大跨径桥梁结构体系及其优化与创新

3-1 选 择 体 系
(b) 双跨悬索桥——舟山西堠门大桥
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
⑦桥跨布置的影响
当跨越同一水域时，为了避免水中锚碇，必须增大悬索桥的跨度；而斜拉桥的主跨跨 度则可根据通航要求而定，相对较小。例如，1964年通车的英国Forth悬索桥，为利用 地形采用隧道式锚碇，将主跨增加到1006m；由于交通量的增长和主缆钢丝的腐蚀问 题，于2007年决定在Forth桥附近新建一座桥梁代替旧桥，新建方案采用了双向分孔通 航的三塔四跨斜拉桥，跨度为325+650+650+325m，如图4所示。斜拉桥方案既满足了 通航要求，又减小了主跨跨径，从而降低了全桥造价。
桥梁结构体系的分类
第一层次 第二层次 第三层次 外部约束：[简支梁，连续梁，固端梁]； 内部连接：[连续梁，T形刚构，连续刚构] 刚度分配：[等截面梁，变截面梁]； 外部约束：[无铰拱，两铰拱，无推力拱] 内部连接：[双铰拱，三铰拱]；[拱梁固结，拱梁铰接， 拱梁自由]； 刚度分配：[刚拱柔梁，刚梁柔拱，刚拱刚梁]；[等截 面拱，变截面拱] 外部约束： [自锚斜拉桥，地锚斜拉桥，部分地锚斜 拉桥] 内部连接： [全飘浮体系，半飘浮（支承）体系，塔 梁墩固结体系，塔梁固结、塔墩铰接体系] 刚度分配：[普通斜拉桥，矮塔斜拉桥] 外部约束：[自锚悬索桥，地锚悬索桥] 内部连接： [双跨简支悬索桥，双跨连续悬索桥，三 跨简支悬索桥，三跨连续悬索桥] 刚度分配：[刚塔悬索桥，柔塔悬索桥] …… …… …… …… …… ……
体系优化的特点（a）
概念设计
关注体系 的参数特性和 对体系力学性 能的影响。 关注体系 的形式和总体 力学性能。
初步设计
技术设计
桥梁设计阶段
关注细节 设计和结构安 全。
施工设计
3. 大跨径桥梁结构体系优化(2)
体系优化的特点（b）
体系受力性能
总体力学 性能，动力性 能，整体稳定 性……
造价
优劣评价
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
⑦桥跨布置的影响
从布跨上看，悬索桥边跨布置的灵活性大，除三跨悬索桥外，还可以布置成单跨和双 跨，边中跨比一般在0.2~0.5之间。而斜拉桥边跨要平衡中跨，边中跨比一般在0.35~0.5 之间。对于主跨相同的两种桥型而言，斜拉桥的总长度要增加。
(a) 单跨悬索桥——江阴长江大桥
大跨径桥梁结构体系
拱式体系
斜拉体系
悬索体系
组合体系
3. 大跨径桥梁结构体系优化
3. 大跨径桥梁结构体系优化(1)
什么是优化
3. 大跨径桥梁结构体系优化(1)
纯理论优化 设立目标函数（单个的） 满足约束条件 求解目标函数极值
U min f ( x) gi ( x) 0 i ( x) 0
悬索桥属柔性结构，外载作用下力与变形之间呈非线性关系，结构竖向刚 度主要由重力提供。
2. 大跨径桥梁结构体系
组合体系受力特点（以斜拉悬索协作体系为例）
综合两种体系受力特点。 对两种体系取长补短，提高悬索桥刚度，降低斜拉桥主梁压力。 可在不同部分采用不同材料，能充分发挥材料作用。
2. 大跨径桥梁结构体系
(a) 部分地锚斜拉桥
Lac
3-1 选 择 体 系
(b) 斜拉悬吊协作体系
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
⑧斜拉桥和悬索桥与其它缆索承重桥的比较
部分地锚斜拉桥和斜拉悬吊协作体系的结构刚度随自锚斜拉梁段长度与主跨比例的改 变而改变。由于悬索桥与其他体系在1400m附近形成竞争，因此对主跨1400m的缆索承 重桥进行分析，从而比较各种体系结构刚度的相对大小。
U为目标函数，x为设 计变量，gi(x)、φi(x)为 约束条件。根据约束条 件的存在与否，优化理 论分为有约束优化和无 约束优化。
3. 大跨径桥梁结构体系优化(1)
数学规划法
最优准则法
纯理论优化
仿生学
参数调整优化法
构件参数
结构参数
3. 大跨径桥梁结构体系优化(2)
体系优化的特点
3. 大跨径桥梁结构体系优化(2)
组合体系
房屋 ……
2. 大跨径桥梁结构体系
适用于大 跨度的体 系？
2. 大跨径桥梁结构体系
主要受力构件的受力特性
结构的传力路径
结构体系的刚度
2. 大跨径桥梁结构体系
梁桥受力特点
竖向荷载作用下无水平反力
