超大跨度公铁悬索桥结构体系参数分析

研究目的:公铁合建悬索桥是大跨度海湾桥梁的优先选择,是经济与社会发展的需要。然而,超大跨度公铁悬索桥超出了目前的设计规范,并且还没有主跨超过2 000 m的悬索桥实例,一些关键技术有待研究。本文以某海湾双塔三跨悬索桥的可行性研究为背景,分析了主要设计参数对结构体系的影响规律,为今后的理论研究和工程设计提供参考。研究结论:(1)合理的主缆边中跨比为0.22~0.33,合理的加劲梁边中跨比为0.05~0.10;(2)加大加劲梁恒载对结构体系的竖向和横向刚度均有较大的改善,但是以增加主缆量为代价;(3)增加列车长度,有利于使主缆受力均匀,不至于加劲梁局部变形过大;(4)减小主缆矢跨比,有利于提高结构的刚度,但主缆轴力与锚碇规模相应增大,需综合考虑;(5)本文分析归纳的一般性规律,对类似超大跨度桥梁具有参考价值。     

鹅公岩轨道大桥体系转换实施方案研究

研究目的:鹅公岩轨道大桥为主跨600 m的自锚式悬索桥,在世界上首次采用斜拉-悬索体系转换的方法进行桥梁建造。在建造过程中最重要的环节就是由斜拉桥向悬索桥的体系转换过程,其总体特点是施工环节多、干扰因素复杂、控制参量交叉影响、小变形大位移的非线性特征显著等。为大幅度降低体系转换过程中的吊索张拉难度,通过对斜拉桥成桥后的主梁线形进行调整的优化分析,降低体系转换过程中主缆和主梁的高差,既保证体系转换的安全度,又大幅度优化体系转换方案。依据现场实际施工方案的逐步分解,以及现场监控桥梁各项结构反应和有限元模拟相结合进行斜拉-悬索体系转换的系统研究,以指导施工的全过程。研究结论:(1)斜拉-悬索耦合体系结构受力十分复杂,需采用实际监控数据提取分析与数值仿真模拟研究相结合的方法来研究两个独立缆吊系统的体系转换过程的力学变化情况,才可精准安排后续施工工作;(2)给出了主梁线形调整过程的斜拉索引出量和调整后的实测索力,以及包含吊索张拉实测索力的体系转换全过程;(3)本研究成果可为大跨度无支架自锚式悬索桥成桥提供参考。     

大跨度高低塔公铁平层合建斜拉桥结构体系研究

甬舟铁路富翅门公铁两用跨海大桥采用主跨388 m高低塔公铁平层挑臂式钢箱梁斜拉桥，为世界上最大跨度的高低塔公铁平层合建斜拉桥。为研究适用于大跨度高低塔公铁平层合建斜拉桥最优结构体系，结合富翅门公铁大桥结构不对称的特点，对5种不同类型半飘浮体系、塔梁约束体系进行比选研究。通过对5种约束体系在静、动力荷载作用下的桥塔弯矩、桥塔位移、主梁位移对比分析，推荐采用高塔侧设置固定支座、矮塔侧采用活动支座的约束体系，该体系抵抗纵向荷载能力强、释放体系温度变形差，与常用的半漂浮体系相比，在静、动力荷载作用下桥梁总荷载效应小，具有良好的静动力性能，其中静力作用下两桥塔塔底总弯矩降低15%,两侧梁端总位移降低51%,两塔顶位移减少29%;动力作用下两桥塔塔底总弯矩相当，两侧梁端总位移降低76%。     

3×340m公铁合建多塔斜拉桥结构体系研究

珠机城际金海特大桥主桥采用(58.5+116+3×340+116+58.5) m四塔三主跨斜拉桥,为国内首座公铁平层合建的多塔斜拉桥。金海桥塔多联长,采用何种结构体系提高结构刚度、减小温度效应及改善结构受力是结构设计的关键。为此,在总结既有多塔斜拉桥经验的基础上,比选了半漂浮体系、刚构-半漂浮体系、梁式支承体系以及首次在多塔斜拉桥应用的刚构-连续体系。通过对4种结构体系的刚度,结构受力等分析,并考虑构造要求和经济性,推荐采用刚构-连续体系,即两中间塔墩梁固结,两边塔梁固结、塔墩分离。该体系有效提高了结构整体刚度,主梁、桥塔及斜拉索受力较优,同时降低了温度效应的不利影响,车桥动力仿真分析结果表明,桥梁的振动性能良好,行车舒适性优。     

浅析大跨度悬索桥概算的编制

现代桥梁的发展 日新月异,随着桥梁 科研、设计、施工水平 的不断提高及完善, 悬索桥以其强大的跨 越能力和美观的造型 已逐步显示出较强的 竞争力。在主跨 500m以下桥梁中,悬 索桥工程造价约为同 等跨度斜拉桥的 1.10～1.15倍,通过 几座已完特大跨度悬 索桥统计,其每平方 米造价最少为1.9万 元,最高达4.6万元, 因此,对大跨度悬索 桥概算的编制应加以 研讨。     

