索承桥的受力特性及结构特点

索承桥的受力特性及结构特点

摘要:从结构构造和力学特点两个方面进行对比分析,得出斜拉桥随着跨径的增加, 拉索

与主梁的夹角逐渐变小,竖向有效分力也随着变小, 因此, 斜拉桥的跨越能力会受到限制,推导了最佳的高跨比范围; 悬索桥吊杆与加劲梁是垂直或斜向交叉,不会随着跨径加大而受影响, 悬索桥比斜拉桥的跨越能力更大.

关键词:斜拉桥; 悬索桥;受力特性;结构特点

近几年来, 随着我国科学技术的进步, 桥梁建设事业得到了飞速发展, 有关大跨径桥梁的设计理论也得到了进一步完善. 在现代桥梁中,索承桥特别适用于大跨、特大跨桥梁, 目前还没有其它类型桥梁的跨度能超过它们. 从目前工程实际运用来看, 索承桥主要包含斜拉桥、悬索桥以及两者的组合.随着索承桥在工程中的运用越来越广泛,深入研究剖析其受力与结构特点, 有助于我们提高认识、完善其设计理论,具有重大意义.

1 斜拉桥的构造分析

1. 1 斜拉桥的总体构造

斜拉桥的特点是依靠固定于索塔的斜拉索支承梁跨,梁是多跨弹性支承梁,梁内弯矩与桥梁的跨度基本无关, 而与拉索的间距有关. 斜拉索直接锚于主梁上, 称自锚体系,拉索承受巨大拉力, 拉索的水平分力使主梁受压, 因此塔、梁均为压弯构件. 由于斜拉桥的主梁通过拉紧的斜索与塔直接相连, 增加了主梁抗弯、抗扭刚度,在动力特性上一般远胜于悬索桥.

1. 2 斜拉桥的拉索构造

斜拉桥主要组成部分为拉索、主梁及索塔. 拉索纵向布置分为四种形式:辐射形、竖琴形、扇形和星形. 辐射形的特点是所有拉索集中于塔顶,使各根拉索具有可能的最大倾角, 因些拉索效率发挥最好,拉索用钢量最少, 其主要缺点是拉索汇交到塔顶, 构造处理比较困难;竖琴形用钢量最大,但索不会交叉, 比较美观、整齐;扇形介于辐射形与竖琴形之间, 索在塔处的锚固间距尽量小, 主要满足锚头布置与张拉空间要求; 星形布置的唯一特点是边跨拉索锚于梁端,可以增大桥梁的整体刚度. 每根拉索包括钢索、锚具和过渡段三部分. 钢索承受拉力,设置在两端的锚具用来传递拉力. 过渡段埋设在塔和梁的内部, 用于密封穿过梁和塔体内的钢索, 且不与混凝土接触.钢索宜采用抗拉强度高、疲劳性能好、弹性模量大和截面密度大的高强钢丝制成, 目前主要有三种类型: 封闭钢索、平行高强钢丝索、平行纲绞线索.我国采用的锚具主要有两种型式: 冷铸墩头锚(主要用于平行钢丝索)和夹片群锚(主要用于平行钢绞线索).

1. 3 斜拉桥的主梁特点

主梁类型主要有钢主梁, 混凝土主梁, 钢、混凝土结合梁, 钢、混凝土混合梁四种. 其中钢主梁的主要特点是重量轻、跨越能力大, 构件可在工厂制作, 质量可靠,便于安装, 施工速度快,养护工作量大. 混凝土主梁的特点是: 刚度大,挠度小, 阻尼效果好, 混凝土自重大,抗振动性能较好.结合梁是在钢主梁上用混凝土桥面板代替正交异性钢桥面板, 除有钢主梁的特点外, 与钢主梁相比,能节省钢材用量, 且其刚度大, 抗风稳定性好,能分担斜索的水平分力, 自重比钢主梁大, 与混凝土主梁相比, 主梁轻,结构简单, 施工速度快.混合梁是指在中孔大跨以钢梁为主,两侧边跨采用预应力混凝土梁. 这种结构加大了边跨主梁的刚度和重量,有利于减小中跨内力及变形, 能减小或避免边跨端支点负反力. 主梁在塔墩上支承体系主要有四种: 支座支承体系、塔梁固结体系、刚构体系、悬浮体系.

