悬索桥的构造与设计

重力式锚碇（采用较多）
隧道式锚碇
重力式锚碇用于持力层位于地表以下20～50米较合理； 过深可以采用深基础：沉箱、沉井、桩、管柱等。 • 隧道式锚碇用于基岩外露处，主缆各索股集中在一个岩 洞内锚固。 • 挪威研究的新型锚碇，例如“瑞典高海岸大桥”，构造 简单而经济。
•
锚碇的计算（容许应力法）： 基本要求：锚碇不发生沉降、滑移和转动。 ①刚体，在主缆水平分力下不会滑移。 ②竖向压应力不应超过地基土的容许压应力，即
土地基、城市桥等。
双链式悬索桥（小跨度悬索桥） 双链式悬索桥的恒载及均布活载由上下链 平均负担，非均布活载以及半跨活载时结构的 受力及变形特性较好，分散构件受力可减小构 件截面尺寸和单件重量；缺点：构件增多分散， 安装及养护维修不利。
地锚式悬索桥的孔跨布臵形式(力学体系) 单跨：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。主跨1385米江阴大桥。 三跨：最常见。
桥塔横向结构形式： • 刚构式（框架式）：单层或者多层门架，明快 简洁。 • 桁架式：若干组交叉的斜杆与水平横梁组成桁 架，施工时稍显困难。 • 混合式：仅在桥面以下设臵交叉斜杆以改善受 力和经济性能。 塔柱横向可竖直或者稍带倾斜（斜柱式） 或转折点（折柱式），后两者稳定性能好且较 为经济。 现代认为钢筋混凝土刚构式桥塔是悬索桥 的桥塔最佳选择。
汲水门大桥（斜拉桥）
钢箱梁的特点

采用正交异性钢桥面板和带加劲肋的薄钢板组 成，能充分发挥薄钢板比厚钢板力学性能好的 优点，利于焊接，同时，正交异性板具有很高 的承载力，截面设计更为经济合理。

为提高梁体抗失稳能力，纵向每隔一定间距设 臵框架横联或横向联结系，相邻两横联之间可 加设横向加劲肋，支座处横联更应加强；为保 证翼缘板及腹板屈曲稳定，受压区架设纵向加 劲肋(多为闭口纵肋：抗扭刚度大；屈曲稳定好； 外侧贴角焊缝长度减少一半 )，连续贯通的纵肋 可作为翼缘板截面的一部分予以计算。
两跨：（单边跨）一岸建筑高度小和曲线边 跨时。1377米青马大桥。 多跨：因中间桥塔和两边桥塔的塔高不同导 致主缆垂度偏大，悬索桥整体刚度降 低，非均布活载下塔顶变位及加劲梁 挠曲变形和弯矩较大；固有振动频率 降低。故中塔必须加大刚度（4柱立 体桥塔）或者减小主缆垂跨比。
2.3 悬索桥的构造
2.3.1 主缆
吊索：是将加劲梁自重、外荷载传递到主缆的
传力构件，是连系加劲梁和主缆的纽带。
锚碇：是锚固主缆的结构，它将主缆中的拉力
传递给地基。
2.2 悬索桥的形式
悬索桥的形式主要有地锚式与自锚式悬索桥。 地锚式：主缆拉力依靠锚固体传递给地基。 自锚式：主缆拉力水平分力直接传递给加劲梁 （轴向压力）承受；竖直分力（较小） 由端支点承受。适宜：跨度不大、软
吊索与索夹的联结方式（钢丝绳）
• 4 股骑跨式：两根两端带锚头的钢丝绳索绕 跨在索夹顶部的嵌索槽中，锚头与加劲梁连 接。不宜用平行钢丝索，索夹分左右两半。
• 双股销铰式：两根下端带锚头、上端带销铰 的钢丝绳索或平行钢丝索，上端利用销铰与 索夹下的耳板（吊板）连接，下端用锚头或 者同样用销铰与加劲梁连接。索夹分上下两 半。
涡 流 激 振
抗 风 性 能 自 激 振 动 静态阻力系 数 风 致 变 形 结 构 刚 度
结构形式：
• 钢板梁
大 大
小 小 小
• 钢桁梁
• 钢箱梁
结 构
梁
高
高
最大 一般与主梁分离 杆件多，节点结构 复杂，标准化大量 生产困难 单根杆件平面构件 立体节段多样化 油漆养护难 菲结合型损伤时易
低
低 一般与主梁结合为整 体 箱梁由板构件组成， 标准化大量生产容易 节段法架设或与现浇 节段并用 油漆养护方便 与主梁结合损伤难维 修
方阵式：竖横双向均利于插放隔片，钢丝束股 数目较为灵活，紧缆机操作时也较容易形成圆 形截面。 方阵式主缆断面 施工中的主缆断面



