四跨悬索桥的结构特征及其可应用性

对一座两主跨跨长为2 000 m的四跨悬索桥的变形特征进行了研究。通常,四跨悬索桥的变形性状受到中间桥塔刚度的巨大影响。本文着重研究了加劲梁的弯曲和扭转刚度、垂跨比和恒载的特性。本研究的结果澄清了与三跨悬索桥相比较,四跨悬索桥加劲梁在活载作用下的较低刚度是因为主跨主缆的弹性刚度系数只有边跨的1/6造成的。然而,这个趋势是稳定的并且能得到加强中间桥塔刚度的帮助,用加强中塔弯曲系数的方法来使加劲梁的活载挠度能够减到主跨长度的1/200以下是有用的和经济的。而且,对于主跨为1 000 m的情况,设挠度比相同,2 000 m跨度的较低的中塔刚度也是足够的,主缆的三维垂度几何外形对于限制加劲梁的扭转变形是有效的,这对于中塔受扭引起的四跨悬索桥加劲梁的扭转变形是特别重要的。     

桥塔约束刚度对单跨双缆悬索桥受力特性的影响

双缆悬索桥以其独特的受力特性在多塔多跨悬索桥设计中具有受力有利的优势,为了更好地了解双缆悬索桥的受力特性,在桥塔塔顶约束的基础上,分析了桥塔塔顶无约束情况下单跨双缆悬索桥的受力特性,推导出了桥塔塔顶无约束时下上吊索内力比值的理论计算公式。研究表明:在探究活载作用下单跨双缆悬索桥的受力特性时,桥塔的约束刚度不能视为无穷大,即要考虑桥塔的约束刚度。随着桥塔约束刚度的增加,下上吊索内力的比值会慢慢减小,即下缆承受的内力会慢慢减小,而上缆承受的内力会慢慢增大。通过得到推导桥塔约束刚度的计算公式,计算结果表明对于单跨双缆悬索桥来说,当其他材料和构件参数以及锚碇与桥塔顶点的高差确定时,桥塔的约束刚度随着边缆与水平线的倾角增大表现为先增大后减小的趋势。     

三塔悬索桥适应性及主缆抗滑移技术探讨

以泰州长江公路大桥等3座悬索桥为背景,分析三塔悬索桥的适应性,并对该桥式的中塔选型、主缆与鞍槽间的抗滑移安全系数及整体刚度的取值进行研究。研究表明:三塔悬索桥得以实施的技术突破关键是中塔采用合理的纵向抗弯刚度;主缆与鞍槽间的摩擦系数取0.20较为合适,建议主缆与鞍槽之间的抗滑移安全系数不小于1.65;泰州长江公路大桥在不计冲击力的汽车荷载作用下,加劲梁最大竖向挠度为4.337 m(向下),挠跨比为1/249,取用该挠跨比是对悬索桥整体刚度的尝试与实践;该桥主缆与鞍槽间摩擦系数若取用0.2,可进一步提高桥梁的总体刚度。     

多跨悬索桥中塔纵向刚度研究

为了研究多跨悬索桥中塔纵桥向刚度,将主缆对桥塔的约束等效为弹簧,选定主缆及加劲梁的位移模式,通过虚功原理推导了主缆对中塔纵向弹簧约束刚度的表达式,建立有限元模型对公式进行验证,并与已有公式进行了对比。研究结果表明：弹簧刚度仅与主缆垂跨比及单位长度桥重有关,且与单位长度桥重呈线性关系,而受垂跨比影响较大;垂跨比减小时,主缆弹簧刚度迅速增大;推导得出的公式精度高,可以为初步设计阶段各参数的合理取值提供理论依据。     

减小三塔悬索桥中塔顶主缆不平衡力的设计思路

针对大跨度三塔悬索桥在不利工况下中塔两侧主缆不平衡力较大的问题,以泰州长江大桥、马鞍山长江大桥、武汉鹦鹉洲长江大桥3座大跨度公路三塔悬索桥为例,分析该问题的解决思路。经分析,对于大跨度三塔悬索桥,中塔采用钢塔或钢-混凝土叠合塔;加劲梁在中塔处设置纵向约束;鞍槽内主缆抗滑安全系数K在1.5~2之间取值(实际K≥1.2已足够安全)的设计思路对减小该类桥梁中塔顶主缆不平衡力有利。另外,建议对极端加载工况(一个主跨满布活载、另一个主跨空载)的活载进行额外的合理折减;不连续主缆的设计也是可以考虑的思路。     

结构参数对三塔悬索桥空气动力稳定性的影响分析

以在建主跨为1080m的三塔双跨悬索桥--泰州长江公路大桥为工程背景,采用三维非线性空气动力稳定性分析方法,分析主缆矢跨比、加劲梁恒载集度、加劲梁支承方式、中塔型式、缆索体系等结构参数对三塔悬索桥空气动力稳定性的影响,并探讨了具有良好抗风稳定性的三塔悬索桥的结构布置形式.结果表明:三塔悬索桥主缆的矢跨比在1/10～1/11范围内,主梁跨中设置刚性中央扣,增强中间桥塔的纵桥向刚度以及采用空间缆索体系或平面双缆体系时,可以获得较好的空气动力稳定性.     

