第二章吊桥构造及设计(下)

悬索桥的设计
结构特性要点 跨度比 垂跨比 宽跨比 高跨比 加劲梁的支承体系 主缆与加劲梁的特殊联结
悬索桥的设计——结构特性要点

跨度比（边跨与中跨之比） 一般取值自由度较小，为0.3～0.5。 单位桥长用钢量随跨度比的减小而增大； 结构的竖向变形及竖向挠角随跨度比的减小而减小。 大跨悬索桥多小边跨来增加刚度的同时又使用钢量较 省，跨度比在0.2～0.4之间。
悬索桥的设计——加劲梁
加劲梁的风洞试验（节段模型风洞试验） 目的：进一步改善加劲梁的基本截面，提高其气动稳 定性能。

改进措施：混凝土桥面板与钢梁共同工作横截面两侧 增设分流板；增设导风尖角或改变导风尖角的角度；在 横截面的四角增设导风附件，如翼板、转折器等；在桥 面上布置一定的格栅形透风孔。

悬索桥的设计——桥塔
桥塔：多为底部固定的柔性（框架、钢桁架）塔柱。 设计步骤为： 计算作用于塔的外力（塔顶竖直反力及加劲梁反力）及 其位移（塔顶水平位移及加劲梁反力点的位移）；

拟定截面。以刚度为大致标准拟定各构件截面及尺寸； 塔顶及塔基的加劲； 应力及屈曲验算：顺桥向及横桥向（容许应力）； 验算腹杆及横系梁截面，多为横桥向控制；


单跨悬索桥中的一些特殊布置：单跨悬索桥加劲梁在两个 非悬吊的边跨内各带有连续伸出段。可有效减小变形。
悬索桥的设计——结构特性要点
主缆与加劲梁的特殊联结及其它：

传统做法：主缆只通过吊索与加劲梁联结。
特殊做法：主跨中点将主缆与加劲梁直接固结。优点：可 以减小非对称荷载作用下的挠度，提高纵向位移的复原力， 减小正常情况下活载引起的振动以及风荷载和地震荷载引 起的纵向位移量。1959年法国首创，现逐渐广泛。


悬索桥的设计——结构特性要点
高跨比（加劲梁高与主孔跨度之比）

悬索桥加劲梁在恒载作用下除了承受与吊索节间长度有关的 挠曲应力外，一般处于无应力状态，所以加劲梁高度与主孔 跨度基本没有关系。减小加劲梁竖向变形的有效办法是减小 跨度比而不是增大加劲梁高度。 一般而言，桁架式加劲梁的高度为8～14米，箱型加劲梁高 度为2.5～4.5米。 已建桁架式加劲梁悬索桥的高跨比大致在1/180～1/70； 箱型加劲梁悬索桥的高跨比大致在1/400～1/300 ；

承载力验算。
悬索桥的设计——鞍座
鞍座
塔顶主索鞍：
索鞍鞍槽曲面的半径为主缆直径的8倍以上（日规）；
索槽形状按绳股排列形状设计，内设衬垫以增大主缆与 鞍座摩擦力；
大跨度悬索桥主鞍座辊轴在架梁过程中有用，成桥后固 定于塔顶；柔性塔柱的主索鞍下可不设辊轴。
悬索桥的设计——鞍座
鞍座 展束锚固索鞍：一般应设置在辊轴、摇轴或摆柱上。

跨度布置实例：
Messina海峡大桥最终方案选用主跨为3300m的悬索桥，本土侧和
西西里岛侧的边跨分别为810m和960m，共长5070m。除主跨全长用竖 直吊索悬吊加劲梁之外，两个边跨都是在桥塔附近较短的局部区段内 设有竖向吊索，在西西里岛侧由于地形较高设有若干短跨小墩。
Messina海峡大桥立面图

