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1、第 9 章 悬 索 桥,大跨度桥梁设计,本章的主要内容,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系9.2 悬索桥的结构组成9.3 悬索桥的设计构思9.4 悬索桥的计算9.5 悬索桥施工简介9.6 悬索桥工程实例,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,重力式锚碇,悬索桥定义：由主缆和加劲梁构成的一种柔性悬挂组合体系，兼有索和梁的受力特点。由桥塔、主缆、吊索、加劲梁、锚碇、鞍座等主要部分组成。目前跨径大于1000m的桥梁大部分都是悬索桥结构。,悬索桥的四个发展阶段：,第一代悬索桥，采用天然材料修建，后期也采用了铁索等，一般没有吊杆或吊索，承重结构与使用构造合二为一。,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,第二
2、代悬索桥，开始采用了吊杆将桥面与主索分开。,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,第三代悬索桥，形成了美式悬索桥体系，主缆采用纺丝法，加劲梁采用桁架梁，桥塔以钢塔为主。,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,第四代悬索桥，以流线形扁平钢箱为主要特征的英式悬索桥。,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,9.1.1 悬索桥的受力特点,主缆是结构体系中的主要承重构件，受拉为主；桥塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件，受压为主；加劲梁是悬索桥保证车辆行驶、提供结构刚度的二次结构，主要承受弯曲内力；吊索是将加劲梁自重、外荷载传递到主缆的传力构件，是联系加劲梁和主缆的纽带，受
3、拉。锚碇是锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力传递给地基。,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,9.1.1 悬索桥的受力特点,悬索桥的受力特点,静力特性 动力特性,受力特征：荷载由吊索传至缆，缆再传至锚、墩及塔。在外荷载作用下，主缆和加劲梁共同受力。主缆是主要承重构件，在荷载作用下的变形 直接影响桥梁的内力和变形。,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,9.1.1 悬索桥的受力特点,静力特性,（1）主缆是几何可变体，只能承受拉力。主缆的承载方式除了通过自身的弹性变形（受力伸长）外，还通过主缆的几何形状改变（曲线形状改变）来影响体系平衡。几何形状的改变对悬索桥受力的影响不可忽略，即缆索受力呈现明显的几
4、何非线性特征。（2）恒载给主缆提供了重力刚度，使得主缆具有较大的抵抗活载变形的能力。主缆的几何形状由恒载和活载确定，当恒载远大于活载时，活载对主缆几何形状改变很小，桥面线形变化也小。,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,9.1.1 悬索桥的受力特点,静力特性,（3）改变主缆的垂跨比将影响结构的内力，结构体系的刚度也将随之改变。减小垂跨比，主缆的拉力将增大，从而起到减小挠度的作用，即增大体系的刚度。（4）随着跨径的增大，加劲梁的高跨比应越来越小。加劲梁的挠度是随着主缆的变形产生的，加劲梁本身刚度的作用已影响不大，这与其他桥型的主要构件截面积总是随着桥梁跨径的增加而显著增加不同。,9.1 悬索桥的
5、受力特点与结构体系,9.1.1 悬索桥的受力特点,静力特性,（5）边跨的不同形式对桥梁受力有很大的影响。悬索桥边中跨之比对挠度和内力有影响。边中跨比减小，中跨跨中和L/4的挠度和弯矩值减小，塔根弯矩也减小，主缆拉力增加。,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,9.1.1 悬索桥的受力特点,动力特性,与其他桥型相比，悬索桥的刚度小，固有频率低。固有频率是影响抗风稳定性和动力特性方面的一个重要因素，直接关系到结构的安全，因而对悬索桥进行动力分析是十分重要的。,自由振动强迫振动（1）车振（2）风振（3）地震,1、按加劲梁的结构体系分类：单跨两铰、双跨两铰、三跨两铰、三跨连续、多跨连续和自锚式体系等。,
6、单跨两铰加劲梁悬索桥,三跨两铰加劲梁悬索桥,三跨连续加劲梁悬索桥,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,9.1.2 悬索桥的分类,2、按主缆的锚固形式分类地锚式与自锚式悬索桥：主缆锚固于锚碇者称地锚式；主缆锚固于加劲梁端部者称自锚式。,地锚式悬索桥,自锚式悬索桥,9.1 悬索桥的受力特点与结构体系,9.1.2 悬索桥的分类,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.1 锚碇,用来锚固主缆的重要结构，将主缆的拉力传递给地基。重力式锚碇依靠巨大的自重来抵抗主缆的垂直分力，水平力由锚碇与地基间的摩擦力或嵌固阻力来承担。隧道式锚碇将主缆的拉力直接传递给周围的岩石。,重力式锚碇,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.
