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1、悬索桥,第一节 悬索桥总体设计第二节 悬索桥构造第三节 悬索桥施工第四节 悬索桥计算第五节 自锚式悬索桥简介,第一节 悬索桥总体设计,1.悬索桥的组成及发展概况2.悬索桥的结构体系3.悬索桥的总体布置,1.悬索桥的组成及发展概况 悬索桥是由主缆、加劲梁、塔柱和锚碇构成。,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。,第二代悬索桥，开始采用了吊杆将桥面与主索分开。,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。,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。,2.悬索桥
2、的结构体系,地锚式：单跨、三跨简支加劲梁、三跨连续加劲梁,自锚式：单塔双跨、双塔三跨,单塔双跨,双塔三跨,带斜拉索的悬索桥,1883年建成的纽约布鲁克林大桥，主跨484m，是最早的带斜拉索的悬索桥。,斜拉悬吊混合式悬索桥,1997年建成的贵遵高等级公路乌江大桥，主跨288m，主梁为高强预应力薄壁箱梁，采用全截面缆吊预应力悬拼施工，最大吊重为76吨，是世界首座吊拉组合桥。,立面图,悬索桥,总体布置应考虑的结构特性 跨度比 垂跨比 宽跨比 高跨比 加劲梁支承体系 主缆与加劲梁的连接 吊索间距,3.悬索桥的总体布置,（1）跨度比 三跨对称悬索桥边跨与中跨跨度比一般为0.30.5。从结构特性来考虑，悬
3、索桥单位长度桥长所需钢材随跨度比减小而增大；从结构竖向变形来看，则以减小跨度比有利。（2）垂跨比 主缆拉力随垂跨比按反比例关系变化。垂跨比越大，悬索桥横向和竖向整体刚度越小。地锚式悬索桥一般取1/8-1/12。,（3）宽跨比 中小跨径一般大于1/20，悬索桥在1/60-1/40.（4）高跨比 桁架式加劲梁：1/180-1/70；箱形加劲梁：1/400-1/300.,（5）加劲梁支承体系 主要指在桥塔处主梁是否连续。一般三跨悬索桥大多为非连续。（6）主缆与加劲梁的连接 中央扣、中间斜索、边跨端部的端斜索（7）吊索间距跨径在80m到200m范围内的吊桥，吊桥间距一般取58m。跨径增大，吊杆间距也应
4、增大，有时达20 m左右。,第二节 悬索桥构造,1.桥塔2.缆索系统3.加劲梁4.鞍座5.锚碇,1.桥塔1.1 桥塔结构形式按材料分类：石砌圬工塔、摆动式钢塔、下端固定钢塔、钢筋混凝土塔按纵向结构形式：刚性塔、柔性塔、摇柱塔按横向结构形式：刚构式、桁架式、混合式,刚性塔在主鞍座下设辊轴，使鞍座能够可沿纵向移动。柔性塔鞍座固定于塔顶，构造简单，维修保养容易。有些小跨度悬索桥中曾采用过摇柱式塔，现已不再采用。,日本关门桥桥塔,美国金门大桥桥塔,1.2 塔柱截面形式,2.缆索系统2.1 主缆 主缆的材料有藤索、竹索、铁索、眼杆链、钢丝。现代悬索桥采用钢丝绳（跨度500m 以下）和平行钢丝束两种。平行
5、钢丝束分为预制平行束股和空中纺丝法。,主缆丝股排列型式尖顶型、平顶型,紧缆后丝股的截面,2.2 吊索（1）吊索的材料 可用钢丝绳、平行钢丝束或钢绞线等材料制作。（2）与索夹的连接方式 骑跨式、销铰式（3）竖吊索与斜吊索 传统的吊索都是垂直的，从英国的塞文桥开始使用斜吊索。,2.3 索夹索夹由铸钢制作，分成左、右两半或上、下两半。,3.加劲梁 加劲梁主要起支承和传递荷载的作用。加劲梁大都采用等高度钢桁架梁或扁平钢箱梁。桁架的抗扭刚度相对较小，所以其梁高比流线型箱梁的要高得多，以满足抗风要求。加劲梁结构形式：（1）钢板梁（2）钢桁梁（3）钢箱梁（4）钢筋混凝土箱梁,4.鞍座4.1 塔顶主鞍座 设在