三塔双层悬索桥中塔结构选型研究

中间桥塔结构选型是多塔悬索桥设计的关键技术问题,以世界首座三塔双层悬索桥——温州瓯江北口大桥为依托工程,分别对采用A形混凝土中塔、I形钢-混组合中塔及人字形钢结构中塔时的中塔偏位、主跨挠度、主缆抗滑安全性及经济性等关键控制指标进行了综合研究。研究表明,在主缆与鞍座间的名义摩擦系数取为0.2时,I形钢-混组合中塔及人字形全钢中塔可满足中塔结构受力和主缆抗滑移安全系数达到2.0的要求;在主缆与鞍座间的名义摩擦系数取为0.3时,A形混凝土中塔可满足中塔结构受力和主缆抗滑移安全系数达到2.0的要求,并具有明显的经济性。     

A形混凝土中塔多塔悬索桥设计与拓展应用研究

为提升悬索桥的连续跨越能力,以瓯江北口大桥为背景,结合长江上已建成的3座三塔悬索桥,对三塔悬索桥的设计理念、设计要点、适用性等进行研究。在此基础上,对采用A形混凝土中塔的不同跨数和不同主跨跨度的多塔连跨悬索桥方案进行受力分析和拓展应用。研究发现:三塔悬索桥的性能关键在于中塔,中塔的刚度对桥梁整体刚度起决定性作用;采用增设全竖隔板的新型中主索鞍,主缆钢丝与鞍槽间名义摩擦系数可达到0.3;采用A形混凝土中塔的三塔悬索桥大幅提高了结构整体刚度和抗风稳定性能;A形混凝土中塔应用于多塔连跨悬索桥时,其主要力学指标变化幅度有限,影响主缆滑移的显著因素是恒载与活载的比率。     

基于逆可靠度法的三塔悬索桥主缆与中塔鞍座抗滑安全系数研究

为合理评估三塔悬索桥主缆与中塔鞍座抗滑安全系数,提出了一种基于逆可靠度法的主缆与中塔鞍座抗滑安全系数计算方法。在考虑结构参数变异性前提下,通过一次逆可靠度方法将目标可靠指标和抗滑安全系数联系起来,进而评估结构的安全性。运用所提方法评估了某算例的抗滑安全系数,并进行了参数分析。计算结果表明:抗滑安全系数随着目标可靠指标的增大而减小;参数随机性对抗滑安全系数影响较大,忽略参数随机性求得抗滑安全系数偏大;摩擦系数、结构恒载、均布活载对抗滑安全系数影响较大,而抗滑安全系数对主缆弹性模量和主缆面积不敏感。     

湖北燕矶长江大桥体系构思与总体设计

湖北燕矶长江大桥集高速公路与城市道路功能为一体,该桥采用单孔跨越通航水域和断裂带的主跨1 860 m双层桥面钢桁梁悬索桥方案。大桥邻近机场,航空限高导致桥塔高度受限、主缆垂跨比偏小、主缆规模偏大。为解决上述问题,提出一种新的不同垂度四主缆悬索桥结构体系,该体系主要特征为：4根主缆横向对称分两侧布置,同侧2根主缆采用不同垂度,加劲梁间隔交错悬吊于2组不同垂度的主缆上,不同垂度主缆按纵向前、后错开锚固于地锚。该体系降低了单根主缆规模,抗风稳定性较好,位于外侧的下主缆的跨中段可降低到桥面之下以增大垂度,较好地解决了桥塔高度受限的建设难题。基于该体系,大桥上主缆跨度布置为(550+1 860+450) m,跨中垂度142.445 m;下主缆跨度布置为(510+1 860+410) m,跨中垂度153.345 m。大桥缆索采用镀锌-铝合金镀层高强钢丝,加劲梁主桁采用华伦式桁架,锚碇采用可换式预应力锚固系统,桥塔采用门楼造型,基础采用钻孔桩。     

