悬索桥,它的主缆直接锚固在加劲梁的梁端,由主梁直接承受主缆中的水平拉力,不需要庞大的锚碇,这给不方便建造锚碇的地方修建悬索桥提供了一种解决方法。1915年德国就修建了第一座自锚

式悬索桥,日本1990年建成的北港桥,韩国1999年建成的永宗大桥堪称是自锚式悬索桥的代表。表1列出了目前已经建成的主要自锚式悬索桥,这些桥梁除了主缆直接锚固在加劲梁的梁端外,其余部分构造都采用了和现代悬索桥相似的形式。平湖海盐塘自锚式悬索桥充分利用自锚式悬索桥的受力特性,借鉴了同类桥梁的一些优点,并经过改进。其主要有以下几个特点:主缆锚于梁端,不需要建造昂贵的锚碇;主梁采用了钢筋混凝土箱梁,利用主缆的水平分力,为主梁施加免费预应力,主梁内不再配置预应力钢束;塔顶不设置鞍座,主缆直接锚

固在塔顶上。这种桥型结构新颖,造型美观,结构轻巧,构件受力合理,用材经济,造价比同等跨径的预应力混凝土连续梁桥、部分斜拉桥都要低,是一种在中小跨径内非常具有竞争力的桥型。表1　主要的自锚式悬索桥

桥　名建成年分主跨/m边跨/m矢跨比科隆-迪兹桥(德)1915184.592.31∶8.6第七街桥(美)1926134.867.51∶8.1清洲桥(日)192891.545.81∶7.1科隆-米而海姆桥(德)192931591.01∶9.1北港桥(日)19903001201∶6.0永宗桥(韩)1999300125.01∶5.0

2　海盐塘桥结构概况03桥梁建设 2002年第5期海盐塘桥位于浙江省平湖市东湖风景区,上部

结构为自锚式钢筋混凝土悬索桥,主跨跨径组合为

(30+72+30)m,全桥长164m;桥面全宽40.0m;桥梁纵坡为±2.2%,竖曲线R=2000m,T=44.0m,E=0.484m。设计荷载等级为城市A级,人群荷载根据规范换算为2.56MPa/m2,下部结构为钻孔灌注桩基础,桥梁的总体布置见图1,横断面布置

见图2。

图1　桥型总体布置

图2　桥梁横断面布置

3　自锚式悬索桥的受力原理与设计构思

3.1　自锚式悬索桥的受力原理自锚式悬索桥的上部结构包括:主梁、主缆、吊

杆、主塔四部分。传力路径为:桥面重量、车辆荷载

等竖向荷载通过吊杆传至主缆承受,主缆承受拉力,而主缆锚固在梁端,将水平力传递给主梁。由于悬

索桥水平力的大小与主缆的矢跨比有关,所以可以

通过矢跨比的调整来调节主梁内水平力的大小,一

般来讲,跨度较大时,可以适当增加其矢跨比,以减

小主梁内的压力,跨度较小时,可以适当减小其矢跨

比,使混凝土主梁内的预压力适当提高。

在该桥中,由于主缆在塔顶锚固,为了尽量减少

主塔承受的水平力,必须保证边跨主缆内的水平力

与中跨主缆产生的水平力基本相等,这可以通过合

理的跨径比来调节,也可以通过改变主缆的线形来

调节。另外,自锚式悬索桥中的恒载由主缆来承受,而活载还需要由主梁来承受,所以主梁必须有一定

的抗弯刚度,主梁的形式以采用具有一定抗弯刚度

的箱形断面较为合适。

3.2　平湖海盐塘桥的设计构思(1)由于主梁需满足抵抗活载弯矩的要求,同时考虑到该桥的桥宽较大(总宽度为40m),主梁采

用了单箱四室箱形截面。

(2)由于主塔的收缩徐变会在结构内产生次内

力,对主梁的受力带来不利影响,所以主塔采用了劲

性骨架钢筋混凝土构件。主塔位于道路的绿化带

内,不另外占用桥面宽度。

(3)根据截面尺寸,估计桥面恒载集度q,再根

据主缆矢跨比f,中跨跨径l,则可得到主缆恒载索

力为:

H恒=18f・q・l2

活载索力按恒载索力的10%估计,即可得到主

缆的总索力,估计出主缆的钢束用量。

(4)为了减小主塔所承受的水平力,应尽量使

得边跨主缆的水平力与中跨产生的水平力相等。考

虑到该桥的边跨和中跨比较接近,活载在塔内引起

的水平力基本平衡,所以可根据恒载作用下,塔内的

水平力为0来确定出主缆线形方程,分别为:中主缆:y=1144x2

边主缆:y=936.52(x+36.15)2-9

式中,坐标原点分别位于跨中主缆的最低点(中主

缆)及主缆与塔中心线的交点(边主缆)。

(5)吊杆的恒载索力为H′=q・Δl(Δl为吊杆

间距),活载索力按其10%估计,由此得到吊杆的总

索力,估计出吊杆的钢束用量。

(6)主梁的内力估计。主梁除了承受主缆产生

的水平力外,还要承受活载产生的弯矩。活载内力

的估计可以根据该桥的等效荷载为ω,估计出跨中

的活载弯矩M。跨中截面的最大拉应力为:

σ=NA-MIy13自锚式悬索桥的设计 张元凯,肖汝诚,金成棣 (7)主梁内力调整。若主梁内拉应力过大,则可

以考虑主缆超张一定的拉力Δh,则主梁跨中弯矩为:

M′=M-Δh・f从而减小主梁跨中断面的弯矩,使得主梁的内力得

到改善。

4　结构受力分析对于传统意义上的悬索桥,计算理论主要有弹

性理论和挠度理论两种。弹性理论不计入主缆内力

对结构刚度的影响,用弹性理论计算得到主梁在活

载作用下的弯矩为:

M′=M-h・y其中,M为活载作用下简支跨梁的活载弯矩,h为

活载引起的主缆水平力,y为主缆至主梁中心线的

距离。而挠度理论计入了主缆的次内力的影响,按

照挠度理论计算得到主梁在活载作用下的弯矩为:

M′=M-h・y-(H恒+h)・Δy

式中,Δy为活载作用下的主梁的挠度。

但对于自锚式悬索桥,由于主梁本身中存在巨

大的轴力,主梁存在梁-柱非线性效应,当主梁产生

位移Δy时,轴力将产生附加弯矩(H恒+h)・Δy,所以主梁弯矩的最终结果和弹性理论计算得到的结果

将保持一致。为了验证上述结论,分别采用弹性程

序与非线性通用程序对本桥的活载效应进行分析,为了便于比较,活载采用等代均布荷载代替,同时在

计算活载效应时,计入主缆外包钢管混凝土,吊杆外

包钢管参与共同作用,计算结果见表2。计算结果

表明,弹性程序与非线性通用程序的计算结果误差

不超过3%,误差产生的原因可能是由于忽略了主

塔的梁-柱非线性效应而产生的。这说明本桥完全

可以采用一般的弹性理论进行计算。但如果随着跨

径的进一步增大,主塔的梁-柱非线性因素的影响

将会增大,则应该计入非线性效应的影响。表2　活载作用下弹性分析与非线性分析部分结果对比

弹性分析非线性分析误差/%主梁跨中弯矩/kN・m2.616×1042.687×1042.7跨中挠度/mm7.98.0261.6主梁墩顶弯矩/kN・m-1.515×104-1.550×1042.3主塔塔根弯矩/kN・m6.439×1036.561×1031.9

计算得到主缆恒载索力为56670kN,最大活

载索力为2880kN,吊杆恒载索力为4370kN,最

大活载索力为220kN,主梁内的最大拉应力为1.33

MPa,最大压应力为8.93MPa,主梁最大挠度为8.0mm。从以上计算结果可以看出,该桥具有很好的受

力性能,主缆与吊杆的应力变化幅度都不超过5%,有良好的抗疲劳性能,这和部分斜拉桥类似,吊杆和

主缆的安全系数可以适当降低。本桥参照部分斜拉

桥拉索主缆安全系数的取值,主缆和吊杆的安全系

数取2.0,而且主梁变形小,具有很好的刚度性能。

5　自锚式悬索桥评价与展望

5.1　海盐塘自锚式悬索桥的主要优点(1)受力性能好,与系杆拱桥类似,但吊杆长度普遍比系杆拱桥的吊杆短,其矢跨比选择的余地比

系杆拱大,结构的稳定性比系杆拱桥好;(2)自锚式悬索桥的活载弯矩主要由主梁承担,在活载作用下的受力性能与连续梁相似,所以它

的结构刚度较大,变形小,使用性能良好,行车舒坦;(3)主缆及吊杆的应力幅度小,对主缆和吊杆的抗疲劳也很有好处,主缆与吊杆的安全系数可以

适当降低,从而可以使预应力材料得到充分利用;(4)利用主缆的水平分力,为主梁提供了免费预应力,从而主梁可采用普通钢筋混凝土箱梁,不再

需要配置预应力钢束;(5)塔顶不设置鞍座,主缆直接锚固在塔顶上,给施工带来了很大的方便;(6)由于自锚式悬索桥是由主梁的受弯、受压,主缆受拉来承受荷载,受力比连续梁桥更为合理,同

时由于它不需要巨大的锚碇,斜拉桥相对于传统悬索

桥的经济优势将不复存在。一般来讲,自锚式悬索桥

跨度在60～300m都是一种非常有竞争力的桥型。

5.2　自锚式悬索桥的主要缺点自锚式悬索桥在施工时,由于主缆锚固在主梁

上,在架设主缆之前,需先架设主梁,这和传统意义

上的悬索桥刚好相反,在一定程度上限制了这种桥

型的推广。

5.3　尚需进一步研究的问题(1)更优越的施工方法的研究。例如将中跨主缆锚固在主梁的底部,用转体施工,从而可以在一定

程度上克服施工上的困难,但在跨径较大的情况下,如何保证转体施工时的稳定性,还需要做进一步的

研究。

(2)主缆锚固点锚下应力的分布研究。(3)当主缆外包钢管混凝土时,吊杆在主缆上的锚固方式研究。

(4)吊杆及主缆的合理张拉顺序研究。23桥梁建设 2002年第5期