6、塔顶的鞍座叫主鞍，一般由铸钢件构成，包括鞍槽、腹板、底板、加劲肋等。鞍槽采用铸钢件，鞍槽下的支撑结构用厚钢板的焊接结构，鞍槽与支撑结构之间也用焊接。为方便吊装，主鞍座在纵向可分为两段或三段吊装。,日本关门悬索桥主索鞍,4.2 副鞍座 边跨较大时，可在边墩设副鞍座。设置在边跨靠岸端的墩架或钢排架顶，改变主缆在竖直面内的方向，以便进入锚碇。（1）固定式（2）辊轴或摇杆式,新港桥,4.3 散索鞍将钢丝束股在水平和竖直方向散开以便于锚固。,5.锚碇地锚分重力式和隧洞式（或岩洞式）两种。重力式地锚尺寸大，工程量也大。隧洞式地锚工程量较小，但需有坚实山体岩层可加以利用。,日本明石海峡桥锚碇,当主缆在锚碇前
7、墙处需要展开成丝股并改变方向时，则需设置主缆支架。主缆支架可以设置在锚碇之外，也可以设置在锚碇之内。主缆支架主要有三种形式：钢筋混凝土刚性支架、钢制柔性支架及钢制摇杆支架。,第三节 悬索桥施工,1.基本施工步骤2.主缆架设3.加劲梁的安装,1.基本施工步骤 先修建基础、锚碇、桥塔；利用桥塔架设施工便道（称为猫道）；通过猫道来架设主缆；安装吊索、拼装加劲梁。,2.主缆架设（1）准备工作：安装吊机、各种鞍座、绞车及转向设备。（2）架设导索（3）架设拽拉索和猫道（4）架设主缆（5）安装吊索,架设导索的两种方法,3.加劲梁的安装两种方案：1.从跨中向桥塔附近推进2.从桥塔向跨中推进,方案一,方案二,第
8、四节 悬索桥计算,1.静力计算方法2.动力计算方法,1.静力计算方法竖直荷载作用下的计算方法：弹性理论、挠度理论、有限位移理论,1.1 弹性理论 弹性理论的基本假定如下：（1）主缆无弯曲刚度，加劲梁沿桥纵向抗弯刚度不变；（2）恒载集度沿跨度方向均布且全部由主缆承受，恒载下主缆的几何形状为二次抛物线；（3）活载作用下不考虑吊索的伸长。,根据以上假设，可以得到加劲梁任意截面的活载弯矩如下：式中：Mq0为相应简支梁弯矩，即活载使基本体系产生的内力；Hq为活载产生的主缆水平力；y为相应截面主缆竖向坐标（以塔顶为零点）。,弹性理论将悬索桥作为线弹性结构进行计算，叠加原理及影响线加载均适用，但没有考虑恒载
9、对竖向刚度的贡献，也没有考虑位移的非线性影响，其计算结果是偏安全的。悬索桥跨度较大时，弹性理论的计算结果将严重偏离实际，加劲梁截面尺寸过大，造成材料的浪费。弹性理论在相当长的一段时间内支配着悬索桥设计，直至今日，跨度小于200m的悬索桥设计仍可借用。,1.2 挠度理论 1862年有学者提出了无加劲悬索桥的挠度理论，1888年，奥地利J.Melan教授发表了有加劲悬索桥的挠度理论并于1906年进行了改进。1908年，L.S.Moiseiff在设计纽约Manhattan大桥时首次采用挠度理论并显示出该理论的优越性。此后，巴西的Florianpolis桥，美国的华盛顿桥、金门桥，英国的福斯桥、塞文桥
10、等大量悬索桥都采用了挠度理论，并在实践中对理论进行了一些修正和发展。,挠度理论基于以下假定：（1）加劲梁为等截面，恒载沿跨度方向均布，恒载下主缆呈抛物线，加劲梁内无应力；（2）吊索为竖直，不考虑其在活载作用下的伸 长和倾斜，视为仅有竖向抗力的膜；（3）主缆和加劲梁只有竖向位移，不考虑其纵 向位移。,根据挠度理论，地锚式悬索桥加劲梁任意截面的活载弯矩为：式中：挠度理论的计算值比弹性理论多了最后一项，这表明主缆在恒载和活载下的水平力将起到减小加劲梁中活载弯矩的作用。可以将上式写成微分方程形式如下：上述微分方程是非线性的，各国学者对其求解做了大量的工作。,1.3 有限位移理论 1966年，Brott
