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...

  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

  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

  码 : A Design of Self2anchored Suspension Bridge ZHAN G Yuan2kai , XIAO Ru2cheng , J IN Cheng2di (Department of Bridge Engineering , Tongji University , Shanghai 200092 , China) Abstract : The Haiyantang Bridge in Pinghu is a self2anchored suspension bridge , spans are at2 t ributed as (30 + 72 + 30) m. In the superst ructure the concrete box girders are used , the cables are anchored both in the end and in the middle of the girder , and are surrounded by the concrete steel tubes. Taking the bridge as background and analyzing the st ress features , the conception design and the development of the special bridge are discussed. Key words : suspension bridge ; mechanical analysis ; bridge design 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 一种解决办法。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 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的利用自锚式悬索 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 中小跨径内很具有竞争力的桥型。 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) 1915 184. 5 92. 3 1∶8. 6 第七街桥 (美) 1926 134. 8 67. 5 1∶8. 1 清洲桥 (日) 1928 91. 5 45. 8 1∶7. 1 科隆 - 米而海姆桥 (德) 1929 315 91. 0 1∶9. 1 北港桥 (日) 1990 300 120 1∶6. 0 永宗桥 (韩) 1999 300 125. 0 1∶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 164 m ;桥面全宽 40. 0 m ; 桥梁纵坡为 ±2. 2 % ,竖曲线. 484 m。设计荷载等级为城市 A 级 ,人群 荷载根据相关规范换算为 2. 56 MPa/ 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 ,所以能 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 ,这能够最终靠合 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 40 m) ,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 = 1 8 f ·q ·l 2 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 = 1144 x 2 边主缆 : y = 9 36 . 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 - M I y 13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 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·m 2. 616 ×104 2. 687 ×104 2. 7 跨中挠度/ mm 7. 9 8. 026 1. 6 主梁墩顶弯矩/ kN·m - 1. 515 ×104 - 1. 550 ×104 2. 3 主塔塔根弯矩/ kN·m 6. 439 ×103 6. 561 ×103 1. 9 计算得到主缆恒载索力为 56 670 kN ,最大活 载索力为 2 880 kN ,吊杆恒载索力为 4 370 kN ,最 大活载索力为 220 kN ,主梁内的最大拉应力为1. 33 MPa ,最大压应力为 8. 93 MPa ,主梁最大挠度为8. 0 mm。 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。通常来说 ,自锚式悬索桥 跨度在 60～300 m 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

  (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 ,从而能够在一定 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

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