7、1 锚碇,地锚式广泛采用，承受水平反力和向上的竖直力，以自重提供的摩擦力来抵抗主缆水平力隧道式（在坚实岩层中挖成）重力式（由混凝土锚固体的重量来固定主缆）,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.2 桥塔,桥塔是支承主缆的重要构件。活载和恒载通过桥塔传递到下部的桥墩和基础。桥塔的高度主要由主缆的垂跨比确定。已建悬索桥大都采用钢结构。现在由于预应力混凝土和爬模技术的发展，混凝土桥塔越来越多。,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.2 桥塔,桥塔主要由塔柱和横向联结两部分组成。断面：多为箱形桥塔横向形式：,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.3 主缆,主缆是悬索桥的主要构件。通过索夹和吊索承受作用在桥面的活载
8、和桥梁恒载。承担横向风载。,1、钢丝绳主缆：钢丝绳主缆由钢丝捻成股，再由股捻成绳。一般钢丝绳采用7股绳。一般用于小跨径悬索桥。,主缆分为钢丝绳主缆和平行钢丝束主缆两种类型。,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.3 主缆,2、平行钢丝束主缆预制平行钢丝束股法（PPWS法）：采用平行钢丝索，加快了主缆的施工进度，截面外形分为尖顶形和平顶形。,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.3 主缆,1、主缆锈蚀原因主缆架设期间水分进入。防护完成后主缆表面的油漆开裂和索夹上受损的密封部位开裂，水的渗入导致主缆湿度高而产生锈蚀。,主缆不可更换，长期暴露在雨、湿气、化学作用等的腐蚀下，需要进行防锈。,2、主缆防锈措施施
9、工时采用油漆防锈。防止水的渗入。干空气导入法。将除湿机的干燥空气用管道输入主缆。,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.4 吊索,也称吊杆，是将活载和加劲梁恒载传递到主缆的构件。,作用：将加劲梁的恒载和活载传到主缆材料：要求有抗拉强度和一定的柔性。一般用：钢丝绳、钢绞线、平行钢丝束、刚性吊杆（少）布置形式：等间距和等截面布置立面布置：直吊索、斜吊索,A、直吊索（美、日）,B、斜吊索（欧洲）,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.5 索夹,索夹安装于主缆上，对主缆和吊索之间起联接作用，又对吊索和主缆起固定作用。,索夹,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.6 主索鞍,支承主缆的重要构件。将主缆中的拉力以垂直
10、力和水平力的方式均匀地传到塔顶或锚碇支架处。主索鞍设置在桥塔顶部，将主缆荷载传到塔上。,塔顶主鞍座,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.7 散索鞍,散索鞍设置锚碇支架处，目的是改变主缆索的方向，把主缆钢丝绳股分散开来，引入各自的锚固位置。,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.8 加劲梁,主要提供桥面行车、行人等。防止桥面发生过大的挠曲变形和扭转变形。是承受桥面活载、风荷载和其他横向水平力的主要构件。,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.8 加劲梁,悬索桥加劲梁主要起支承和传递荷载的作用。主要有钢板梁、钢桁梁、钢箱梁、混凝土箱梁。,汕头海湾桥混凝土加劲箱梁,钢桁梁（早期多用）,扁平钢箱梁（今多用）,钢
