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1、桥梁工程概论,主讲人：杨果岳,第十章 斜拉桥简介,第一节 概述第二节 孔跨布局第三节 索塔布置第四节 拉索布置第五节 主要结构体系第六节 斜拉桥构造,第一节 概述,是指用锚在塔上的若干斜索吊住梁跨结构的桥，也叫斜张桥。主要由主梁、索塔和斜拉索三大部分组成。索塔大都采用混凝土结构，主梁一般采用混凝土结构、钢-混凝土组合结构或钢结构，斜拉索则采用高强材料（高强钢丝或钢绞线）z制成。,斜拉桥荷载传递途径：斜拉索的两端分别锚固在主梁和斜塔上，将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传至地基。力学特性：主梁在斜拉索的多点支承下，像多跨弹性支撑的连续梁一样，使弯矩值得以大大地降低，这不但可以使主梁尺寸
2、大大减小，而且由于结构自重显著减轻，既节省了结构材料，又能大幅度地增大桥梁的跨越能力。在主梁承受荷载之前需要对斜拉索进行预张拉。,斜拉桥属于高次超静定结构，包含较多的设计变量，桥型方案和寻求合理设计较为困难。现代斜拉桥的发展： 第一阶段：稀索布置，主梁较高，主梁以受弯为主，拉索更换不方便； 第二阶段：中密索布置，主梁较矮，主梁承受较大轴力和弯矩； 第三阶段：密索布置，主梁更矮，并广泛采用梁板式开口断面。,稀索布置,密索布置,第二节 孔跨布局,一、双塔三跨式主跨跨径大，一般适用于跨越较大的河流。跨径分割比：边跨与主跨合理而均衡比为1：2：1主跨经济性跨径：400m500m。超长斜拉桥1000m。
3、边主跨之比与斜拉桥的整体刚度、端锚索的应力变幅有着很大的关系。,二、独塔双跨式,主孔跨径一般比双塔三跨式跨径小，适用于跨越中小河流和城市河道。边主跨之比为（0.50.8），但大多数为0.66。边跨大，考虑拉索应力疲劳，中间设桥墩改善。,三、三塔四跨式和多塔多跨式,很少采用。因为中间塔没有端锚索来有效限制它的变位。采用增加主梁刚度和索塔刚度增加了工程量。,四、辅助墩和边引跨,边引跨,辅助墩,活载作用时，往往边跨梁段附近区域产生很大的正弯矩，并导致梁体转动。解决这个问题，常用：边引跨：形成负弯矩。辅助墩：减小拉索应力变幅，缓和端支点负反力。,第三节 索塔布置,一、索塔的形式美学观点适合拉索布置传力
4、简单，恒载作用下，索塔尽可能处于轴心受压状态。,二、塔的高跨比索塔的高度决定着整个桥梁的刚度和经济性。索对梁的支承刚度主要取决于索力的竖向分力V 和拉索的线刚度EA/l。拉索锚点处荷载P作用下， 主梁下挠量：,普通索：塔高与索长、倾角的关系,值最大，拉索的支承刚度最大， 为55最大；tan越小，塔的支承刚度越大。,端锚索：塔高与索长、倾角的关系,对于端锚索，当中跨布载时，水平力F作用下，塔顶水平位移为：,为35时，最小，端锚索提供的支承刚度最大,拉索轴力N与倾角有关，经推导， 取值45 。综合考虑索和塔的共同影响，对于每座斜拉桥存在一个最佳高度H，使得索和塔对主梁的支承刚度达到最大。,第四节
