懸索橋的構造計算理論與施工方法

懸索橋的構造、計算理論與施工方法哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院

主要內容懸索橋的構造懸索橋計算理論懸索橋施工一、什么是懸索橋？懸索橋，又名吊橋。指的是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸(或橋兩端)的纜索(或鋼鏈)作為上部結構主要承重構件的橋梁。舊金山金門大橋二、懸索橋的優(yōu)缺點優(yōu)點

相對于其它橋梁結構懸索橋可以使用比較少的物質來跨越比較長的距離。懸索橋可以造得比較高，容許船在下面通過，在造橋時沒有必要在橋中心建立暫時的橋墩，因此懸索橋可以在比較深的或比較急的水流上建造。懸索橋比較靈活，自重輕。缺點

懸索橋的堅固性不強，在大風情況下交通必須暫時被中斷懸索橋不宜作為重型鐵路橋梁懸索橋的塔架對地面施加非常大的力，因此假如地面本身比較軟的話，塔架的地基必須非常大和相當昂貴。三、懸索橋的歷史懸索橋的歷史是古老的。早期熱帶原始人利用森林中的藤、竹、樹莖做成懸式橋以渡小溪，使用的懸索有豎直的，斜拉的，或者兩者混合的。婆羅洲、老撾、爪哇原始藤竹橋，都是早期懸索橋的雛形。不過具有文字記載的懸索橋雛形，最早的要屬中國，直到今天，仍在影響著世界吊橋形式的發(fā)展。遠在公元前三世紀，在中國四川境內就修建了“笮”（竹索橋）。圖為瀘定橋，建于1706年，被認為是當時世界上最長的懸索橋。懸索橋的發(fā)展1883年，第一座現(xiàn)代懸索橋，美國Brooklyn橋，主跨486m1931年，第一座突破千米的懸索橋—主跨1006米的美國紐約華盛頓橋1937年，主跨1280米的懸索橋，美國舊金山金門大橋1940年，美國華盛頓州

塔科馬懸索橋懸索橋的發(fā)展1997年，丹麥大海帶橋,主跨1624米懸索橋1997年，中國香港青馬大橋,主跨1377米,是當時最大跨度公鐵二用懸索橋1998年，日本明石海峽大橋，主跨1991米，是世界最大跨度懸索橋1999年，中國江陰長江大橋，主跨1385米，中國第一座超千米懸索橋8.1懸索橋概述懸索橋的發(fā)展進入二十世紀以來，懸索橋進入了一個朝低高度主梁、高強度材料和大跨徑方向發(fā)展的階段，加勁梁以桁架為主，梁的高跨比在1/150左右。二戰(zhàn)后，懸索橋進入了新的發(fā)展時期，歐洲各國采用了抗風性能好的薄壁箱形截面加勁梁。四、現(xiàn)代懸索橋欣賞日本明石海峽大橋，主跨1991米，1998年建成明石海峽大橋，位于日本本州與四國之間，主跨1991米，全長3910米，為三跨二鉸雙層加勁桁梁式吊橋，鋼橋283米，高出333米橋寬35.5米，雙向六車道，加勁梁14米，抗震強度按1/150的頻率，承受8.5級強烈地震設計，為目前世界上跨度最大的懸索橋。中國潤揚揚長江公公路大橋橋，主跨跨1490米，2005年建成潤潤揚大橋橋西距南南京二橋橋約60公里，東東距江陰陰大橋約約110公里。工工程全長長35.66公里，由由北接線線、北汊汊橋、世世業(yè)洲互互通高架架橋、南南汊橋、、南接線線及延伸伸段等部部分組成成。其中中南汊主主橋采用用單孔雙雙鉸鋼箱箱梁懸索索橋，主主跨徑1490米，為目目前中國國第一、、世界第第三，橋橋下最大大通航凈凈寬700米、最大大通航凈凈高50米，可通通行5萬噸級巴巴拿馬貨貨輪。中國香港港青馬橋橋，主跨跨1377米，1997建成。橋橋塔高131米，在青青衣島側側采用隧隧道式錨錨碇，在在馬灣島島側采用用重力式式錨碇,中部空間間可容納納行車道道及路軌軌，大橋橋上層橋橋面中部部和下層層橋面路路軌兩側側均設有有通氣空空格，形形成流線線型帶有有通氣空空格的閉閉合箱型型加勁梁梁，1997年建成。。