主缆无应力长度的计算：主缆成桥态长度；一、二期恒载 作用下的弹性伸长；自由悬挂状态的伸长；无应力长度。

主缆的重力刚度
悬索桥的设计——吊索
吊索及索夹
吊索：现代吊索索力计算时应考虑加劲梁的荷载分配效应。设计 拉力的荷载组合为：恒载＋活载＋温度效应＋制造误差＋架设误差 ＋弯曲二次应力。安全系数取值在3.1~4.5 之间。吊杆间距影响桥面 构造以及桥面系材料用量，一般为5～8米，最大可达25米以上。

悬索桥的设计——加劲梁
加劲梁 扁平钢箱梁： 设计计算内容： 钢桥面板（第一结构体系：梁体系；第二结构体系： 桥面体系，按正交异性板理论计算；第三结构体系：桥 面板是支承在加劲肋上的连续各向同性板，作用在肋间 的局部荷载由板传给加劲肋，此项计算可略。）

箱形截面的应力设计计算：弯曲正应力和剪力（对称 荷载）；扭转应力（偏心荷载、纯扭转、约束扭转）。


悬索桥的设计——结构特性要点
加劲梁的支承体系：（塔墩处是否连续）

简支（双铰）体系：适于边跨建筑高度小、曲线边跨。由 于边跨主缆的垂度较小对荷载变形有利，架设主缆时索鞍 预偏量较大；梁端用吊杆或者摆柱作支撑的悬浮体系，纵 向位移不受限制。不太适合铁路桥。 1385米江阴大桥。 连续体系：加劲梁挠度（竖向及横向）、梁端角变位及伸 缩量较小。但是，主塔支点处产生较大弯距；梁穿过塔， 使塔柱间横向间距大，基础尺寸也相应加大；制造、架设 误差以及基础的不均匀沉降对加劲梁应力影响较大。
• 鞍槽的截面形状
配合主缆钢丝索股的排列形状。
香港青马桥主索鞍
虎门主索鞍
江阴主索鞍
展束锚固索鞍 （散索鞍）
小海带桥
悬索桥
四、悬索桥的设计
悬索桥的美学考虑
国际著名建筑美学专家JENSEN Poul Ove认为：美的可感知性 和结构的实在性之间具有强烈关系，最有效地挖掘材料强度和材料 特殊属性的结构形式是最美的。主要构件为受拉或承压的结构通常 比受弯结构更容易感知，悬挂结构的美学潜能是十分优越的。

在水平向加设鞍盖，鞍盖不能有将绳股向下压紧的竖向力，水平向 也不能弯曲。

悬索桥的设计一连串锚杆传至锚块后部的锚梁上。
用可以调节长度（索靴与螺杆间）的螺杆代替前文的锚杆。 利用后张法预应力钢筋或钢丝束，将主缆绳股力传至锚块。 在混凝土端面处，通过座板使螺杆与预应力筋连接来传力。
悬索桥的设计
悬索桥的总体设计

适用范围
1000米以上几乎是唯一可选桥型；300～1000米之间采 用砼加劲梁也可与斜拉桥竞争。

与其它大跨度桥梁的比较选择
拱桥：主拱是压弯构件，过大的轴力和弯距会使其失稳， 材料强度很难发挥；拱质量中心较高，不利于抗震；施工 抗风难。 斜拉桥：受压弯的加劲梁在跨度很大时恒载压力巨大，截 面尺寸势必加大；跨度较大时刚度较好；施工抗风难。


鞍座进口处设圆槽以与主缆圆截面适配。
在锚跨一侧的竖直方向将主缆各绳股分散开的出口处，鞍座应使具 有小偏角的上部绳股（在索鞍上支承于短区间）和具有大偏角的底部 绳股（在长区间内支承）的延长线在上端汇交于一点，下端指向其锚 固点。 鞍座索槽（鞍槽）在纵向的曲率半径应由大变小（多为复合圆4曲线） 以使绳股压力沿长度方向均匀分布；按绳股水平曲率半径为竖直曲率 半径的根号3倍来拟定索鞍的尺寸和形状。