自锚式悬索桥发展现状与施工技术创新

系统地介绍了近年来自锚式悬索桥在国内外的发展情况,从主跨跨径、加劲梁结构、主缆形式、施工工艺等方面进行了技术总结。以世界首座主跨600 m且承载双线城市轨道交通的自锚式悬索桥——重庆鹅公岩轨道专用桥为实例,总结了该桥的设计和施工特点,并重点介绍了该桥采用斜拉法建造的施工工艺和技术,为跨越航运繁忙河道的自锚式悬索桥建设提供参考。     

公铁两用三索面斜拉桥结构受力分析

三索面三主桁斜拉桥主跨跨度630 m,为公铁两用斜拉桥结构。钢桁梁采用N字形桁架,桥塔为菱形加倒Y形混凝土结构,塔高为225 m。为研究该桥结构的受力,建立该桥密横梁有限元模型,进行合理成桥状态模拟计算,分析各个工况下结构的内力和变形。结果表明:斜拉索最大应力为724 MPa,主桁竖向最大挠度为112.3 cm,梁端转角为1.98×10-3rad,主桁横向最大位移为4.8 cm。该桥在应力、稳定和刚度方面均满足规范要求。     

超大跨径CFRP主缆悬索桥合理结构体系研究

采用非线性有限元软件BNLAS进行超大跨径CFRP主缆悬索桥与超大跨径钢主缆悬索桥的静动力特性对比分析,从加劲梁约束体系、主缆安全系数、主缆矢跨比、主缆弹性模量4个方面进行超大跨径CFRP主缆悬索桥合理结构体系研究。结果表明:采用CFRP做超大跨径悬索桥主缆可大幅提高主缆应力中活载应力百分比和自振频率,但活载挠度大幅增加;随着跨径增大,加劲梁约束体系对超大跨径悬索桥的动力特性影响减小,3跨连续漂浮体系作为超大跨径CFRP主缆悬索桥加劲梁的约束体系较优;增大主缆安全系数可提高结构的竖向刚度、竖弯基频和扭转基频,但对横向刚度和横弯基频基本无影响;减小矢跨比可提高结构的竖向和横向刚度以及竖弯基频和横弯基频,但会降低扭转基频;增大CFRP主缆的弹性模量可大幅减小活载竖向挠度,提高竖弯基频和扭转基频,但对横向刚度、横弯基频以及主缆线形和应力基本无影响。     

悬索桥吊索张拉及索鞍顶推降温法数值分析

研究目的:当大跨度自锚式悬索桥跨越通航流域不能采用常规支架法施工主跨钢箱梁时,首次应用"先斜拉,后悬索"的总体施工方案,该方案中最重要的过程就是斜拉桥向悬索桥的结构体系转换。针对体系转换中吊索张拉及主索鞍顶推在数值模拟中的实现,本文应用与无应力状态控制法相通的降温法进行分析。以该方法为指导,分析模拟建成后是世界上最大跨度600 m的鹅公岩自锚式悬索桥的体系转换全过程,阐述基于ANSYS的斜拉-悬索两个缆索支撑系统耦合模型中各个关键构件的单元选取及其参数确定的方法和技巧。研究结论:通过数值模拟计算得到体系转换过程中关键构件在整个过程中的变化规律,获得结论如下:(1)利用无应力索长可以将两种独立的斜拉-悬索缆索支撑系统实现耦合模型进行体系转换研究;(2)降温法是将吊索的建模长度降温至其无应力索长来模拟吊索张拉的过程,也可以模拟将主索鞍的预偏量分步降温至接近于零而实现主索鞍的顶推;(3)本文所研究降温法适用于计算大跨径自锚式悬索桥中体系转换过程中吊索张拉和主索鞍顶推分析。     

重载铁路部分斜拉桥结构参数分析

以蒙华重载铁路主跨248 m部分斜拉桥为例,采用有限元分析理论,分析在该跨度范围内部分斜拉桥应用于重载铁路的适应性及特殊性。对该桥结构体系、主梁梁高、预应力次内力、桥塔刚度、桥塔高度及索塔梁刚度匹配等结构参数进行比选研究,确定合理布置形式。结果表明:(1)该重载铁路部分斜拉桥采用塔梁固结、墩梁分离体系,主墩支座采用双1 90 000 kN超大吨位球形钢支座;(2)主梁中支点—跨中梁高采用13 m-6 m组合为优;(3)短预应力钢束时弯矩近似矩形分布于预应力钢束布置区域,次内力较小;长预应力钢束次内力弯矩近似呈三角形分布,次内力影响明显;(4)桥塔尺寸主要由索鞍等构造及桥塔本身受力控制,其刚度对结构整体受力及刚度影响均较小;(5)为提高跨中截面等控制性区域结构受力性能,桥塔采用高塔型体系,高跨比1/4.35;(6)结构整体刚度主要由主梁提供约占67%,主塔及拉索对整体刚度贡献值为33%,主塔及拉索对刚度影响因素主要为桥塔高度。     