11、板梁（早期个别中小跨径用）,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.8 加劲梁,钢箱梁截面基本上由四部分组成：上翼缘板、下翼缘板、腹板和加劲构件。上翼缘板兼做桥面板之用。为增加加劲梁的整体性，往往采用由桥面钢板、纵肋。横肋焊接组成的正交异性钢桥面板。,9.2 悬索桥的结构组成,9.2.8 加劲梁,钢桁梁由主桁架、纵向水平联结和横向联结、桥面系组成的空间结构。主桁架是钢桁梁的主要承重构件，由上、下弦杆和腹杆组成。弦杆和腹杆采用H形或闭合断面。,9.3 悬索桥的设计构思,9.3.1 总体布置,悬索桥的总体布置首先应研究地形、地质、水文及接线等条件限制，从而决定采用何种形式的悬索桥进行总体布置。针对选定的
12、桥型进一步确定悬索桥的边中跨比、垂跨比、吊索间距、加劲梁高宽尺寸等。,1、跨径布置,悬索桥跨径宜控制在500-2000m之间，目前在建的最大跨径悬索桥是3300m的墨西拿海峡大桥。,9.3 悬索桥的设计构思,9.3.1 总体布置,2、主缆垂跨比,是指主缆在主孔内的垂度 f 与主孔的跨度 L 之比。垂跨比的大小一方面对主缆中的拉力有很大的影响，另一方面对悬索桥的整体（横向和竖向）刚度有明显的影响，垂跨比越小，刚度越大。设计时需结合整体刚度和主缆用钢量选取合适的垂跨比。,9.3 悬索桥的设计构思,9.3.1 总体布置,3、吊索间距,吊索间距决定了吊杆的截面、加劲梁的横肋间距等。直接影响索夹设计。须
13、考虑梁段分块运输和吊装能力。跨径越大，吊索间距也增大。,9.3 悬索桥的设计构思,9.3.1 总体布置,4、加劲梁的尺寸,加劲梁的尺寸主要是确定加劲梁的高度和宽度。,抗风稳定性需要,9.4 悬索桥的计算,悬索桥的设计计算过程,否,是,9.4 悬索桥的计算,精确合理地确定悬索桥成桥内力状态与构形；合理确定悬索桥施工阶段的受力状态与构形，以期在成桥时满足设计要求；精确分析悬索桥运营阶段在活载及其它附加荷载作用下的静力响应。悬索桥的设计计算要根据不同的结构形式、不同的设计阶段、不同的计算内容和要求来选用不同的力学模式和计算理论。基本上以计算主缆为主。,悬索桥的设计计算内容,9.4 悬索桥的计算,悬索
14、桥的分析理论,悬索桥计算理论的发展与悬索桥自身的发展有着密切联系，竖向荷载作用下悬索桥分析理论为：,早期，结构分析采用连续体的线弹性理论。由于桥跨小，索自重较轻，结构刚度主要由加劲梁提供。中期(1877)，随着跨度的增加，梁的刚度相对降低，采用考虑位移影响的挠度理论。现代悬索桥分析采用非线性有限元理论的有限位移理论。,基本假定：（1）主缆为柔性索，不计弯曲刚度。（2）加劲梁恒载由主缆承担。（3）在主缆吊梁段，主缆、索夹、吊索和加劲梁自重等都等效为均布荷载q；在无梁段，主缆自重沿索长均匀分布。,重力式锚碇,1、成桥状态的近似计算,9.4 悬索桥的计算,9.4.1 主缆索段基本方程,8.1 悬索桥
15、的设计与分析理论,8.1.2 悬索桥作为连续体的静力分析,2、成桥状态计算的主要内容,主缆设计计算步骤：导出主缆成桥态的线形、张力以及几何长度的计算公式；扣除加劲梁恒载作用下主缆产生的弹性伸长量，得到主缆自由悬挂态的缆长，即自重索长；在索鞍两边无应力索长不变的情况下，用主缆在空挂状态塔顶左、右水平力相等的条件求索鞍预偏量；由自由悬挂状态下的缆长扣除主缆自重产生的弹性伸长，得到主缆无应力长度。以中跨为例，说明成桥状态的计算。,为了使主塔在施工过程中始终处于低弯矩状态，从挂索开始就必须使鞍座有一个预偏量，并在施工过程中对它进行不断调整。,8.1 悬索桥的设计与分析理论,8.1.2 悬索桥作为连续体
