大跨桥梁的极限

大跨桥梁的极限

土木工程概论结课论文

第二十五组成员：43A13232宗垚，08013330武文，10013321赵涛

大跨桥梁的极限

关键词：大跨桥梁，悬索桥，斜拉桥，极限跨度

摘要：研究目的：了解大跨桥梁的形式，探究大跨桥梁的极限，掌握一定的小组论文研究方法。

研究方法:文献法，调查法

研究结果和结论：资料表明悬索桥和斜拉桥是大跨桥梁的主要形式，原因是他们带索的结构有助于实现更大的跨度。斜拉桥的形式比较灵活，有助于在相对较短的距离内实现跨越。但悬索桥毫无疑问是大跨桥梁及超大跨桥梁的主要形式。初步得到了大跨桥梁的极限和其原因，但由于数据缺乏，实际数值无法得到。

正文：一、悬索桥与斜拉桥

一）悬索桥

概述：悬索桥组成：悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系。

承重结构：缆索、塔、锚碇。

特点：跨越能力大（目前跨径超过1200m的唯一桥型）

缺点：刚度小，荷载下易产生较大的挠度和振动。

四个发展阶段：第一代悬索桥：承重结构与使用结构合二为一。例：热带原始人使用藤、竹、树茎等制作简易的小跨径桥。公元前三世纪的中国四川曾出现“竹索桥”。公元前50年四川出现铁索制成的悬索桥。

第二代悬索桥：开始使用吊杆将桥面与主索分开。

第三代悬索桥：形成了美式悬索桥体系。主缆采用纺丝法，加劲梁采用桁架梁，桥塔以钢塔为主。例：美国金门大桥。

第四代悬索桥：以流线型扁平钢箱梁为主要特征。

从悬索桥的发展阶段来看，结构设计理论和材料的进步是影响悬索桥跨径的主要因素。

结构类型：从结构类型上看，柔式悬索桥适用于跨度不打的空间（活载与恒载比值不大）。后来出现的单跨悬吊（仅主跨悬吊，并在主跨上设加劲梁

如有边跨，则边跨独立（简支于桥塔））使得桥本身的稳定性增加，从而让跨径的延伸得以实现。三跨悬吊简支体系与三跨悬吊连续体系则是在加劲梁的类型上不同：前者为简支梁，后者为连续梁（连续箱型梁的截面能适应各种使用条件。特别适用于预应力混凝土连续梁桥，故得以广泛使用）。自锚式悬索桥与组合体系中的系杆拱相似，其最大的特点是悬索水平拉力不传给锚碇而传给加劲梁，以满足某些地质条件特殊的需要。（日本此花大桥、韩国永宗

悬索桥）除了柔式悬索桥外的其余结构类型中加劲梁采用不同的悬吊方式，不同悬吊结构体系也就具有不同的结构力学特性。

悬索桥跨度大的原因：长期以来，特大跨度桥梁一直是悬索桥的固有领地，其主要原因如下：主梁基本不受轴向力，主梁的受力与跨度没有必然联系；

主塔纵向受到主缆强劲约束，稳定问题不突出，高度的选择范围大；

锚碇可以设计成重力式锚碇结构；

由高强度钢丝编织而成的主缆是受拉结构，没有受压失稳的问题；主缆全长范围内没有截面削弱；

吊索是竖直拉索，没有弹性模量折减问题，风振问题不突出。

从结构受力的角度上看：（1）悬索桥主要靠主缆承受荷载，并通过主缆将拉力传给锚固体系。（2）加劲梁仅起到局部受荷载、传递荷载的作用。（3）采用地锚时，加劲梁不受轴向力的作用，有加劲梁自重引起的恒载内力小。（4）悬索桥只有通过调整垂跨比才能改变主缆的恒载内力。

材料方面：加劲梁多采用自重较轻的钢材。

刚度方面：竖向刚度较小，且基本由主缆提供；调整其竖向刚度的方法主要靠调整主缆的恒载拉力。

施工方面：施工顺序是锚碇、桥塔、主缆、吊索、加劲梁，施工需要的机械、技术和工艺相对较简单；结构的线形主要取决于主缆线型和吊杆长度，因而施工控制相对比较简单。

跨径的突破——多主跨悬索桥的技术挑战

优势：与一跨越过通航水域的双塔悬索桥相比，三塔悬索桥滾粗规模尖笑很多。由于主缆跨径减小一半，主缆、锚碇、边主塔的负载按比例减小，又因为悬吊跨减小，主梁无需为抗风颤振稳定性加大截面，因而具有良好的经济性。

传力途径：独塔或双塔悬索桥的主缆直接固定在锚碇上，锚碇将荷载传递给基础，因此刚度很大。多塔悬索桥的主缆则必须经过2个（或以上）主跨，跨越3个桥塔后才能锚固在锚碇上，刚度要小的多。

早期研究：（1）采用刚性桥垮。例：日本小鸣门桥：让主缆在中塔塔顶断开锚固，中塔处由活载产生的主缆拉力全部由中塔分担，并作用于跨顶。（2）采用辅助缆索体系增加结构的刚度。例：法国早期多塔悬索桥：Chateauneuf：通过设置塔顶水平拉索改善中间主塔的受力，保障中间桥垮的竖向刚度，适合于跨度相对不高的多塔悬索桥。

国内的多塔悬索桥实例：

1、泰州长江大桥（4）华新、周彦锋等，《太丑长江大桥三塔悬索桥钢中塔设计》，《公路》跨越长江的主桥采用三塔两跨悬索桥型，每跨跨径均为1080m。中塔采用水中沉井基础，尺寸长约58m，宽44m。为避免塔顶在极端情况下产生位移，又为防止大桥主缆在中塔两侧存在巨大的不平衡力作用，造成主缆滑移，泰州长江大桥首次采用刚度适中、有一定柔韧度的人字形钢塔。