懸橋組成成組成：主主纜、加加勁梁、、吊索、、索塔、、鞍座、、錨碇（（下部））及橋面面結構1.概述1.1懸索橋的的受力特特征懸索橋是是由主纜纜、加勁勁梁、主主塔、鞍鞍座、錨錨碇、吊吊索等構構件構成成的柔性性懸吊體體系，其其主要要構成如如下圖所示。。成橋時時，主要要由主纜纜和主塔塔承受結結構自重重，加勁勁梁受力力由施工工方法決決定。成成橋后，，結構共共同承受受外荷作作用，受受力按剛剛度分配配。主纜是結構體體系中的的主要承承重構件件，受拉為主；主塔是懸索橋橋抵抗豎豎向荷載載的主要要承重構構件，受壓為主；加勁梁是懸索橋橋保證車車輛行駛駛、提供供結構剛剛度的二二次結構構，主要要承受彎曲曲內力；吊索是將加勁勁梁自重重、外荷荷載傳遞遞到主纜纜的傳力力構件，，是連系系加勁梁梁和主纜纜的紐帶帶，受拉。錨碇是錨固主主纜的結結構，它它將主纜纜中的拉拉力傳遞遞給地基基。懸索橋各各部分的的作用鋼纜采用用高強鋼鋼絲成股股編制，，充分發(fā)發(fā)揮材料料優(yōu)越的的抗拉性性能。⑵.基本本組成⑶.荷載載傳遞兩個主塔塔將作為為主要承承重構件件的主纜纜索架起起，再由由固定在在主纜索索上的吊吊桿將作作為橋面面承重構構件的主主梁懸吊吊住。橋面主梁吊桿主塔地基在力的傳傳遞過程程中，吊吊桿和主主纜索承承受很大大的拉力力，此拉拉力由兩兩岸橋臺臺后修筑筑的巨型型錨碇平平衡。懸索橋的的基本類類型1.按主纜的的錨固形形式分類類地錨式：：主纜的的拉力由由橋梁端端部的重重力式錨錨碇或隧隧道式錨錨碇傳遞遞給地基基自錨式：：主纜拉拉力直接接傳遞給給它的加加勁梁。。2.按孔跨布布置形式式分類三跨懸索索橋：結構形式式最為合合理，是是大跨度度懸索橋橋最為常常用的橋橋型。單跨懸索索橋：邊跨地面面較高，，有曲線線進入大大橋邊跨跨的情況況。兩跨懸索索橋：只有一岸岸邊跨地地面較高高或線路路有平面面曲線進進入三跨懸索索橋聯(lián)袂袂布置：：罕見的獨獨塔懸索索橋——西藏達孜孜橋三、橋塔塔一、橋塔的作作用：支承主纜纜，分擔擔大纜所所受的豎豎向力，，在風力力和地震震力作用用下，對對總體穩(wěn)穩(wěn)定提供供保證。。二、結構形式式：1、橋梁縱向(橋軸方向向)的結構形形式2、橋梁橫向的結構形形式1、橋梁縱向(橋軸方向向)的結構形形式從結構力力學上來來分類：：(1)剛性塔（矮而胖胖）：指指塔頂水水平變位位量相對對較小的的橋塔。。分類：：單柱、、A字形狀。。適用：多多塔(橋塔數(shù)量量為3個或3個以上)，特別中中間的橋橋塔，作作用：通通過提高高橋塔的的縱向剛剛度來控控制其塔塔頂?shù)目v縱向變位位，從而而減小梁梁內的應應力。(2)柔性塔（高而細細）：指指塔頂水水平變位位量相對對較大的的橋塔，，也就是是相對于于剛性塔塔而言的的。適用：：大跨跨度三三跨(雙塔)形式中中，橋橋塔幾幾乎全全是做做成柔柔性的的。分分類：：一般般是塔塔柱下下端作作成固固接的的單柱柱形式式。(3)擺柱塔塔分類：：搖柱柱塔為為下端端作成成鉸接接的單單柱形形式。。適用：：它一一般只只用于于跨度度較小小的懸懸索橋橋。很很少用用。2、橋梁梁橫向的結構構形式式1）形式：（1）剛構式式：形式：：懸索索兩個個平面面，兩兩根立立柱支支撐――單層(橫梁)；(2)桁架式式(3)混合式式（4）將豎豎直的的塔柱柱改變變?yōu)樵谠跈M向略略帶傾傾斜的的斜柱式式或2具有轉轉折點點的折柱式式。2）實例例：（1）剛構式式形式：懸索索兩個個平面面，兩兩根立立柱支支撐――單層(橫梁)；為使整整個橋橋塔在在橫向向能承承受懸懸索和和橋面面系上上全部部橫向向風荷荷載的的剛性性，在在塔定定和橋橋下設設強大大的橫橫系梁梁――多層橫梁（（塔高高時））。