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
文献标识码:A
Design of Self 2anchored Suspension B ridge
ZHAN G Yuan 2kai ,XIAO Ru 2cheng ,J IN Cheng 2di
(Department of Bridge Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )
Abstract :The Haiyantang Bridge in Pinghu is a self 2anchored suspension bridge ,spans are at 2tributed as (30+72+30)m.In the superstructure 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 stress features ,the conception design and the development of the special bridge are discussed.
K ey w ords :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方法。

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。

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非常具有竞争力的桥型。

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)
1915184.592.31∶8.6第七街桥(美)1926134.867.51∶8.1清洲桥(日)
192891.545.81∶7.1科隆-米而海姆桥(德)192931591.01∶9.1北港桥(日)199********∶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164m ;桥面全宽40.0m ;桥梁纵坡为±2.2%,竖曲线R =2000m ,T =44.0
m ,E =0.484m 。

设计荷载等级为城市A 级,人群
荷载根据规范换算为2.56MPa/m 2,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,所以可以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,这可以通过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40m ),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
8f
・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 =
936.5
2(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=N A
-M I
y
1
3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,则应该计入非线性效应的影响。

表2　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/mm7.98.026 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56670kN,最大活载索力为2880kN,吊杆恒载索力为4370kN,最大活载索力为220kN,主梁内的最大拉应力为1.33 MPa,最大压应力为8.93MPa,主梁最大挠度为8.0mm。

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。

一般来讲,自锚式悬索桥跨度在60～300m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题
(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,从而可以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。