大跨度铁路悬索桥结构刚度敏感性研究

桥梁刚度参数的确定在大跨度桥梁总体设计中非常重要,结合某大跨度铁路专用悬索桥方案,从结构动力特性、车辆走行性和风致抖振响应3个方面,分析梁、塔、索等构件刚度对桥梁性能的影响,并对大跨度铁路悬索桥刚度评价指标进行研究,结果表明:桁宽的增大能够较显著地增大桥梁横弯基频,桁宽过小时桥梁会产生横向周期性振动,宽跨比限值建议取为1/20~1/35;随着桁高减小,车辆竖向加速度显著增加,高跨比限值建议取为1/70~1/100;主缆刚度增大会使桥梁扭转和竖向基频明显提高;桥塔刚度及恒载的影响有限。     

独塔对称自锚式悬索桥简化解析解研究

自锚式悬索桥在初步设计阶段,需频繁修改设计和变更计算参数,工作量大,迫切需要一种快速求解的方法,使设计人员迅速了解桥梁受力状态及其随参数变化的情况。为此,根据独塔对称自锚式悬索桥的受力特点,基于最小势能原理,提出一种求解内力和变形的简化解析方法。将自锚式悬索桥分离为加劲梁体系和主缆体系,分别计算恒载和活载作用下的吊索力。根据加劲梁梁端与主缆锚固点在顺桥向变形协调条件,求出活载作用下主缆水平分力,由此推导出独塔对称自锚式悬索桥内力和变形的简化解析解。并以主跨(150+150) m九乔路自锚式悬索桥为算例,分别采用本文方法和有限元法进行对比计算分析。研究结果表明：2种方法的计算结果吻合较好,且分布规律基本一致,竖向挠度和索力的计算值2种方法相差在15%以内。本文提出的简化方法可为独塔对称自锚式悬索桥的初步设计及其优化提供参考。     

大跨度桥梁的造型设计

从桥梁美学和桥梁技术发展的角度，对近百年来以斜拉桥和悬索桥为代表的世界大跨度桥梁建设的成就与问题进行了系统的分析和总结，从桥梁设计的角度，探讨了桥梁美学与结构工程学之间的相互关系。通过对大量实例成得失的分析与研究，初步归纳出大距度桥梁造型设计应遵循的若干基本原则，主要针对用于距海工程的持大跨度桥梁，结合作者的研究成果，简要介绍了有关单主缆协作协桥梁体系，双主缆协作桥梁体系，三主缆协作桥梁体系，孪生型作桥梁体系等新的桥梁布局和桥梁造型的初步构想。     

高速铁路大跨度混凝土斜拉桥设计研究

为研究混凝土斜拉桥在高速铁路上的适应性,以主跨260 m高速铁路双塔混凝土斜拉桥为例,根据功能需要和场地条件进行桥梁结构设计,然后通过建立空间三维有限元模型,综合采用最小弯曲能量法和影响矩阵法确定斜拉桥的合理成桥状态。在合理成桥状态下,斜拉索索力均匀,桥梁整体处于桥塔预偏、中跨预拱状态。最后,分析混凝土加劲梁的竖向、横向刚度以及桥塔变形,研究温度作用和混凝土收缩徐变效应对行车安全性和舒适性的影响,并对混凝土加劲梁、桥塔以及斜拉索的强度进行验算。分析结果表明,大跨度混凝土斜拉桥各受力构件的强度和刚度均满足高速铁路行车要求。     

考虑风屏障影响的大跨度铁路悬索桥横向挠跨比限值研究

为研究风屏障对大跨度铁路悬索桥横向刚度的影响,以某主跨1 060 m的铁路悬索桥为例,采用风洞试验测试车桥系统气动特性,通过改变加劲梁横向截面惯性矩实现不同的横向刚度,采用风-车-桥耦合振动分析方法,研究大跨度铁路悬索桥的横向挠跨比限值,讨论风屏障高度、车速及桥梁跨度的影响,在考虑激励随机性影响的基础上按规范加载条件得到桥梁横向挠跨比限值。结果表明：车速越高,桥梁跨径越小,横向挠跨比限值越严格;在不同跨度和车速条件下,风屏障均可提高横向挠跨比限值,其中设置3.5 m高度风屏障时,横向挠跨比限值可提升约9%,且当车速为200 km/h时,横向挠跨比限值可取为1/1 200。     