主缆编制方法 AS 法：通过牵引索作来回走动的编丝轮，每 次将两根钢丝从一端拉到另一端，待钢丝达 到一定数量后（可达400～500 根）编扎成一 根索股。钢束股数较少，便于集中锚固，起 吊设备轻便；架设主缆时抗风较弱所需劳动 力也较多。 PS 法：避免了钢丝编成钢丝束股的作业从而 加快主缆的施工进度，但要求大吨位的起重 运输设备和拽拉设备来搬运钢丝束股。目前 多采用 61 、 91 、 127Φ5 左右钢丝，最重可达 40吨。
低
最低 为主梁的一部分 工厂预制节段， 标准化生产容易 预制节段法 一般无需养护 损伤时易维修
用 钢 量 桥 面 系
• 砼箱（板） 制 梁 造
施 工 养 护
制
架
造
设
养 护 维 修 桥 面
钢板梁的横截面

钢桁架的横截面： 双层公路桥面钢桁架梁 公铁两用的双层桥面钢桁架梁 单层桥面钢桁架梁 流线型闭合式桁架箱梁——香港青马大桥 钢桁架加劲梁的特点： 通透梁体，抗风稳定性好；空间桁架结构， 抗扭刚度较大；不易产生颤振、抖振和涡 激共振。
主缆与索夹的连接方式
骑跨式 吊索与主缆 （索夹） 以及与加劲梁 之间的连接
2.3.4 桥塔
材料：圬工（古老、小跨简易）；钢筋砼（框架式；
实心矩形或者箱形）最高155米；钢材（框架
式、桁架式；箱形、多格箱形、H形）。
桥塔纵向结构形式： • 摇柱塔（摆动式）：单柱塔下设铰、塔顶索鞍固 定于塔，适于小跨。 • 柔性塔：一般为下端固定式，塔顶水平变位量相 对较大，适于大跨。 • 刚性塔：塔顶水平变位量相对较小，单柱或者A 形，多用于多跨悬索桥的中间塔柱，纵 向刚度较大，塔顶位移小从而减小加劲 梁内的应力。
· 主缆设计主要内容：
①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↑。 ②截面及预制平行钢丝束布臵 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米左右布臵定型强力胶带。 ③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。
青马大桥锚碇 索靴
特殊锚碇