1. 斜拉桥的索塔构造

索塔承受塔自重、拉索、主梁及桥面系的恒载与活载.索塔可以是钢结构或钢筋混凝土结构. 索塔的结构型式, 根据拉索布置、主梁跨度、桥面宽度等因素确定.常用的索塔形式在顺桥方向有柱型、A 型和倒Y 型等. 在横桥方向常用的索塔型式有单柱式、双柱式、门式、

A型、H型及钻石型等. 拉索在塔上的锚固型式主要有三种: 鞍座型式、交叉锚固型式、拉索对称锚固型式.

2 斜拉桥的受力特性分析

2. 1 斜拉桥的力学计算特点

斜拉桥是一个空间结构,为便于计算, 一般按平面结构处理, 而用横向分布系数计入空间. 根据结构构造特点, 可以用杠杆原理法或偏心受压法等适合的计算方法计算横向分布系数. 对于平面结构,用有限元法按线弹性结构进行分析, 因此内力叠加原理成立. 拉索的内力与变形存在非线性关系, 用修正弹性模量的方法处理后, 拉索仍可按弹性杆件对待,且引起的误差很小. 对于较大跨度的斜拉桥, 则要计入非线性影响,处理方法是在线弹性结构分析的基础上, 对控制截面的内力或变形, 追加非线性影响.

2. 2 斜拉桥的力学计算原理

斜拉桥的恒载内力计算比较复杂,一期恒载内力不仅与安装顺序有关,还取决于张拉索力. 在恒载下的拉索松驰,混凝土徐变使计算更趋复杂.确定恒载索力方法主要有连续梁法、弯曲能量最小法和弯矩平方和最小法、优化方法、人机对话确定索力.连续梁法是指结构在各施工阶段完成后, 在一、二期恒载作用下, 主梁内力与以拉索锚固点为主梁刚性支点的连续梁内力接近.弯曲能量最小法是用结构的弯曲余能作为目标函数, 令其对索力的偏导为零.优化方法是结合上述两种方法,建立目标函数,用数学规划法解出满足索力约束条件下的弯曲能量最小时的施调索力. 为确定最佳索力方案, 可通过人机对话确定索力. 即先选定成桥状态初始索力. 计算初始索力及恒载下控制截面的内力与变位.计算活载等引起控制截面内力及索力.综合分析计算结果, 根据力学及桥梁知识,修改成桥状态下初始索力或梁塔控制截面弯矩或变位值,直到满意结果为止.

2. 3 斜拉桥的力学计算步骤

确定施工阶段张拉索力的方法一般有以下几种:倒拆法、正算法.倒拆法的计算过程:

( 1)每拆一对索及相应主梁节段,在拆去单元后的节点处加上大小相同、方向相反的节点力;

( 2)按拆去单元后的结构状态及所加节点力,进行结构分析, 就得到节点力引起的各索索力;

( 3)拆单元前的各索索力加上节点力引起的索力,得尚未拆除索的索力;

( 4 )下一阶段待拆拉索的张拉力即为由( 3)所得的索力.

正算法采用与斜拉桥方式相同的顺序,依次计算各阶段架设时结构的施工内力和位移.

3 悬索桥的构造分析

悬索桥主要由主缆、加劲梁、吊索、索塔、锚锭和鞍座六部分组成. 悬索桥大都采用双面主缆, 由平行高强钢丝组成. 主缆分束股是为了便于架设和锚固.每根束股由几十根, 乃至几百根单根平行钢丝组成, 由于架设方法不同, 可分为空中纺线法和预制钢丝束股法两种.加劲梁的结构型式主要有两种:钢桁梁和扁平钢箱梁. 吊索也称吊杆, 有直吊索和斜吊索两种. 斜吊索比直吊索有以下特点:和主缆、加劲梁一起起到桁架作用, 能提高桥的整体刚度; 结构振动衰减性能好;在主跨跨中附近, 活载产生应力变化幅度大, 易引起疲劳问题; 吊索容易松弛. 吊索与主缆的连接方式有鞍挂式和销连接式两种.

索塔是支承主缆的重要构件,其型式分顺桥方向和横桥方向. 材料一般由混凝土或钢构成. 锚碇是主缆的锚固体,与索塔一样是支承主缆的重要部分,它将主缆的拉力传递给地基. 锚碇一般由锚碇基础、锚块、主缆的锚碇架及固定装置、遮棚等组成. 锚碇的型式可分为重力式和隧道式. 重力式锚块是最常用的型式,依靠混凝土重量来抵抗主缆的拉力.隧道式锚