同跨经下，梁桥内弯矩最大
需用抗弯、抗拉能力强的材料建造
传力路径最远
2. 大跨径桥梁结构体系
拱桥受力特点 承重结构是拱圈 或拱肋，竖向荷载作 用下，桥墩和桥台承 受水平推力。 水平力产生的弯 矩，基本抵消了在拱 内由荷载引起的弯矩。 拱主要承受压力， 可充分发挥抗拉性能 差而抗压性能好的圬 工材料的作用。 故，不能用超高 强材料做为主拱。
双塔悬索 桥
独柱悬索 桥 三柱悬索 桥
斜拉-悬索 协作体系
双柱悬索 桥
……
……
1. 结 构 体 系
梁桥
外部约束
内部连接
受力分配
简支梁
连续梁
连续梁
T形刚构
等截面梁
固端梁
……
连续刚构
……
变截面梁
……
1. 结 构 体 系
拱桥 外部约束 无铰拱 无推力拱 两铰拱 …… 内部连接 拱梁固结 拱梁自由 拱梁铰接 …… 受力分配 刚拱柔梁 刚拱刚梁 …… 刚梁柔拱
斜拉桥占优区
800
1200 1000 钢主梁 斜拉桥 1100
1400 1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
斜拉悬吊协作体系
200 适用跨径范围
部分地锚斜拉桥
1800
2300
浅水锚碇悬索桥占优区
3-1 选 择 体 系
岸上锚碇悬索桥竞争区
200 900
主要是结 构的材料用量 和施工费用。
构造优化
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
确定分空布跨
选定体系,确定优化目标
选择优化方法 如何优化 优化过程处理
体 系 优 化 流 程
优化结果
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
①由概念设计来决定分孔布跨
选择满足桥梁功能、结构、施工、耐久、环保、经济与 美观要求和设计原则的最佳设计。
1. 结 构 体 系
什么是结构 体系？
海诺〃恩格尔 “结构内部荷载的传递方式以及为保 持结构内部平衡而形成的内力状态”
国内学者
“结构主要的受力系统”
1. 结 构 体 系
结构功能
结构体系
结构形式
结构受力形态
1. 结 构 体 系
结构功能
1. 结 构 体 系
结构形式
1. 结 构 体 系
结构受力形态
3-1 选 择 体 系
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
⑨斜拉桥和悬索桥与其它缆索承重桥的经济性比较
根据我们的研究和预测，给出了各种斜拉和悬索体系以及混合体系的单位桥面造价与 跨径关系的预测图（见图7），其中900~1200m跨度范围内各种缆索体系的造价曲线较 为密集，详见图8所示。
造价/(万元/m2 )
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
RC斜拉桥 自锚式悬索桥(L<500m) 10亿/公里 结合梁斜拉桥 深水锚碇悬索桥 浅水锚碇悬索桥 岸上锚碇悬索桥 岩石锚悬索桥 30亿/公里 25亿/公里 斜拉悬吊协作体系 部分地锚斜拉桥 钢斜拉桥
跨径/m
o
200 400 600 RC 结合梁 斜拉桥 斜拉桥 400 700
3-1 选 择 体 系
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
⑧斜拉桥和悬索桥与其它缆索承重桥的比较
随着跨度的增大，要充分利用斜拉桥经济指标有利的一面，就要在结构体系上作变化， 通过降低斜拉桥索塔高度，改善其受力性能来降低塔的造价。这样的体系就是部分地 锚斜拉桥和斜拉悬吊协作体系（图5）。前者可有效降低主梁最大压力，后者不仅可降 低主塔高度，改善主塔受力，同时可以减小主梁压力，改善总的经济性能。
1. 结 构 体 系
斜拉桥 外部约束 自锚式 部分地锚 地锚式 …… 内部连接 全飘浮 塔梁墩固结 半飘浮 塔梁固结 受力分配 普通斜拉桥 …… 矮塔斜拉桥
塔墩铰接
……
1. 结 构 体 系
悬索桥
外部约束 自锚式 …… 地锚式 内部连接 双跨简支 三跨简支 …… 双跨连续 三跨连续 受力分配 刚塔 …… 柔塔
⑥单位造价随跨径变化 在主跨小于约1100m的范围 3-1 内，相同跨径的斜拉桥性 能优于岸上锚碇悬索桥。 选 但随着跨度的增加，斜拉 桥塔、梁的用材指标快速 择 上升，斜拉桥和悬索桥的 体 经济性对比将发生逆转。 从这个意义上看，斜拉桥 系 的跨度适用范围不是由其 极限跨径确定的，而是由 其力学和经济性能确定的。
