斜拉桥与悬索桥之比较

第四篇斜拉桥与悬索桥第一章斜拉桥教学目的：1、掌握斜拉桥桥型的构造及力学特点。

2、了解斜拉桥的设计简介。

教学内容：1、斜拉桥主要由主梁、索塔和斜拉索三大部分组成。

2、斜拉桥常见的孔跨布置方式和立面上的布置方式。

3、斜拉桥的梁、塔、墩的结合方式。

4、斜拉桥的设计简介。

重点：1、斜拉桥构造特点。

2、斜拉桥的梁、塔、墩的结合方式。

难点：斜拉桥的梁、塔、墩的结合方式。

思考题及习题：1．斜拉桥的主要受力特点是什么?2．斜拉桥主梁常采用哪些截面，各有何特点?第一章斜拉桥1、组成:主梁——混凝土、钢—混凝土组合、钢索塔——钢筋混凝土斜拉索——高强材料(高强钢丝或钢绞线)2、荷载传递路径：主梁——多跨弹性支承的连续梁。

斜拉索对主梁的多点弹性支承作用，只有在拉索始终处于拉紧状态时才能得到充分发挥。

因此在主梁承受荷载之前对斜拉索要进行预张拉。

预张拉力——主梁一个初始支承力——调整主梁初始内力，并提高斜拉索的刚度。

斜拉索水平分力对主梁预压，——增强主梁的抗裂性能，节约高强钢材的用量3、斜拉桥与悬索桥的区别：结构刚度大小主梁承受轴力——可以对主梁内力进行调整刚度可改变4、索力调整——主梁受力均匀——经济、安全——工序繁琐5、拉索的防护、新型锚具的工艺和耐疲劳问题（一）孔跨布置:双塔三跨式最常见，主跨跨径较大，适用较大河流主跨作用活载时，塔向中跨侧发生水平倾斜，此时边跨刚度将显著减小塔的倾斜量，从而提高了中跨的刚度。

有效办法：加粗端锚索或增加边跨辅助墩。

独塔双跨式常见：主跨跨径比双塔三跨式主跨跨径要小，适用中小河流和城市道路当边跨较大时，一般需在边跨范围内布置辅助墩，以提高主跨刚度三塔四跨式和多塔多跨式非常少原因：中间塔没有端锚索来有效地限制它的变位，可将中间塔做成刚性塔(例如A形塔)，或用拉索对中间塔顶加劲，或增加主梁梁高、采用矮塔部分斜拉桥体系（二）构造1、斜拉索抗拉强度高、弹性模量大且抗疲劳性能好的钢平行高强钢丝束、平行钢绞线束斜拉索造价约占全桥造价的25％一30％。

斜拉索防护——使用寿命①辐射形——集于塔顶一点。

索与水平面的平均交角较大——支承效果也大塔顶锚固点构造过于复杂②竖琴形索成平行排列——塔上锚固点分散，对索塔的受力有利，倾角较小钢索用量较多。

③扇形布置广泛应用。

单面索——设置在桥梁纵轴线上，不需增加桥面宽度，有最小的桥墩尺寸和最佳的视线双面索——应用最广平行倾斜——良好的抗风稳定性，特大跨度拉索倾角大，竖向分力大，主梁弹性支承作用大——相应地增加塔高和拉索用量；拉索倾角小，可降低塔高，减少材料用量大，竖向分力相应减小，对主梁弹性支承作用也相应减弱。

2、主梁连续体系——多非连续体——主跨中央插入小跨悬挂结构剪力铰主跨跨长与梁高的比值。

密索100-200钢主梁、混凝土主梁、钢与混凝土的结合梁、主跨钢梁与边跨混凝土梁的混合式主梁半封闭式箱型截面——较宽的双索面桥两个边主梁对准索面分离设置——施工极为方便单箱多室截面——单索面布置且需要抗扭刚度大的单室箱型截面——单索面混凝土斜拉桥较典型的实例三角形箱梁截面，它的特点是三角升简支在两侧斜拉索上3、索塔(1)索塔的纵向布置独柱式、A字形、倒Y形单柱式主塔构造简单A字形、倒Y形在顺桥向刚度大，A字形还可减小主梁在该点处的负(2)索塔的横向布置独柱型、双柱型、门型或H型、A型、宝石型或倒Y形（三）斜拉桥的结构体系：飘浮体系、支承体系、塔梁固结体系、刚构体系。

1.飘浮体系而在纵向可稍作浮动，是一种具有多跨弹性支承的单跨梁。

（1）优点是全跨满载时，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。

（5）该体系缺点是：当采用悬臂旋工时，塔柱处主梁需临时固结。

（6）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。

2.支承体系具有弹性支承的三跨连续梁，又称半飘浮体系。

（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。

3.塔梁固结体系根连续梁。

（1）优点是，减小了塔墩弯矩和主梁中央段的轴向拉力。

（2）缺点是中孔满载时，主梁在墩顶处转角位移导致塔柱倾斜，显著增大主梁跨中挠度和边跨负弯矩；（3）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。