16、的静力分析,以中跨为例，说明成桥状态的计算,1)中跨主缆索形与张力计算,图示，中跨主缆微小单元dx与主缆竖向分力的平衡条件为：,(2),(3),(1),所以有：,1)中跨主缆索形与张力计算,若座标系如图选取，式(3)的解为：,(4),式中：f 为索端连线在跨中到主缆的竖向距离，即矢高；l 为跨径；Hq为主缆水平力 式(4)是一抛物线方程，用这种方法计算主缆也称抛物线法。,9.4 悬索桥的计算,9.4.1 主缆索段基本方程,1)中跨主缆索形与张力计算,(5),将式(4)代入式(3)，得：,可知：成桥态主缆水平分力处处相等。对于不吊梁的主缆段，其索形为悬链线。用抛物线法确定的索形是近似的。,9.4
17、 悬索桥的计算,9.4.1 主缆索段基本方程,2)中跨主缆成桥态和自由悬挂态的中心索长计算,根据中跨索形方程(4)积分，可得成桥态主缆中心线有应力索长为：,(6),将（6）展开为级数形式，则：S=l(1+8/3 n2 32/5 n4+.),其中:n=f/l，为矢跨比；S为索长。,(7),9.4 悬索桥的计算,9.4.1 主缆索段基本方程,(8),加劲梁自重作用下主缆产生的弹性伸长量为：,式中：H=ql2/8f，为恒载引起的主缆近似水平拉力；Ec为主缆弹性模量；Ac为主缆面积。成桥态缆长扣除加劲梁自重引起的主缆弹性伸长量，可得自由悬挂态的缆长为：S1=SS1,(9),2)中跨主缆成桥态和自由悬挂
18、态的中心索长计算,9.4 悬索桥的计算,9.4.1 主缆索段基本方程,主缆自由悬挂状态下，索形为悬链线。取中跨曲线最低点为坐标原点，则对称悬链线方程为：,(11),(10),式中：c=H/q；H为索力水平投影；q为主缆每延米重。主缆自重引起的弹性伸长量为：,3)主缆与吊索的无应力索长计算,9.4 悬索桥的计算,9.4.1 主缆索段基本方程,3)主缆与吊索的无应力索长计算,主缆无应力长度为:S0=SS1S2 根据成桥状态主缆的几何线型、桥面线型，求得各吊索的有应力长度，扣除弹性伸长量，即得吊索无应力长度。,(12),9.4 悬索桥的计算,9.4.1 主缆索段基本方程,9.5 悬索桥施工,施工顺序
19、锚碇、桥塔、主缆、吊索、加劲梁、桥面锚碇基础施工桥塔混凝土：滑模施工；钢：拼装连接主缆空中送丝法，预制平行丝股法空中送丝法：空中编制主缆，猫道等设备，调丝、调股、紧缆、缠缆等工序预制平行丝股法：丝股工厂制造，工地就位形成大缆加劲梁悬臂安装（桁架梁）或梁段提升（浮运就位后），连同吊索安装,地锚式悬索桥,地锚式悬索桥,猫道是在主缆之下、平行于主缆的线形临时施工便道，是主缆系统乃至悬索桥整个上部结构的施工平台。施工人员在猫道上完成诸如索股牵引、调股、整形入鞍、挤紧、索夹及吊索安装、箱梁吊装及工地连接、主缆缠丝、防护涂装等重要任务。,上下游各一条，断面通常呈U型，狭长且有一些摇晃，故称“猫道”，英文为
20、Catway。它是悬索桥施工中极其重要的临时设施，大桥竣工后将被拆除。,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,安装鞍座导索过江安装牵引索安装猫道索安装猫道安装主缆拖拉系统拽拉架设主缆安装索夹吊索架设加劲梁,悬索桥安装流程,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,主塔施工布置,塔吊电梯塔顶门架塔顶平台猫道锚固支承承台面设施,门架,平台,电梯,塔吊,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,锚碇施工布置,散索鞍门架主缆锚固系统安装锚头牵引张拉系统索盘运输存放场布置锚碇锚后主缆牵引布置锚碇锚后主缆放索场布置,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,主鞍座安装,鞍座安装,主鞍座安装主索鞍包括鞍体、底座、主索鞍附件、格栅及反力