承台高程提高对大跨度公铁两用斜拉桥的影响分析

海域环境下,承台高程是桥梁设计和施工中的关键技术指标之一,对结构整体静动力特性、施工组织和技术经济性等均存在影响。以平潭海峡公铁两用大桥元洪航道桥主跨532 m斜拉桥的N03号主墩为例,研究桥墩承台顶高程从-16.5 m提高至+5.0 m对大跨度公铁两用斜拉桥的影响。结果表明:承台高程提高后,各设计荷载作用下的塔底内力发生较大变化,而塔顶位移、主梁内力和位移变化较小;桩基自由长度增大,全桥纵向刚度出现一定程度降低且某些振型出现的顺序发生了变化。跨海桥梁下部结构设计时应综合考虑结构受力合理性、施工方案可实施性及经济性等因素。     

金海公铁两用斜拉桥方案设计

研究目的:本文以金海特大桥跨磨刀门水道主跨480 m公铁两用斜拉桥方案设计为背景,针对大跨度公铁两用混合梁斜拉桥设计所应考虑的各项因素,建立不同形式的主桥空间有限元模型,目的是对比不同跨度辅助墩、不同塔高以及主梁类型对该结构力学性能的影响,从而确定合理的结构布置形式。研究结论:(1)主跨480 m斜拉桥采用公铁同层建造,具有结构合理,分建过渡时灵活方便,结构刚度大,车桥动力性能好,抗风、抗震性能好等优势,能够按照规范满足各种设计荷载组合下的结构强度、刚度等要求;(2)边跨必须设置辅助墩,以提高结构刚度,减少索、梁疲劳,而边跨布墩的多少、辅助墩之间的间距大小将取决于边跨的施工方案及整体结构的造价;(3)分离式扁平钢箱梁截面的扭转刚度较大,抗风稳定性好,经风车桥耦合振动分析,主梁结构能够提供较高的舒适性和安全性;(4)本研究成果对今后公铁合建斜拉桥结构选型工作具有一定的指导意义。     

千米级主跨公铁两用桥上特殊梁-轨相互作用关系研究

为研究复杂环境下因千米级主跨公铁两用桥梁结构特殊性引起的梁-轨相互作用问题，建立可考虑桥塔及索缆影响的无缝线路-悬索桥空间耦合模型，分析了公路车辆、横向风、主梁温差作用下的梁-轨相互作用变化规律。研究结果表明：对于千米级主跨公铁两用桥上无缝线路，公路车辆及横向风荷载虽然对线路的平顺性影响较小，但对钢轨纵向附加力及梁-轨相对位移的影响不容忽视；梁体整体降温15℃计算出的伸缩力比考虑板桁温差效应的结果偏大54.5%;上、下游主桁温差导致线路全线存在梁-轨相对位移，是千米级主跨桥上无缝线路不存在传统意义上的“固定区”的重要原因之一。因此，在千米级主跨公铁两用桥上无缝线路设计及运维过程中，建议考虑上述特殊梁-轨相互作用带来的影响。     

结构参数对钢-混组合桥塔自锚式悬索桥静力性能的影响研究

为了解钢-混组合桥塔自锚式悬索桥的静力特性,根据挠度理论,利用三维有限元软件Midas进行空间分析,对模型中主缆矢跨比、主缆抗拉刚度、加劲梁的横竖向抗弯刚度以及主塔纵向抗弯刚度参数进行横向对比。分析结果显示随着参数值的递增,结构位移在减小,而主缆的水平拉力和加劲梁的弯矩却呈现不同变化趋势,自锚式悬索桥的整体静力特性对主缆矢跨比、主缆的抗拉刚度以及加劲梁的竖向抗弯刚度的变化很敏感,而基本不受加劲梁的轴向刚度和主塔纵向刚度的变化的影响。     

宜宾临港长江大桥总体设计

研究目的:宜宾临港长江大桥位于宜宾市临港区瞌睡坝附近,是新建川南城际铁路、渝昆高铁、宜宾市规划市政道路的共用过江通道。为节约通道资源、减小拆迁和用地,大桥采用公铁平层布置斜拉桥。本文就宜宾临港长江桥桥位、梁型、设计、施工等方面开展研究。研究结论:(1)跨河桥梁的桥位和跨度受河道、通航、行洪、鱼保等方面因素影响综合确定;(2)在满足功能要求、技术标准的前提下,公铁合建桥梁的结构形式应从技术、经济指标、施工、景观、引道疏解等方面综合比选;(3)公铁合建桥梁各线间,线路与公路的相对位置,以及公铁行车的相互影响是设计应重点关注点;(4)施工方案应结合地形、运输条件、桥梁方案综合确定;(5)本研究成果可应用于铁路大跨斜拉桥及公铁同层桥梁设计。