2、马鞍山长江大桥

左汊桥主跨：2x1080m，钢箱梁主梁，中塔为钢砼组合桥塔，塔梁固结体系。具有较强的抗风能力。

3、鹦鹉洲长江大桥

首次采用钢—混凝土结合加劲梁做悬索桥加劲梁。四跨主梁均采用简支体系，以消除支点弯矩的影响，视线加劲梁全长截面弯矩的均衡和加劲梁截面的统一。

悬索桥的结构特点：缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因

此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000米以上。

二）斜拉桥部分

组成与构造类型：主要构件：主梁、拉索、索塔

根据斜索立面布置形状分类：辐射式、竖琴式、扇式、星式

根据斜索位置（索面数量）分类：单索面（中间）、双索面（两侧）竖直、倾斜索面

根据塔柱的形状、数量分类:独塔、双塔、多塔（极少）

根据主梁材料分类：预应力混凝土、组合结构斜拉桥、钢斜拉桥

结构体系类型

边界条件：飘浮体系、支承体系、塔梁固结、刚构体系

稀索体系与密索体系：决定梁高的主要因素、密索梁高较小、现代斜拉桥均采用密索。

总体布置与构造尺寸

边跨与主跨比

对于三跨斜拉桥，边跨/主跨≈0.4;

对于二跨斜拉桥，边跨/主跨≈0.6;

梁高

与主梁结构型式、断面型式、索距（纵、横）有关；

一般稀索体系为跨径的1/40~1/70；

密索体系梁高为跨径的1/70~1/200

塔柱

塔柱高度与拉索的倾角有关，

塔柱高度一般为主梁跨径的1/4~1/5，

拉索倾角一般保持在30°~60°

主塔数量更多、主梁连续长度更大的斜拉桥

主塔数量更多的斜拉桥的刚度问题和主梁连续长度更大带来的温度效应问题尤为突出。因此，对高墩桥梁可以采用顺桥下个抗推刚度小二抗弯刚度大的双壁墩（米约桥），对桥墩高度有限者可以采用刚性主塔（瑞恩桥）或将主梁断开设刚性铰（嘉绍大桥）或挂孔梁，对中等跨度者可以采用他两骨戒、墩梁间设支座的部分斜拉桥（郑州公铁黄河大桥）。

斜拉桥部分总结：虽然因为桥型本身结构形式的限制，使得斜拉桥在大跨径方面的性能远不及悬索桥，但是在中小跨径的桥型领域，斜拉桥拥有比悬索桥更加灵活的应变能力，这就可以体现设计方案的丰富多彩。在未来，各种大型桥梁在满足实际使用需要的基础上，定然会向外观美学的方向延伸，桥梁本身也将具有一定的视觉观赏能力。而那时，斜拉桥将成为相当合适的实验桥型。（仅为个人观点，多有谬误之处，请各位指正）

二、悬索桥与斜拉桥的比较

一）为什么斜拉桥和悬索桥可以比其他桥梁的跨度大很多

斜拉桥和悬索桥都是通过钢索的拉力来代替了桥墩的支持力。因此可以减少桥墩的数量，实现桥梁的大跨度。

二）为什么悬索桥可以比斜拉桥的跨度更大

斜拉桥的钢索是斜着的，为了在钢索与桥的连接点提供足够的竖直拉力，纵向拉力随着索塔与连接点之间的距离的增加，总拉力和横向拉力也会不断增大，这样会不断增大钢索的拉力和桥面的轴向压力，这也是为什么斜拉桥的钢索大多集中在索塔的上端的原因。因此索塔与

连接点之间的距离不能太大，即斜拉桥的跨度不能太大。而悬索桥的钢索受力是竖直方向的，随着跨度的增加并不会增加钢索的受力。因此悬索桥的跨度可以比斜拉桥更大。

三）为什么斜拉桥比悬索桥稳定

斜拉桥绷紧的钢索与索塔及桥面根据三钢片原则构成了不变体系，而悬索桥的主索、细钢索、索塔及桥面之间构成的是可变体系。因此悬索桥的稳定性不如斜拉桥的稳定性好。

四）既然增加索塔可以加大桥面的竖向拉力，减小桥面轴向应力鹤岗索拉力，为什么不把索塔建得很高

首先，增加索塔的高度会增加桥梁的用料，从而增加桥梁的经济成本高。其次，由于现实生活中桥面的受力情况特别复杂，无法保证索塔两边桥面受力情况完全相同，这会使得索塔两边钢索所受的拉力不同，如果索塔很长会使得索塔与桥面连接处以及桥墩与地面连接处弯矩过大，容易发生破坏。

三、大跨桥梁理论极限的估计

桥梁最大跨径的理论计算值与桥梁结构型式、所用材料、施工工艺等很多因素有关。现阶段已建成的桥梁的最大跨径为1991m（悬索桥、日本明石海峡大桥）。但理论设计值可达3000~5000m，对材料要求非常高，现在还难以做到。

参考文献：（1）周艳春、王晓冬，《对不同悬吊结构体系悬索桥的影响分析》，《土木工程学报》；（2）胡建平、张贵明等，《佛山平胜大桥全桥模型试验研究》；（3）东南大学宗周红博士《大跨径索支撑桥梁发展》；（4）《悬索桥》ppt

作者介绍：第二十五组成员，43A13232宗垚，08013330武文，10013321赵涛