特點：單層層(橫梁)或多層層(橫梁)的門架架式，，這種種形式式在外外觀上上明快快簡潔潔，它它既能能適應鋼橋塔塔，又能能用于于混凝土土橋塔塔。(2)桁架式式形式：在兩兩根塔塔柱之之間，，為增增強橋橋塔橫橫向剛剛度，，除了了有水水平的的橫梁梁之外外還具具有若若干組組交叉叉的斜斜桿，，形成成桁架架式結結構。。優(yōu)點：橋塔塔在橫橫向采采用這這種結結構形形式，，無論論在塔塔頂水水平變變位、、用鋼鋼數(shù)量量(經(jīng)濟性性)及塔架架內力力(功能性性)等方面面均較較有利利。在在風力力和地地震力力引起起橋軸軸垂直直方向向的塔塔頂水水平位位移最最小。。缺點：由于于交叉叉斜桿桿的施施工對對混凝凝土橋橋塔有有較大大的困困難，，因而而這種種形式式一般般只能能適用于于鋼橋橋塔。(3)混合式式形式：由以以上的的剛構構式與與桁架架式可可以組組成混混合式式出塔塔架。。這種種形式式一般般在橋橋面以以上不不設交交叉斜斜桿，，特點：在景景觀上上可以以保留留剛構構式的的明快快簡潔潔，而而在橋橋面以以下設設置少少量交交叉斜斜桿以以改善善塔架架的功功能(內力)性和經(jīng)經(jīng)濟(耗鋼)性。由由于具具有交交叉斜斜桿的的關系系，此此種形形式也也只宜用于于鋼橋塔塔斜柱式式（折折柱式式）形式：豎直直的塔塔柱改改變?yōu)闉樵跈M向略略帶傾傾斜的的斜柱柱式或或具有有轉折折點的的折柱柱式。優(yōu)點：無論論是斜斜柱式式或折折柱式式，其其優(yōu)點點是都都有穩(wěn)穩(wěn)定感感和塔塔頂寬寬度（（塔柱柱中心心距））較緊緊湊。。2）例子（1）桁架式式：開始在在美國國（舊舊金山山奧克克蘭海海灣大大橋）），后后來又又影響響歐洲洲(里斯本本4月25日橋與與英國國福斯斯公路路橋)，最后后被較較多地地引用用于日日本的的本四四連絡絡線的的各橋橋(因島、、大鳴鳴門、、南北北備贊贊以及及明石石海峽峽等橋橋)。（2）剛構式式橋塔外外觀簡簡潔，，它既既能適適用于于混凝凝土橋橋塔(如恒伯伯爾橋橋、坦坦爾維維爾橋橋)，又能能適應應于鋼鋼橋塔塔(如塞文文橋、、下津津井橋橋以及及博斯斯普魯魯斯海海峽一一橋與與二橋橋)。15座已建建成的的千米米以上上大跨跨，除除1990m的明石石海峽峽大橋橋外，，其余余如大大貝爾爾特(1624m)橋，恒恒伯爾爾(1410m)橋，青青馬大大橋(1377m)，江陰陰長江江大橋橋(1385m)，瑞典典的高高海岸岸橋(1210m)等后期期修建建的，，全部部采用用混凝凝土剛剛構形形式。。因此此，混混凝土土剛構構式橋橋塔一一般應應被認認為時時最佳佳選擇擇。（3）混合式式桁架式式剛構式式混合式式三、材料分分類圬工橋橋塔、、鋼筋筋混凝凝土橋橋塔和和鋼橋橋塔。。1）圬工橋橋塔由由條石石或混混凝土土做成成，石料抗拉強強度太太低，，在跨跨徑較較大的的吊橋橋上已已不再再采用用石橋橋塔，，僅在在古老老的吊吊橋中中還能能看見見。混凝土土橋塔為為了保保證懸懸索在在荷載載作用用下和和溫度度變化化時產(chǎn)產(chǎn)生的的合力力偏心心不超超過核核心范范圍，，常把把塔柱柱尺寸寸設計計得較較大。。為了了節(jié)約約材料料，往往往在在兩塔塔柱中中距處處僅滿滿足車車道寬寬，人人行道道采用用外繞繞形式式，我我國所所建吊吊橋多多數(shù)采采用這這種處處理方方法。。2）鋼筋混凝土橋塔多采用框框架式2）鋼筋混凝土橋塔多采用框框架式塔柱截面形式：單室或雙室室空心矩形截截面，常見D形截面或削角角的矩形截面面特點：1、鋼筋混凝土土橋塔的塔柱柱主要是承壓壓構件，采用用混凝土是經(jīng)經(jīng)濟的。