5、拉索布置,1.索面位置,单索面 拉索对抗扭不起作用，所以主梁应采用抗扭刚度较大的截面。优点：桥面视野开阔。双索面 扭矩可用拉索的轴力来抵抗，主梁可用较小抗扭刚度的截面。斜向双索面 对于桥面梁体抗风力扭振特别有利。,2.索面形状,辐射形 斜拉索沿主梁均匀分布，而集中于塔顶一点。 优点：斜拉索与水平面交角大，故斜拉索的垂直分力对主梁的支承效果也大。 缺点：但塔顶锚固点构造过于复杂。,竖琴形 斜拉索成平行排列。 优点：可简化与塔的连接构造，塔上锚固点分散，对索塔的受力有利。 缺点：倾角小，索的总拉力大时，钢索用量多。,扇形 斜拉索不互相平行，兼有上述两种布置方式的优点。故广泛采用。,3.索距的布置,
6、早期为稀索：超静定次数少现代斜拉桥多为密索：超静定次数高，必须利用计算机计算。 密索有如下优点：（1）索距小，主梁弯矩小；（2）索力较小，锚固构造简单；（3）锚固点附近应力流变化小，补强范围小；（4）利于悬臂架设；（5) 易于换索,第五节 主要结构体系,按索塔、梁、墩相互结合方式，可分为： 漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系和刚构体系按主梁的连续方式，可分为： 连续体系和T构体系按斜拉索的锚固方式，可分为： 自锚体系、部分地锚体系和地锚体系按塔的高度，可分为： 常规斜拉桥和矮塔部分斜拉桥,一、漂浮体系,漂浮体系结构特点：塔墩固结，塔梁分离，主梁悬浮,主梁除两端有支承外，其余全部由拉索悬吊，属于
7、一种在纵向可稍作浮动的多跨弹性支承连续梁。塔柱和主梁之间设置侧向限位支座。,斜拉索不能给梁提供有效的横向支承，为了抵抗风力引起的主梁横向位移，故设之。,该体系优点：,（1）全跨满载时，塔柱处主梁无负弯矩峰值；（2）主梁可以随塔柱的缩短而下降，所以温度、收缩和徐变内力均较小。（3）密索体系主梁各截面的变形和内力变化较平缓，受力较均匀；（4）地震时允许全梁纵向摆荡，成为长周期运动，从而抗震消能，因此地震烈度较高地区可考虑选择这类体系。,该体系缺点：,（1）当采用悬臂施工时，塔柱处主梁需临时固结。（2）斜拉索不能对梁提供有效的横向支承，为抵抗由于风力等所引起的横向摆动，必须增加一定的横向约束。,二、
8、半漂浮体系,该体系塔墩固结、塔梁分离，主梁在塔墩上设置竖向支承，接近于在跨度内具有弹性支承的三跨连续梁。,特点：,（1）这种体系的主梁内力在塔墩支点处产生急剧变化，出现了负弯矩尖峰，通常须加强支承区段的主梁截面。（2）支承体系的主梁一般均设置活动支座，在横桥方向亦须在桥台和塔墩处设置侧向水平约束。,三、塔梁固结体系,塔梁固结并支承在墩上，斜拉索为弹性支承，相当于梁顶面用斜索加强的一根连续梁，主梁的内力与挠曲直接与主梁和索塔的弯曲刚度有关。支座布置：只在一个塔柱处设置固定支座，其余皆为纵向可以活动支座。,特点：,优点：减小了塔墩弯矩和主梁中央段的轴向拉力。缺点（1）中孔满载时，主梁在墩顶处转角位