温州瓯江北口大桥主桥设计关键技术

温州瓯江北口大桥主桥为主跨2×800m的三塔双层桥面钢桁梁悬索桥,上层通行6车道高速公路,下层通行6车道一级公路。针对该桥多塔、大跨、双层桥面的特点,对其支承体系、加劲梁、中塔及其基础设计关键技术进行研究。基于结构受力合理性以及运营安全等因素,该桥支承体系采用纵向在加劲梁梁端设置阻尼器;竖向在桥塔及边墩处设置竖向支座,并对桥塔处进行压重;横向在加劲梁与塔柱间设置抗风支座。综合考虑运输及安装、抗风稳定性、使用功能及经济性等因素,加劲梁采用正交异性钢桥面板与主桁结合的整体式钢桁梁,全桥4跨连续。为节省造价、降低后期维养工作量,中塔采用纵向A形钢筋混凝土结构,在中塔主缆鞍槽中设置多道竖向隔板,以提高主缆钢丝与鞍槽间的摩擦力,保证主缆抗滑移安全。为提高结构刚度、降低造价,中塔基础采用防撞能力强的大型沉井基础。     

三塔悬索桥中塔设计方法研究

为提高三塔悬索桥中塔设计效率,提出基于中塔纵向刚度区间进行中塔设计的方法。该方法在总体计算模型中将中塔等效为一根弹簧,根据全桥竖向刚度和主缆抗滑要求试算纵向刚度,得到中塔纵向刚度区间;从中选择合理的初始值进行中塔设计;将中塔代入全桥计算模型进行迭代计算,调整中塔材料和几何参数直至各项指标均满足规范要求。利用已建成的4座公路三塔悬索桥对该方法的准确性进行验证,同时构建公铁两用三塔悬索桥算例,应用该方法进行中塔设计。结果表明：3座公路三塔悬索桥中塔实际纵向刚度均在本文确定的纵向刚度区间内,且取实际中塔纵向刚度时,等效模型与实际全桥模型计算的活载挠度、主缆抗滑安全系数最大差异为8.1%;公铁两用三塔悬索桥算例的中塔纵向刚度设计终值与纵向刚度初始值的差异为13.9%,与常规桥塔设计方法相比迭代次数减少,设计效率提高。     

采用塔锚式架设法施工自锚式悬索桥可行性研究

针对自锚式悬索桥“先梁后缆”法施工影响交通和环境的问题，提出塔锚式架设法。该方法借助边跨加劲梁延长主缆力的传递路径，通过塔梁临时锚固装置将主缆水平力由边跨加劲梁临时传递至桥塔，实现中跨加劲梁的“先缆后梁”架设。为研究塔锚式架设法的可行性及桥塔的复杂受力行为，以某双塔三跨自锚式悬索桥为背景，采用MIDAS Civil软件建立全桥模型，同时建立桥塔ANSYS实体模型和桩基与桩周土体FLAC 3D有限差分模型，分析桥塔压弯耦合失效、塔柱变形失效、桥塔基础推移失效3种桥塔失效模式，并分析垂跨比、加劲梁自重、边中跨比、桥塔墩高对桥塔压弯耦合失效模式的影响。结果表明：在中跨加劲梁吊装过程中，桥塔关键截面内力均在允许承载能力范围内，3种失效模式下各项指标均满足规范要求，说明塔锚式架设法可行。桥塔压弯耦合失效模式下，随垂跨比的减小、加劲梁自重的增加，桥塔塔底截面和塔梁连接处截面内力轨迹均呈现增大趋势；随桥塔墩高的增加，桥塔塔底截面内力明显增大，而塔梁连接处截面内力几乎没有变化；边中跨比对桥塔关键截面的内力轨迹影响程度有限，可以忽略。建议塔锚式架设法主要应用于加劲梁自重较小(如钢箱梁、钢-混组合梁等)、...     

抗弯刚度对主缆线形的影响

随着悬索桥跨径的不断增加,主缆截面也越来越大,主缆的抗弯刚度对主缆的线形将产生一定的影响,通过建立考虑抗弯刚度的主缆线形计算公式,提出主缆与鞍座切点的修正方法。建立不同边界条件和有、无鞍座的主缆有限元计算模型,分析抗弯刚度对主缆线形的影响。结果表明:抗弯刚度对主缆的线形影响较大;抗弯刚度越大,主缆与鞍座的切点越靠近鞍座顶部;当跨中垂度不变时,随着抗弯刚度的增大,抗弯刚度对主缆线形影响的最大位置由鞍座处向跨中移动;当垂度变化时,随着主缆水平张力的增大,抗弯刚度对主缆线形影响的最大位置由跨中向鞍座处移动;考虑鞍座时会减小抗弯刚度对主缆线形的影响。     

