桥梁工程基础(斜拉桥)
斜拉桥
主要组成部分为主梁、斜拉索、索塔,体系为多次超静定结构,从索塔上用若干斜向拉索将梁吊起,使主梁在跨内增加了若干弹性支点,减少了梁内弯矩,降低梁高,提高了梁的跨越能力。梁体尺寸较小,受桥下净空和桥面标高的限制少,抗风稳定性比悬索桥好,计算复杂,索与梁或塔的连接构造比较复杂,施工控制等技术要求严格。构造型新颖,在400~800m跨度内具有很强竞争力。其发展的原因依靠新材料的应用(高强钢丝,特别是斜拉索卷材)和设计理论和计算技术的进步、施工技术的进步。
受力
斜拉桥斜拉索两端分别锚固在主梁和索塔上,将主梁的恒载和桥面活荷载(车辆和人群)传递至索塔,再通过索塔传至基础。斜拉索只承受拉力,斜拉索在主梁锚固处的拉力可分解成一个向上的垂直分力和指向索塔的水平分力,其中向上的垂直分力,对主梁起到支承的作用,因而主梁在斜拉索的各点支承作用下,如同多跨弹性支承的连续梁,使主梁的弯矩值大大减少。这样可以使主梁的梁高大大地减小,从而使主梁结构的自重显著减轻,既节省了结构材料,又大幅度地提高了斜拉桥的跨越能力。在目前所有的桥型中,斜拉桥的跨越能力仅次于跨越能力最大的悬索桥。另外,斜拉索的水平分力对主梁施加了压力,因此,斜拉索相当于主梁的体外预应力索,对主梁提供了预压力,从而可以增强混凝土主梁的抗裂性能,并节约主梁中预应力钢筋的用量。
斜拉索的拉力对索塔的作用同样可分解成一个垂直向下的分力和向外的水平分力,其中由于索塔两边的斜拉索平衡了水平分力,因此,在恒载作用下索塔主要承受自身恒载和拉索传来的强大竖直压力。
分类
梁的材料分类有钢、混凝土、结合梁(叠合梁)与混合梁四类。
斜拉桥的主梁截面形式,有板式、肋板式、箱形、半封闭形截面等。
斜拉桥孔跨布置有双塔三跨式、单塔双跨式、多塔多跨式
从顺桥向,索塔的布置形式主要有单柱式、倒Y型、A字型
从横桥向,索塔的布置方式主要有柱型(单或双)、门型或H型、A型、倒Y型及菱型等。
索面布置主要有单索面、平行双索面、空间斜向双索面等类型。
索面形状主要有辐射形、竖琴形和扇形三种类型。
拉索常采用的类型,有平行钢丝索、钢绞线和封闭式钢缆。
目前斜拉索的安装,常采用整体安装与分散安装两种形式。整体安装的代表主要以平行钢丝配冷铸锚的形式,而分散安装的代表主要以钢绞线配夹片式锚的形式。
斜拉索与混凝土梁的锚固主要有以下几种情况。1.顶板设置锚固块。2.箱内锚固块。3.斜隔板锚固。4.梁底锚固。
斜拉桥主梁的施工方法大体上可分为悬臂法、顶推法、平转法、支架法等四种。大跨度斜拉桥的主梁一般采用悬臂法施工。
结构尺寸
拉索与主塔对整个斜拉桥结构的刚度、经济性都存在影响,一般塔高与中跨之比H/L中=1/4~1/7比较合适,同时这也是最恰当的景观角度。
初始阶段的斜拉桥主要采用稀索布置(即拉索在主梁上的间距较大),主梁较高,主梁以受弯为主,这使今后的拉索更换不方便,且跨越能力不可能太大。目前的斜拉桥,大部分采用密索布置,主梁高度很小,自重轻,换索方便,并广泛采用肋板式开口断面。
斜拉桥的索距为斜拉索在主梁上锚固点之间的间距。索距布置分为“稀索”和“密索”两种形式,现代斜拉桥多采用“密索”形式。相较于“稀索”而言,“密索”使桥面系具有受力更为合理,便于安装、锚固和换索等优点;通常钢或钢-混凝土组合主梁结构的“密索”间距,要比混凝土主梁结构的“密索”要大一些。
混凝土斜拉桥的截面尺寸直接影响结构的抗弯和抗扭刚度,同时,其梁高对截面的内力的影响也极大,并与拉索间距大小直接相关。
支承体系
斜拉桥在塔处及墩(含辅助墩)处的支承形式对主梁的受力行为以及结构的使用性能影响较大。
(1)悬浮体系。也称为漂浮体系,它是将主梁除两端外全部用缆索吊起,在纵向可稍作浮动的一种具有弹性支承的单跨梁。悬浮体系由于主塔的柔性和主梁悬浮状态,使主塔在顺桥向的振动周期大大增加,而相应的使地震力的动力响应大大降低,对结构的抗震十分有利。但是由于该种悬浮体系水平位移较大,应设置足够的水平伸缩装置,必要时在端部设置水平限位装置。悬浮体系在采用悬臂法施工时,主梁在桥塔处要设置临时支承。该体系由于抗风、抗震性能好,是大跨度斜拉桥(主跨在400m以上)采用较多的结构体系。
(2)支承体系(也称为半漂浮体系)。主梁在塔墩处设有支座,接近于跨度内具有弹性支承的三跨连续梁。这种体系的主梁内力在塔墩支点处产生急剧变化,出现负弯矩尖峰,通常需加强支承区段的主梁截面。
(3)塔梁固结体系。梁与桥塔固结,主梁与塔柱内的内力以及梁的挠度直接同主梁与塔柱的弯曲刚度比值有关。其主要优点是取消了承受很大弯矩的梁下塔柱部分而代之以一般的桥墩结构,塔柱和主梁的温度内力极小,可显著减小主梁中央段承受的轴向拉力,较支承体系相比,可减小主梁在塔墩支点处的负弯矩。但须指出,当中跨满载时,主梁在墩顶处的转角位移会导致塔柱倾斜,使塔顶产生较大的水平位移,这样会显著增大主梁的跨中挠度和边跨的负弯矩,这是该体系的不足之处。另外,塔梁固结体系中,全部上部结构的重量(包括塔柱的)和活载都经由支座传给桥墩,这样就需设置很大承载能力的支座,因此,特大跨径的斜拉桥不宜采用这种体系。
(4)刚构体系。塔柱、主梁和桥墩相互固结,形成了在跨度内具有弹性支承的刚构。其优点是体系的刚度大,使主梁和塔柱在外荷载作用下挠度较小。诚然,刚度的增大是由梁、塔、墩固结处能抵抗很大负弯矩换取来的,因此,这种体系在固结处附近区段内主梁的截面必须加大。