9、移导致塔柱倾斜，显著增大主梁跨中挠度和边跨负弯矩； （2）上部结构重力和活载反力都需由支座传给桥墩，这就需要设置很大吨位的支座。在大跨径斜拉桥中，这种结构体系可能要设置上万吨级的支座，支座的设计制造及日后的养护，更换均较困难。,四、刚构体系,梁、塔、墩互为固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。,特点：,优点：（1）既免除了大型支座又能满足悬臂施工的稳定要求；（2）结构的整体刚度比较好；主梁挠度小。缺点: (1)刚度的增大是由梁、塔、墩固结处能抵抗很大的负弯矩换取来的，因此这种体系的固结处附近区段内主梁的截面必须加大。 (2）为消除温度应力，需要墩身具有一定柔性，故常用于高墩。,五、T构体系,
10、T构体系与刚构体系的区别是主梁跨中区域无轴拉力。具体方法：在中跨中央部分插入一小跨悬挂结构（活动支座，卸力）。以剪力铰代替悬挂结构。,六、部分地锚体系,主跨很大，边跨很小时采用。,七、矮塔部分斜拉桥体系,塔高降低能提高塔身刚度，但拉索的水平倾角也将减小，故矮塔部分斜拉桥拉索不能提供足够的支承刚度，要求主梁的刚度较大。受力性能介于梁式桥和斜拉桥之间。,特点：,（1）塔较矮；（2）梁的无索区较长，没有端锚索；（3）边主跨之比较大；（4）梁高较大；（5）受力以梁为主，索为辅；（6）活载作用下斜拉索的应力变幅较小。,第六节 斜拉桥构造,主梁构造 主梁的主要作用：（1）将作用分散传给拉索。（2）主梁承受
11、的力主要是拉索的水平分力所形成的轴压力。（3)抵抗横向风载和地震荷载，并把这些力传给下部结构。,主梁设计时的控制因素：（1）拉索间距较大时，采用弯矩控制设计；（2）单索面斜拉桥，采用扭转控制设计；（3）双索面密索体系，主要考虑轴压力和整个桥的纵向弯曲。主梁设计时，需考虑一定的安全储备。,按截面形式：1.实体梁式和板式主梁 适用于双索面斜拉桥，结构简单，施工方便，空气动力性能合理。2.箱形截面 抗弯和抗扭刚度大，能适应稀索、密索、单索面或双索面等不同斜索布置。具体见表4-2-1,主梁的主要组合方式（材料决定）：（1）预应力混凝土梁，称混凝土斜拉桥（2）钢-混凝土组合梁，称组合梁斜拉桥 (3) 钢
12、主梁，称钢斜拉桥（4）主跨为钢主梁或钢-混凝土组合梁，边跨为混凝土梁，称为混合式斜拉桥。,各种材料主梁的经济跨径：,研究认为： 跨径200 400m ,采用混凝土主梁； 400 600m ，采用钢-混凝土组合梁； 大于600m， 采用钢主梁。 400、600m临界区域，综合考虑，做经济比较。主跨和边跨主梁的设计理念区别：主跨必须有良好的动力特性，自重较轻；边跨应具有克服上提力的功能：自重、刚度或设辅助墩解决。,二、索塔索塔的组成：,混凝土索塔的构造,中小跨度,中等跨度,多边形截面索塔比矩形截面的对抗风有利。,各种空心截面包括H形截面，一般均在每一层拉索锚头处增设水平隔板。有利于将索力传递到塔柱
13、全截面上；在施工阶段和养护时可作为工作平台。,三、拉索,拉索构造分为整体安装的拉索和分散安装的拉索。 整体安装：平行钢丝索配冷铸锚。 分散安装：平行钢绞线索配夹片锚。1.平行钢丝索配冷铸锚。,冷铸锚,拉索的构造,采用镀锌高强钢丝，其标准强度不低于1600MPa，常采用5或 7镀锌钢丝制造。由于是在常温下浇铸填料，故称为“冷铸锚”冷铸锚的锚固力由锚筒的圆锥体和筒内填料的横向挤压力承受，正常情况下墩头不受力，作为安全储备。由于其要求整体制作、整体运输和整体安装，使它的使用受到限制。,2.平行钢绞线配夹片锚。,平行钢丝索中的钢丝换成等截面的钢绞线即成为平行钢绞线索；钢索线在索中平行排列，故称为平行钢