梁式桥
三跨连续梁 多跨连续梁 上承式 中承式 下承式 单承重面 斜靠拱 连拱 独塔斜拉桥 双塔斜拉桥 多塔斜拉桥 独柱斜拉桥 双柱斜拉桥 三柱斜拉桥 单塔悬索桥 双塔悬索桥 多塔悬索桥 独柱悬索桥 双柱悬索桥 三柱悬索桥 连续刚构 梁拱组合 斜拉－悬吊 协作体系 …… …… ……
拱式桥
桥梁
斜拉桥
悬索桥
1100
2300 岩石锚悬索桥占优区
5000
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
⑨斜拉桥和悬索桥与其它缆索承重桥的经济性比较
根据我们的研究和预测，给出了各种斜拉和悬索体系以及混合体系的单位桥面造价与 跨径关系的预测图（见图7），其中900~1200m跨度范围内各种缆索体系的造价曲线较 为密集，详见图8所示。
下面以缆索承重桥为例，说明体系选择的思考方法
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
③力学与经济性能
图1 具有全部受拉构件的纯缆索体系的基本形式
悬索桥增设的加劲梁只起传力作用，用钢量一般为420~580kg/m2，在2000m跨度内用 钢量随跨径的变化不大 ； 斜拉桥的加劲梁则代替了纯缆索体系中的水平索受力），使拉索用钢量大大降低，仅 相当于同跨径悬索桥的60%左右； 斜拉桥跨径小于500m时，主梁轴力对钢箱梁设计的影响不明显，主梁的多功能性提高 了斜拉桥的经济性能； 在小于400m的跨径范围内，主梁可以采用预应力混凝土箱梁； 在小于700m的跨径范围内，可以采用结合梁，更能够提高其经济性能；
可见，斜拉桥的塔高在相同跨度时为悬索桥塔高的1.5~2.0倍，加上其断面尺寸较悬索桥 大，因此其桥塔造价将高于悬索桥桥塔。
3-1 选 择 体 系
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
⑤锚碇的影响
悬索桥主缆需由庞大的锚碇锚固，在陆地上重力式锚碇的造价一般占悬索桥造价的 25%左右。如果锚碇需要建在水中，则造价还将大幅增加； 斜拉桥的拉索直接分散锚固在梁上，形成自锚体系。
外界对结构体系 的约束
结构内部荷载的 传递方式
主要受力构件间 的受力分配
1. 结 构 体 系
结构形式 梁桥 单跨 多跨 …… 上乘式 下乘式 斜靠拱 …… 拱桥 中乘式 单承重面 连拱 斜拉桥 独塔斜拉 桥 多塔斜拉 桥 双柱斜拉 桥 …… 双塔斜拉 桥 独柱斜拉 桥 三柱斜拉 桥 悬索桥 独塔悬索 桥 多塔悬索 桥 组合体系 梁拱组合
2. 大跨径桥梁结构体系
斜拉桥受力特点
由塔柱、主梁和斜拉索三部分组成；斜索对主梁提供多点弹性支承。
主要受力构件以受拉（拉索）、受压（梁，桥塔）为主，可充分发挥材料作用。
塔柱、拉索和主梁构成了稳定的三角形，形成斜拉桥的结构刚度。
2. 大跨径桥梁结构体系
悬索桥受力特点
主缆作为主要承重结构竖向荷载作用下，通过吊杆传递桥面荷载。 主要受力构件以受拉为主，可充分发挥其材料作用。
3-1 选 择 体 系
随着跨径的进一步增加，主梁轴力迅速增加，轴力引起的应力成为加劲梁强度和稳定性 的控制因素，由此增大了主梁的用钢量。如苏通大桥近塔处加劲梁用钢量超过800kg/m2， 从而降低了斜拉桥的经济性能。
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
④桥塔的影响
从受力上看，地锚悬索桥的塔上不平衡水平力靠塔顶水平变位来实现平衡。只要桥塔 具有合适的柔度，便能使桥塔在较均匀的受压状态下工作； 斜拉桥塔上不平衡水平力主要由桥塔承担，并在塔内产生巨大的弯矩，桥塔必须有很 好的抗弯能力，因此其横断面尺寸较悬索桥大； 从桥塔的高度来看，悬索桥塔顶与跨中的高差由矢跨比确定，合理的矢跨比一般为 1/9~1/12； 斜拉桥的高差则由最外索与主梁的夹角确定，一般最小取为20°左右，相当于矢跨比 为1/6~1/5。；
河势
概念 生成 ……
wk.baidu.com
航运
概念 选择
设计原则
桥梁方案
概念 设计
桥轴线选择
主跨跨径
分孔布局
3-1 选 择 体 系
设计流程图
3. 大跨径桥梁结构体系优化(3)
②布跨确定后由体系的各种性能决定体系的选择
力学与经济性能 （ 相 同评 的判 安标 全准 度 ）
耐久性 桥跨布置的灵活性
可施工性级结构的刚度
3-1 选 择 体 系