21、架、鞍罩、塔顶上斜梯及平台、检修道支架等吊装塔顶格栅及反力架，精确定位后，浇筑格栅混凝土。按照鞍座底板、前后鞍体顺序依次吊装。底板面按设计涂减摩剂，确保能顶推。鞍体分段起吊，在塔顶用高强度螺栓连成整体；主索鞍安装就位时，将主索鞍安装在预偏位置上临时固定，其后随主缆加载过程按设计和监控要求逐步顶推调整和固定。主索鞍安装就位并在上部结构安装完成后，割除反力架及格栅悬出部分，补浇索塔缺口混凝土，安装鞍罩。,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,鞍座安装,散索鞍安装散索鞍包括鞍体、底座、散索鞍附件、检修道斜梯等拼焊底板格栅支架，安装底板隔栅，精确定位后浇筑底板格栅混凝土。安装散索鞍底座，与底板上预埋螺杆栓
22、接就位。在支墩顶安装临时支架；吊装散索鞍体，将散索鞍调整至空缆位置临时固定，其后随主缆加载过程按图纸要求逐步调整、固定。,9.5 悬索桥施工,散索鞍安装,地锚式悬索桥,导索安装,主缆安装是由小到大编织而成，一般在两锚之间架设导索和牵引索，上、下游主缆各架设1根导索和牵引系统。导索是悬索桥第1根索，它的粗细由拽拉安装第2根牵引索的支承重量确定，按高低支承的悬索计算。,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,主缆架设,拽拉器牵引控制点对位鞍座段整形吊装对位入鞍扣紧锁定锚头牵引张拉锚固基准束调束控制平行束调束控制人工整圆主缆挤紧打包,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,基准束调束控制,因主缆长达千米以上，对
23、温度非常敏感，长度和垂度变化大，因此必须测量索股温度，垂度测量时根据设计和监控加以修正。,调整扭转,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,平行束调束控制束股入鞍后，鞍内、跨中各控制点对准对中；束束平行，似挨非挨，若即若离，上束不压下束，用手轻推可动。在悬挂状态下，束断面为六角形，丝丝平行，不扭转不鼓丝。按顺序调整中跨、边跨垂度后，最后千斤顶顶推锚头增减垫片调整锚跨。调整时，中、边跨以垂度为准，锚跨以张拉力为准。,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,索夹吊索安装,索夹测量放线缆索吊机索夹安装吊索安装吊索调整,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,加劲梁架设,架设方案缆载吊机安装猫道吊挂缆载吊机牵引、走行、
24、对位及锁定载梁驳船水中抛锚定位区域封航垂直提升，连接吊索主鞍座向中跨分次顶推塔岸段架梁方案加劲梁支座安装加劲梁工地焊接,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,加劲梁架设,架设方案自主塔向跨中和锚碇方向架设汕头海湾大桥钢桁梁悬索桥特点：吊挂过程主缆变位大，梁面台阶大自跨中向主塔方向架设单跨钢箱加劲梁西陵大桥阳逻大桥特点：梁面台阶小。,9.5 悬索桥施工,地锚式悬索桥,加劲梁合龙安装 合拢段位置的选择确定，应按图纸的要求。吊装合拢段前，需要将靠近塔身的几个梁段连接进行调整，测量合拢段应有的长度并对合拢段长度进行修正。,梁两端合龙,梁跨中合龙,9.5 悬索桥施工,自锚式悬索桥,施工顺序：先加劲梁及锚固体后主缆架设安装索夹张拉吊索,9.5 悬索桥施工,自锚式悬索桥,加劲梁 支架上空缆线型 成桥线型 高差大张拉吊杆 张拉引杆分批提升加劲梁 鞍座顶推脱架,索塔,吊杆,缆索,锚碇,加劲梁,张拉吊杆,支架,9.5 悬索桥施工,1、悬索桥的基本组成和受力特点？2、悬索桥的分类3、悬索桥的总体布置？4、锚碇的分类及特征？5、加劲梁的结构形式及特征？6、无应力索长的确定方法？7、悬索桥的施工方法？,思考,