锚碇问题难点在施工方面。
悬索桥的设计——支座
支座（基本要求：能够承受正、负反力。）

摇轴式：
塔顶主索鞍
• 主要构件：鞍槽、腹板底板和加劲肋板等（腹板传递鞍槽压力，横肋 加强）。 • 布置形式： 两块斜腹板：大部分鞍下应力由斜腹板直接径塔柱两侧横壁板传给桥塔、 单（两）块竖腹板：大部分压力经鞍座板间接传递给塔柱顶板。 • 塔顶鞍槽的纵向曲率半径： 纵向圆弧半径（可为纵向非对称多段圆弧）不小于主缆直径的8～12 倍，入口处鞍槽半径局部略小以防破坏主缆防腐。
悬索桥各部分构造——索鞍
索鞍（鞍座）支承主缆的支承件或配件
类型：
• 塔顶主索鞍； • 支架副索鞍：边跨靠近岸端的墩架或钢排架的顶部， 改变主缆在竖平面内的倾角。也可不设。 • 展束锚固索鞍：多设置在桥台上，使构成主缆的许多 钢丝束股在水平向及竖直向分散开的支撑鞍座，并导 引各索股入锚固部分。
悬索桥各部分构造——索鞍
悬索桥的设计——主缆
主缆 主缆设计主要内容如下

几何线形的确定： 主缆中心线控制点理论高程计算； 矢跨比的选择（1:9～1:11）； m↓时,全桥刚度↑,主缆拉力↑。
截面及预制平行钢丝束布置；空隙率约为0.17～0.21左右， 备由着色观察钢丝和标准长度钢丝各一根，沿索长全使用长 度内不能有接头，2米左右布置定型强力胶带。
布置方式：主跨跨中设计特殊夹具连接主缆与加劲梁；主 跨跨中设计一对相对的短斜索；主跨跨中（中斜索）以及 边跨端部（端斜索）设计一对相对的短斜索。
悬索桥的设计——结构特性要点
悬索桥的减振措施主要包括：纵向弹性支承，主缆在跨中与主梁 固接、抗风索
Great Belt 锚碇处的液压缓冲设备和中跨中央索扣
• 鞍槽的截面形状：配合主缆钢丝索股的排列形状。
• 制造方法：全铸、铸件鞍槽＋焊接钢板（铸焊）——倾向、全焊。
悬索桥各部分构造——索鞍
散索鞍 • 构造形式 为调节主缆在各种条件下的长度变化，散索鞍由辊轴、 摇轴支承，或者作成摆柱构件。 • 鞍槽的纵向曲率半径
入口处鞍槽形状与塔顶鞍槽相同，出口处略小，满足转 向和散索。
悬索桥的设计——结构特性要点
垂跨比 （主缆矢跨比）

（f/l）一般取值范围为1/9～1/12。

垂跨比对主缆拉力影响较大，垂跨比越小主缆拉力越大，从 而所需主缆截面面积越大，增加单位桥长用钢量。
钢桥塔的用钢量随垂跨比的增加而增加。钢桥塔时，总用钢 量随着垂跨比的加大而略有降低；混凝土塔时，大跨径的总 用钢量随着垂跨比的增加而略有增加。 垂跨比越小，悬索桥的整体刚度越大。 对振动特性的影响：垂跨比增大时：竖向挠振固有频率降低， 扭振固有频率增大。
问题：扁平钢箱梁的流线型设计有利于风动稳定，但高度太小会导致加 劲梁抗扭刚度削弱太多，容易导致涡振和抖振发生而导致结构疲劳。因 此，一般控制高宽比在1/7～1/11。


悬索桥的设计——结构特性要点
宽跨比

一般中小跨度桥梁：（B/l）一般取值范围为大于等于1/20。 但是大跨度悬索桥的宽跨比尚无合理而科学的标准。 一般而言，宽跨比越大，梁体越宽，梁体横向挠曲刚度越大， 可以非常有效地减小边跨梁体的横向最大挠角以及主跨梁体 的横向最大挠角（对主跨梁体的横向最大挠度减小不是很显 著）。 已建大跨度悬索桥的宽跨比大致在1/40～1/60。