4.刚构体系（1）这种体系的优点是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。

（3）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。

1、特点：高次超静定结构，不论是方案比较，还是技术设计，其结构计算都要采用有限元法并借助电子计算机来进行。

2、计算图式与计算原则（1）斜拉桥是一个空间结构，要简化计算图式。

例如，在竖向荷载作用下，可以将双索面斜拉桥简化为两片平面结构，而将荷载在两片平面结构间分配。

这种做法略去了活载偏心作用下结构的扭转效应，而用横向分布系数来粗略计入空间影响。

（2）由于对斜拉索施工阶段所施加的初始张拉力（指活载作用前的索力）足以抵消活载作用下对索产生的压力，斜拉索始终处于张紧状态，因此，即使对于柔性索，计算中仍将可其作为受拉杆单元对待；对于主梁和索塔，则作为梁单元处理。

（3）商用软件可对斜拉桥结构进行精细的空间分析，但许多采用有限元法编制的实用电算程序中，仍将斜拉桥作为平面体系结构来处理。

（1）结构计算简图、几何特性、边界条件须与实际结构相一致；（2）结构计算简图必须能反映结构分阶段形成的特点，正确反映各重要工况下的结构特性及荷载状况，如结构形成、体系转换、拉索张拉与索力调整、永久荷载、可变荷载及施工荷载等。

（1）对于一般跨径的混凝土斜拉桥结构计算，可按经典结构力学或有限元方法计算；（2）对于跨径较大的斜拉桥，应计入结构几何非线性及材料非线性对结构的影响；（3）斜拉桥为空间结构体系，在静力分析时可将空间结构简化为平面结构进行计算，动力分析应按空间结构计算；（4）在结构计算中，必须计入拉索垂度对结构的非线性影响，可采用拉索换算弹性模量的方法计入其影响；（5）除对结构进行总体计算外，尚应对一些特殊部位进行局部分析。

3、恒载与活载的内力计算（一）恒载内力（1）斜拉桥的施工往往不是一次完成的，存在体系转化。

恒载内力计算应按施工程序分阶段进行（这往往需要采用桥梁专用结构分析程序），并将各阶段的内力和变形逐次累加，以得到最终的恒载内力和变形。

（2）由于拉索的拉力大小直接响主梁和索塔的内力，且可以在一定范围内调整，因此有条件使结构（尤其是主梁）的恒载内力得到更合理的分布，从而优化设计，取得更好的经济效益，这就是斜拉桥的内力调整。

性问题。

它与施工方法有关，且往往要通过反复试算才能得到较理想的数值。

索力相对均匀。

目前，通常采用计算机程序来（正向或反向）模拟施工全过程，从中确定比较合理的主梁（也包括索塔）内力及挠度值对应的初始张拉力。

（3）原则上，成桥后的主梁恒载弯及变形应尽可能分布均匀合理。

（4）计算中还要考虑混凝土主梁的收缩、徐变、预加力等的影响。

（二）活载内力其活载内力计算仍是先作出内力及挠度影响线，然后进行影响线加载，并以计入横向分布系数的办法来考虑空间影响。

横向分布系数的计算，可根据结构构造的特点采用合适的方法。

公路斜拉桥，由于活载内力占总内力的比重较小，而活载作用时拉索已有相当大的拉力，因此计算活载内力时可不考虑拉索的非线性影响。

对混凝土斜拉桥，活载对徐变的影响也可不予考虑。

因此，活载内力计算可按一般线性结构的分析方法计算。

4、风振问题及抗风措施特点：（1）一般的中、小跨径桥梁风作为静力计算，对风荷载也化为静力处理。

（2）大跨径桥梁中，除了考虑风的静力作用外，还必须考虑风的动力作用。

（3）桥梁的风振包括两大类，a一类是当自然风达到某一临界值时，桥梁振幅不断增大直至结构损坏的自激振动，它是一种发散振动；b另一类是限幅振动，它所引起的振幅有限，不会发散，但在低风速下经常发生。

对桥梁危害最大的就是自激发散振动。

c对于斜拉桥，其斜拉索还可能出现多种形式的风致振动。

其中危害最大的是：当索面中两排拉索横桥向并列布置时，背风侧拉索由迎风侧拉索的尾流引起尾流驰振。

下雨时，风（风速约为5～15m/s）使雨水在拉索表面驻留并形成“上水路”时，拉索出现的雨—风激励振动，简称雨振。

由于这种拉索风振的振动振幅较大，可能引起索端疲劳，并引起行人不安，有时甚至引起索与索相碰，从而导致拉索保护层的损坏等。

d风振对钢斜拉桥的影响更大些，因为其自重较轻（目前已达3.4kN/m2）。

混凝土斜拉桥的自重大（约为14kN/m2）,情况较钢斜拉桥为好。

关于风振问题的计算，目前尚无完善的纯理论方法，因此对一些大型悬吊结构往往需借助航空模型试验中的风洞试验方法来取得结构抗风振的特性。

所谓风洞，通常指一个可产生气流的闭合环形管道。

风洞试验可根据试验的要求和风洞的大小，作全桥的或节段的模型试验，必要时兼做两种模型。

（4）几点增加风动力稳定性的措施：1.梁的宽高比B/h要大于6，最好在6～10之间；2.迎风面做成流线形；3.可用横向放置的 形人行道板之类来形成导流器，以减少桥面局部真空；4.尽可能使两索面拉开，以增加抗扭刚度，用三角形索面效果最好；5.结构体系选用密索体系的连续梁；6.减小索距此外，为了防止以上所述的拉索振动，可采取的措施有：用夹板将几根拉索夹在一起，或在拉索下端支三角架等。