三塔悬索桥适应性及结构参数分析

针对建筑高度限制的要求,采用非线性分析软件BNLAS,分析了三塔悬索桥的适应性,讨论了支承体系、中塔刚度及形式,以及主缆矢跨比等主要参数对结构整体刚度、中塔主缆抗滑移和中塔强度的影响,并研究了中塔刚度的优化设计。分析表明,塔高限制条件下,三塔悬索桥具有较好的适应性;支承体系、中塔刚度及形式对三塔悬索桥的力学行为影响较大;塔高限制条件下,宜采用较大的矢跨比;依据相关分析,可确定中塔刚度的最优值。     

韩国新千禧大桥设计

韩国新千禧大桥为全长1750 m的三塔两跨悬索桥,两主跨各长650 m,两边跨各长225 m.设计中通过参数研究确定合适的中塔刚度,解决主梁挠跨比过大及中塔主鞍座的抗滑移稳定性不足的特殊结构问题.加劲梁采用气动稳定性良好的五角形断面,风洞试验结果表明,大桥的颤振和涡振稳定性能均较好.主缆采用强度达1960 MPa的高强钢丝,使自重降低6％,同时减小了横向风阻力.加劲梁采用高强钢材HSB500,减小了自重.与单主跨悬索桥相比,新千禧大桥的主缆材料重量和锚碇尺寸都有所降低,经济性较好.     

大跨度悬索桥合理抗震结构体系研究

为探索大跨度悬索桥的合理抗震结构体系,以主跨1 490m的润扬长江公路大桥为背景,采用多振型地震反应谱分析方法,分析了桥跨布置、主缆矢跨比、边主跨比、加劲梁高度、中央扣设置以及加劲梁支承方式等主要结构设计参数对大跨度悬索桥地震反应的影响。研究结果表明:三跨悬吊连续布置是大跨度悬索桥理想的抗震结构布置形式;采用大的主缆矢跨比可以明显改善结构抗震性能,主缆矢跨比以1/10较合理;短边跨布置可以显著增强悬索桥的抗震性能;增大加劲梁高度不利于悬索桥的抗震性能;跨中位置缆梁间设置刚性中央扣有利于增加结构刚度及其抗震性能;加劲梁采用三跨连续支承方式时结构抗震性能最优。     

泰州大桥三塔两跨悬索桥关键技术

泰州大桥三塔两跨悬索桥采用人字型钢中间塔匹配连续+弹性索支撑体系,为控制活载引起的桥面纵坡变化,即保证桥梁竖向刚度,对中间塔刚度范围、主缆和中间塔鞍座抗滑安全系数加以规定.基于交通调查建立了车辆的车重谱模型用于中间塔疲劳计算.在多塔悬索桥制造与安装关键技术方面,利用GPS RTK信息化监控系统动态监测与控制中塔深水沉井基础定位、下沉施工.为了保证钢中间塔安装精度,涉及钢塔节段制造及线形控制技术、钢塔节段吊装技术两方面,建立了中间塔制造、安装全过程累积误差管理系统,并将钢塔高强度厚板焊接及焊接变形控制、钢塔柱节段水平预拼装、塔柱大节段吊装精度控制等工艺技术纳入管理系统.     

混凝土连续梁与悬索组合桥结构体系力学性能分析

为了解混凝土连续梁与悬索组合桥结构体系的受力特性,建立(70+185+70) m混凝土连续梁与悬索组合桥全桥空间有限元模型,计算其结构内力,分析垂跨比、边中跨比、主梁抗弯刚度对该组合结构力学性能的影响,并与同等跨径自锚式悬索桥进行对比。结果表明:混凝土连续梁与悬索组合桥主缆拉力和跨中挠度均小于同等跨径自锚式悬索桥,与同等跨径自锚式悬索桥相比,活载作用下组合结构主缆拉力小76.04%,跨中挠度小66.32%;组合结构前10阶自振频率均大于自锚式悬索桥,1阶自振频率约为自锚式悬索桥的3倍;组合结构的竖向刚度随垂跨比和主梁抗弯刚度的增大而增大,随边中跨比的增大而减小,与自锚式悬索桥变化规律基本一致。     

大跨窄梁悬索桥结构体系对静动力刚度的影响研究

大跨度窄梁悬索桥,结构轻柔、整体刚度低,抗风问题突出。结构静动力刚度是大跨度桥梁抗风的基础参数。该文以一座大跨窄梁悬索桥为工程背景,基于空间缆索分段悬链线理论和桥梁三维有限元模型,多工况系统对比分析加劲梁刚度、主缆垂跨比、主缆间距和吊点宽度等参数对静动力刚度的影响。研究发现：加劲梁刚度对大桥的整体刚度贡献较大,与结构的静动力刚度呈正相关,尤其对结构的竖向和扭转静动力刚度影响明显;主缆垂跨比对大桥扭转静动力刚度影响较大;主缆间距和吊点宽度对大桥的静动力特性影响有限。