11、on引进矩阵位移法将悬索桥当作平面杆系结构进行有限元分析，计入初始轴力和大位移的二次影响，得到了非线性情况下的切线刚度矩阵，并采用Newton-Raphson迭代法求解增量形式的方程式。随后，Saafan、Tezcan、Poskitt也相继发表了他们的研究成果，从此悬索桥的分析步入了有限位移理论时代。,有限元位移理论将将悬索桥离散为杆系结构，按非线性杆系有限元进行求解，可以计及吊杆的倾斜与伸长、缆索节点的水平位移、加劲梁的水平位移及剪切变形等任何非线性的影响及任意边界条件，而这些因素由于解析方法与微分方程的求解困难在挠度理论中不得不加以忽略，因此有限位移理论的计算结果更为精确，是目前大跨度悬索
12、桥分析计算中普遍采用的方法。,2.动力计算方法2.1 自由振动2.2 强迫振动（1）车振（2）风振（3）地震旧塔科马大桥风毁录像,第五节 自锚式悬索桥简介,1.自锚式悬索桥概况2.自锚式悬索桥受力特点3.自锚式悬索桥施工,1.自锚式悬索桥概况 自锚式悬索桥与地锚式悬索桥结构形式上的主要差别是将主缆锚固于加劲梁上，但两者的受力体系及施工方法有着很大的差别。,19世纪后半叶，奥地利工程师约瑟夫朗金和美国工程师查理斯本德分别独立地构思出自锚式悬索桥的造型，朗金在1859 年写出了这种构想，本德于1867年申请了专利。1870年，朗金在波兰设计建造了世界上首座小型铁路自锚式悬索桥。1915年,德国设计
13、师在科隆的莱茵河上建造了主跨达185m的科隆-迪兹自锚式悬索桥，采用临时木脚手架支撑钢梁直到主缆就位。该方案的选择主要是因为其外形美观，而地质条件又不允许修建锚碇。主缆采用了眼杆结构，因而能方便地锚固在加劲梁上。科隆-迪兹桥1945年被毁，但原来桥台上的钢箱梁仍保存至今。,科隆-迪兹桥,科隆-迪兹桥建成后25年间德国在莱茵河上又修建了4 座悬索桥，其中1929年建成的主跨315 m的科隆-米尔海姆桥最为著名。这座桥最初选中了钢拱桥方案，由于担心恶劣的地质情况不能承担拱脚的推力，改为了自锚式悬索桥。尽管该桥在1945年被毁后重新修建为地锚式悬索桥，但保持自锚式悬索桥的跨径记录达70年之久。,科隆
14、-米尔海姆桥,19251928年间美国宾夕法尼亚州匹兹堡市在阿勒格尼河上修建的三座非常相似的自锚式悬索桥。在规划第六、第七和第九街桥时，城市艺术委员会从美观的角度提出了采用悬索桥。匹兹堡的工程师指出恶劣的地质条件不能修建锚碇，因而选择了自锚式结构，并采用了类似科隆-迪兹桥的眼杆结构、拱形桥塔和连续钢箱梁。匹兹堡桥主跨为131135 m，在眼杆和加劲梁之间采用临时压杆作为支撑，从每个支撑向外悬臂施工，直到主跨合拢和主缆在中间连接。这种施工技术比科隆-迪兹桥有了很大进步，每座桥的工期都在15个月之内。1995年维修后，这三座桥在建成70年后仍然正常工作。,在匹兹堡桥之后美国修建了密苏里州小奈安瓜河
15、桥（跨径69 m，1933 年）和印第安那州沃巴什河桥（跨径107 m，1939 年）两座自锚式悬索桥。1954年，德国工程师在杜伊斯堡完成了一座230m的大跨径自锚式悬索桥。日本此花大桥建成于1990年，又名大阪北港桥，是1954年以来修建的第一座自锚式公路悬索桥。韩国永宗大桥位于仁川国际机场通往汉城的高速公路上，是世界上首座双层公铁两用自锚式悬索桥，于1999年建成通车。,三汊矶湘江大桥,此花大桥,永宗大桥,近年来，我国陆续修建了金石滩金湾桥、苏州索山大桥、天津子牙河桥、长沙三汊矶大桥、佛山平胜大桥等自锚式悬索桥，还有一些正处于计划建造中，自锚式悬索桥在我国处于飞速发展的阶段。,2.自锚式悬索桥受力特点(1)自平衡体系(2)主梁为压弯杆件(3)矢跨比(4)外伸跨(5)主梁拱度(6)相对刚度对结构受力的影响3.自锚式悬索桥施工施工方法（1）张拉吊索（2）落梁法,悬索桥示例：湖南吉首至茶洞高速公路矮寨大桥,本章小结,1.悬索桥的主要构成2.悬索桥的总体布置3.悬索桥的施工方法4.悬索桥的计算方法5.自锚式悬索桥的特点,