14、绞线索。采用夹片锚的原因：现场施工中难以将15mm的钢铰线镦头和保证其质量。钢绞线的逐根张拉中，须使最终斜索中的各根钢绞线拉力相等。此张拉工艺称为“等值张拉法”。,拉索的锚固,1.斜拉索与混凝土梁的锚固顶板锚固块,以箱梁顶板为基础，向上、下两个方向延伸加厚而成。 拉索水平力传至梁截面，垂直分力由加劲斜杆平衡。适用范围：箱内具有加劲斜杆的单索面斜拉桥。,箱内锚固块,锚固块位于顶板之下和两个腹板之间，并与它们固结在一起。垂直分力通过锚固块左右的腹板传递。适用范围：两个分离式单箱梁的双索面斜拉桥和带有中间箱室的单索面斜拉桥。,斜隔板锚固,锚头设在梁底外面，也可埋入斜隔板预留的凹槽内。,垂直分力由斜隔
15、板两侧的腹板以剪力方式传递。,适用范围：两个分离式单箱梁的双索面斜拉桥和带有中间箱室的单索面斜拉桥。,梁底两侧设锚固块粱两侧设锚固块锚块设在梁底适用于双主梁或 板式截面斜拉桥,设在风嘴实体之下或边腹板之下。,适用于双索面斜拉桥。,2.拉索在索塔上的锚固,（1）在实体塔上交错锚固 在塔柱中埋置钢管，再将斜拉索穿入和用锚头锚固在钢管上端的锚垫板上。（2）在空心塔上作非交错锚固 构造与实体塔锚固相同，但需在箱形桥塔的壁内配置环向预应力筋，以抵抗拉索在箱壁内产生的拉力,（3）采用钢锚固梁锚固,将钢锚固梁搁置在混凝土塔柱内侧的牛腿上，斜索通过埋设在塔壁中的钢管锚固在钢锚固梁两端的锚块上。,塔两侧相等,塔
16、两侧不相等,（4）利用钢锚箱锚固,整个钢锚箱是由各层的钢锚箱进行上下焊接而成，然后将锚箱用焊钉使之与混凝土塔身连结，用环形预应力筋将锚箱夹在混凝土的塔柱内，以增加对拉索水平荷载的抵抗力。,拉索的应力,拉索的应力控制需要考虑三个因素：有效弹性模量、破断强度和疲劳。斜索的应力过低，则斜索的垂度大，索的有效模量就小，这是斜拉索必须采用高强度钢材的直接原因。所以控制拉索的最小应力十分必要。当拉索的荷载超过破断荷载的50%时，钢的非弹性应变将快速增加，所以对于一般的荷载组合，其最大值只能到它破断强度的40%。抗疲劳问题：拉索在规定的应力变幅下，承受200万次荷载循环后的强度不小于原来强度的95%。,拉索
17、的减振,1.气动控制法将拉索的光滑表面做成带有螺旋凸纹、条形凸纹、V形凹纹或圆形凸点的非光滑表面。优点：提高拉索表面的粗糙度，使气流经过拉索时在表面边界层形成湍流，从而避免涡激共振的产生；拉索表面的凹凸纹能阻碍下雨时拉索上、下缘迎风面雨水线的形成，从而防止雨振的产生。缺点：对塔、梁在外界激励下导致索两端的支座激振没有减振作用；会增大拉索对风的阻力。,2.阻尼减振法,通过安装阻尼装置，提高拉索的阻尼比从而抑制拉索的振动。根据与拉索的关系，可分为内置式和外置式。,内置式,外置式,3.改变拉索动力特性法 采用联结器（索夹）或辅助索将若干根索相互联结起来，辅助索可以采用直径比主要索小得多的索。 作用机理： 通过联结，将长索转换成为相对较短的短索，使拉索的振动基频提高，从而抑制索的振动。 作用：对防止低频振动十分有效，同时降低了雨振和单根索振动发生的几率。 局限性：对以高阶形式出现的涡激振动抑制不明显； 辅助索易疲劳断裂。,