多跨悬索桥的共用锚墩 三角形空腹构架式重力锚 平板式重力锚 软土层中的深基础重力锚
三角形空腹构架式重力锚
丹麦大海带桥
比 较 项 目
加 劲 梁 钢 桁 梁 最不易发生
形 式 砼 箱 梁 不易发生 可能性小 小 小 大
钢 箱 梁 易发生 可能性大
2.3.6 加劲梁
2.3.5 锚碇（用于地锚式悬索桥） 基本组成：主缆的锚碇架及固定装臵、锚块、锚块 基础。 基本分类：重力式锚碇、隧道式锚碇、岩锚。 重力式锚碇：依靠锚块自重来抵抗主缆的竖直分 力，水平分力则由锚碇与地基之间的 摩阻力（包括侧壁的）或者嵌固阻力 来抵抗。 ① 前锚式：主缆采用PS法施工时的缆索锚固方 式，支承（定位）钢构架与传力钢构 架的结合。 ②后锚式：主缆采用AS法施工时的缆索锚固方 式，铸钢索靴与眼杆的结合。
悬索桥的构造与设计
二、悬索桥的构造与设计
2.1 悬索桥的组成
2.2 悬索桥的形式
2.3 悬索桥的各部分构造 2.4 悬索桥的设计
2.1 悬索桥的组成 2.1.1 组成 悬索桥是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚 碇、吊索等构件构成的柔性悬吊体系，其主 要构成如下图所示。成桥时，主要由主缆和 主塔承受结构自重，加劲梁受力由施工方法 决定。成桥后结构共同承受外荷作用，受力 按刚度分配。
• 结构形式
双面平行主缆（绝大多数）；
单面主缆；空间主缆；
复式主缆（双链吊桥： 朝阳大桥）。
• 截面形状（六角形） 尖顶形：将钢丝索故在竖向排列，列间插放隔片有 助于通风和保持真圆度较高的截面形状，截面温度 均匀。主缆施工之初的钢丝定位较难。 平顶形：下层的钢丝索股会受到较大的挤压力，截 面水平直径较竖向直径大。
一般桁架加劲梁横截面
香港青马大桥
闭合式 钢桁梁横截面
在两片主桁架的外围，沿着桥梁纵向每隔 4.5 米加设 一道包括上下桥面系横梁、两侧尖端形导风角与中间两根 立柱等构件组成的六边形横向主框架，在导风角部分用 1.5 毫米后的不锈钢板围封。这样连同上下横梁部分的正 交异性钢桥面板，组成一个类似于钢箱梁的封闭性截面。 上层桥面的中央 3.5 米宽度部分和下层桥面的铁道桥面系 部分均以交叉的斜杆代替正交异性板，整个截面中央部分 形成一条纵向的上下通风道，对抗风极为有利。
• 材料
有效拉应力大；拉伸延伸率小；弹模大；截 面密度大；疲劳强度高、徐变小；成缆锚固 及防锈容易；价廉物美。 • 类型 钢丝绳主缆：钢绞线绳、螺旋钢丝绳、封闭 式钢绞线索等，适于600米以下跨径的桥梁。
平行丝股主缆：采用空中绕线法 ——AS 法或者预制丝股法 ——PS 法）， 适于 400 米 以上，是现代悬索桥主缆的主流结构类型。 大跨多采用耐疲劳的高强钢丝，因为钢 绞线虽然施工方便，但弹模较低使结构变形 增大，截面形状不易按照设计形状压紧，防 腐较难，适于中小跨度。
AS法示意图
AS法示意图
主缆断面
主缆的防护（不可更换的主要受力构件，必须防腐） 锈蚀原因：架设期间水份进入；防护完成后因主缆线形变 化、温度变化引起伸缩而导致粗糙表面的油漆开裂和索夹 上受损的密封部位开裂，水的渗入导致主缆湿度高而锈蚀。 防护方法：施工期间镀锌钢丝外涂底漆或者树脂类，然后 手工满刮腻子，再缠绕钢丝（退火镀锌Φ4钢丝），最后 作外涂装。 改良措施： ①以S 形截面的缠绕钢丝代替圆端面钢丝，使主缆表面光 滑、丝丝相扣，油漆不易开裂、水不能渗入。 ②开空气导入法：将除湿机产生的干燥空气用管道输送， 通过入口索夹输入主缆，经出口索夹排出主缆（出入口索 夹间距140米左右），一般可维持相对湿度在40％以下。
2.1.2 悬索桥各部分的作用 主缆：是结构体系中的主要承重构件；通过塔
顶索鞍悬挂在主塔上并锚固于两端锚固
体中的柔性承重构件。
主塔：是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构
件；支承主缆的重要构件。
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加劲梁：是悬索桥承受风荷载和其它横向水平 力的主要构件，提供桥面和防止桥面 发生过大的挠曲变形和扭曲变形，主 要承受弯曲内力。
不会沉降和转动。
③现代对锚碇的计算分析更为复杂：对稳定、基
础长短期变位、抗震等进行动态分析。
重力式锚碇外观图
图a）为现代预应力锚固系统（前锚式） • 图b）为一般后锚式锚固系统
•
主缆与锚块的连接： ①绳股由一连串锚杆传至锚块后部的锚梁上。 ②用可以调节长度（索靴与螺杆间）的螺杆代 替锚杆。 ③利用后张法预应力钢筋或钢丝束，将主缆绳 股力传至锚块。 ④在混凝土端面处，通过座板使螺杆与预应力 筋连接来传力。 ⑤主缆采用预制平行丝股时，直接通过绳股的 锚头将主缆拉力传至锚块。
2.3.2 吊索 布臵形式：竖直；倾斜（提高整体振动时的结构阻 尼值）。 材料：刚性吊杆（少量小跨：圆钢或钢管）；柔性 吊索：钢丝绳或者平行钢丝索（多采用）。 • 钢丝绳索 绳心式：以一股钢丝绳为中央形心，外围用钢丝束 股围绕扭绞而成。 股心式：7股钢丝束股扭绞而成，中央一股为股心 注意：钢丝束股的扭绞方向与其间钢丝的扭转方向 相反。 • 平行钢丝索（PWS）：多根Φ5～7镀锌钢丝外加 PE套管。
③现代预应力锚拉工艺：近期陆续取代前两者。 隧道式锚碇（岩洞式）：主缆散开后各索股通过岩 洞中的混凝土锚块内埋设的锚梁与拉 杆的伸出端连接，并利用预应力工艺 调整松紧。 岩锚（岩孔锚）：各索股先分散在各个岩孔内（每 股一个孔），最后进入锚固室。主缆经散索 鞍转向并在散索室分散后，每根钢丝索锚拉 在钢杆上，钢杆再锚拉在浇注于传力块体内 的锚板上，各钢杆与插放在各钻孔内的后张 力筋连接，力筋最后在锚固室内张拉后防腐.
2.3.3 索夹 作用：刚性索夹与柔而松的主缆索体间的连接为不稳定 连接。依靠摩擦力来保证主缆在受拉产生收缩变 形时不致滑动。 构造： 六边形（中小跨）：少用； 圆形：一对铸钢半圆构件以高强螺栓相连接，依靠高强 螺栓拧紧后的拉力来提供足够索夹固定位臵的摩 擦阻力，两半圆构件之间留有一定空隙，以保证 螺栓拉力，空隙内填防腐材料；索夹半圆内表面 加工后不能磨光。 骑跨式：索夹上半部有4各凸肋形成两条凹槽； 销铰式：下侧半索夹下带有耳式吊板供销铰连接用。