2、近年來釆用用了滑模澆注注混凝土的施施工方法，高高塔柱的施工工變得非常方方便。3、鋼筋混凝土土橋塔外形簡簡潔美觀，維維修養(yǎng)護費用用低。實例：英國恒比比爾河橋上首首次采用了了鋼筋混凝土土的橋塔，打打破了以前特特大跨徑吊橋橋的橋塔全部部采用鋼橋塔塔的慣例。3）鋼橋塔：剛構式式或桁架式、、混合式特點：桁架式橋塔塔在橫向地震震力或風荷載載作用下，塔塔頂水平變形形最小，用鋼鋼量也最小，，但考慮與景景觀協(xié)調時，，外觀不如剛剛構式橋塔簡簡潔美觀，可可根據(jù)當?shù)貤l條件選用。采采用桁架式橋橋塔為多。橋塔截面：早期：鉚接結構特點：1）鋼板和角鋼鋼聯(lián)結成多格格式的塔柱，，尺寸1～1.2m。2）截面變化由由底到頂逐步步減少外側格格室的尺寸（（取消）。近年：栓接和焊接接技術特點：帶有加勁大大鋼板組成大大格室五、鋼橋塔與混凝土橋塔比較1、60年代以前，全部鋼材材美國為代表。實例：1、30年代喬治·華盛頓橋、舊舊金山奧克蘭蘭海灣大橋、、舊金山金門門大橋，1957年麥金納克克湖口大橋1964年維拉扎諾海海峽鋼橋塔塔。2、高結構物混混凝土澆注注技術，特別別模板技術，，60年前后歐洲實例：（1）1959年，法國608m坦卡維爾橋混混凝土（2）1970年，丹麥600m小貝爾特橋混混凝土橋塔塔（3）1981年英國恒恒伯爾橋混混凝土（4）90年代中國香香港青馬大橋橋(1377m)，中國江陰長長江大橋(1385m)，瑞典高海岸岸橋(1210m)、丹麥大貝爾爾特東橋(1624m)等混凝土橋塔塔。3、日本：鋼實例：（1）南備贊大橋(1100m)、北備贊大橋橋(990m)（2）90年代第一大跨跨度(1990m)的明石海峽大大橋、來島第第一(600m)、第二(1020m)及第三(1030m)等全部采用用鋼橋塔。原因：1、是鋼材生產(chǎn)產(chǎn)大國。2、地震頻繁出出現(xiàn)的地區(qū)，，鋼結構輕于于混凝土結構構，因而在發(fā)發(fā)生地震時因因結構物自重重產(chǎn)生的慣性性力也較小，，采用鋼橋塔塔對抵抗大地地震是有效的的措施之一。。3、日本的高度度工業(yè)化，在在鋼橋塔的制制造和安裝架架設方面可以以采用優(yōu)質的的栓焊技術及及利用大型浮浮吊整體施工工，從而在一一定程度上可可加快工期與與減少勞力。。方針政策：1、懸索橋和斜斜拉橋的橋塔塔，和一般大大跨度橋梁的的上部結構而而言，也是優(yōu)優(yōu)先采用與發(fā)發(fā)展鋼結構。。2、橋梁連水中中橋墩都采用用鋼結構，如如關西新機場場連絡橋的海海中橋墩與橫橫跨東京灣道道路的海中橋橋墩等。六、懸索橋與斜拉拉橋的橋塔比較1、橋塔的高度(以橋面以上的的橋塔高度為為準)來說，懸索橋橋塔高(1／9～1／11)L，斜拉橋塔高高(1／4～1／5)L，L主孔跨度，懸懸索橋的橋塔塔高度大致僅僅為斜拉橋的的一半。2、塔架(橋塔在橋梁橫橫向的布置形形式)的形狀來說斜拉橋豐富：（1）斜單索面與與雙索面、平平面索與立體體索等。（2）簡單獨柱式式、雙柱式、、單層或多層層門式構架，，和較復雜的的H形、A形、倒V形以及倒Y形等塔架。懸索橋簡單：絕大部分為為單層或多層層門式構架，，另有一部分分在兩根塔柱柱之間具有交交叉的桁式斜斜桿，但這種種形式僅限于于鋼橋塔。3、構造上懸索橋橋簡單：懸索橋橋塔只只需考慮在塔塔頂上布置主主纜的鞍座，，而斜拉橋的的則必須考慮慮在塔柱上設設有量多且細細節(jié)復雜的斜斜拉索的錨固固構造。七、特例：倒V形及菱形橋塔塔特點：1、橋塔形狀作作成如單索面面斜拉橋中出出現(xiàn)的倒V形及菱形，2、兩座懸索橋橋的跨度均較較小，但是—種新的花色。。實例：1、日本大