CN103850172A - 一种混合梁斜拉-悬索协作桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合梁斜拉-悬索协作桥，包括桥塔、辅助墩、钢主梁、混凝土主梁、结合部主梁、过渡区主梁、斜拉索、过渡区斜拉索、主缆、吊索、过渡区吊索和长度调整装置。其中，钢主梁位于桥体中央，钢主梁两端均依次通过过渡区主梁和结合部主梁固接于混凝土主梁；该桥两端的边跨部分l₂全部长度或部分长度是采用混凝土主梁，其支撑在辅助墩上；该桥的中跨部分l₁的跨中区域l₃＝1/3l₁～2/3l₁，由主缆悬吊。本发明提供了一种结构刚度大、阻尼大、经济性好，钢-混凝土结合部和斜拉-悬索过渡区结构刚度过渡匀顺、抗疲劳性能好的新型斜拉-悬索协作桥。

Description

一种混合梁斜拉-悬索协作桥

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是一种混合梁斜拉-悬索协作桥。

背景技术

斜拉-悬索协作桥是在传统斜拉桥和悬索桥基础上发展起来的一种协作桥梁。中跨跨中部分采用悬索桥可以解决斜拉桥悬拼过程中主梁压力过大的问题。借助与斜拉桥的协作，可以提高悬索桥的刚度、降低主缆拉力和锚碇规模，尤其对深水和软土地基情况意义重大。

桥梁设计大师罗勃林最早提出了一种斜拉-悬索协作体系的构想，并于1883年设计建成了当时创世界跨径纪录、主跨486m的布鲁克林大桥，后来被人们称为罗勃林体系。在罗勃林体系中，悬索桥的吊索全桥布置，只是在边跨和主跨布设一些斜拉索。这种构想是以悬索桥为主，斜拉索只是起增强作用，作为悬索系统的一种辅助构件，还不能把斜拉索和悬索作为同等重要的受力构件在设计中考虑。

德国著名桥梁专家狄辛格在系统分析和研究罗勃林体系用拉索来增强悬索桥刚度的利弊后，提出了在跨径的中部由悬索系统支承以及两边部分由从塔柱顶部辐射散开的斜拉索来支承的新构想，这就是著名的狄辛格体系。在这种体系中，在索塔左右对称处只布置斜拉索而不布置吊索，只在主跨的中部布置吊索，而且当时狄辛格设想的斜拉索是稀索形式，集中力较大。

由于斜拉-悬索协作桥具有很强的优越性，在世界各地筹建的大跨度桥梁方案中被频繁地提出。如1978年丹麦在跨越大贝尔特东航道提出了主跨为1500m的斜拉-悬索协作桥设计方案，1991年美国林同炎公司对西班牙与摩洛哥之间直布罗陀海峡提出了三个跨径5000m斜拉-悬索协作桥设计方案，1998年同济大学在伶仃洋大桥设计方案征集中提出的主跨1400m斜拉-悬索协作桥方案等。1997年，由重庆交通学院等单位设计，我国在贵州乌江上建成了跨径为288m的世界首座狄辛格体系斜拉-悬索协作桥，但该桥在斜拉-悬索过渡区吊索因疲劳问题退出工作，大桥需要进行加固。

虽然斜拉-悬索协作桥具有很强的优越性，但因斜拉体系和悬索体系是两种受力形式完全不同的结构体系，即斜拉桥主梁是压弯结构，而悬索桥的加劲梁是纯弯结构，两种体系组合在一起时，其结合部位结构性能的间断和不连续性是斜拉-悬索协作结构的主要难点。

因此，需要研究斜拉-悬索过渡区结构刚度过渡匀顺、抗疲劳性能好的新型斜拉-悬索协作桥方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明综合混合梁斜拉桥结构刚度大、经济性好的优点，以及在斜拉-悬索过渡区域设置抗疲劳性能好的过渡区主梁、长度可调的过渡区斜拉索和过渡区吊索的构想，提出一种新型的混合梁斜拉-悬索协作桥。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种混合梁斜拉-悬索协作桥，包括桥塔1、辅助墩2、钢主梁3、混凝土主梁4、结合部主梁5、过渡区主梁6、斜拉索7、过渡区斜拉索8、主缆9、吊索10、过渡区吊索11和长度调整装置12。其中，钢主梁3位于桥体中央，钢主梁3两端均依次通过过渡区主梁6和结合部主梁5固接于混凝土主梁4；该桥两端的边跨部分l₂全部长度或部分长度是采用混凝土主梁4，其支撑在辅助墩2上；该桥的中跨部分l₁的跨中区域l₃＝1/3l₁～2/3l₁，由主缆9悬吊。

上述方案中，所述结合部主梁5为承压-传剪式的钢-混凝土结构，用以保障钢主梁3与混凝土主梁4之间结构刚度过渡平顺及应力分布均匀。

上述方案中，所述钢主梁3与混凝土主梁4的连接位置S，根据主梁弯曲应变能U取极小值，以及施工方便和造价低等因素确定。所述主梁弯曲应变能U取极小值的计算公式为

$\min U\left(s\right)=\min {\∫}_0^L\frac{M^2(s,x)}{2\mathrm{EI}\left(x\right)}\mathrm{dx}$

式中，M(s，x)、EI(x)分别为已知连接位置S时主梁在x位置处的弯矩和抗弯刚度。

上述方案中，所述过渡区主梁6和与其相连接的钢主梁3相比，抗弯强度提高10％及以上、钢材选用抗疲劳性能更优的钢材，提高其抗弯强度和抗疲劳性能，保障斜拉-悬索过渡区结构刚度过渡平顺、应力分布均匀。

上述方案中，所述过渡区斜拉索8和过渡区吊索11在主跨跨中两侧对称布置，每侧设置n对，n≥3。所述过渡区斜拉索8和过渡区吊索11均选用松弛率低、抗疲劳性能优的高性能钢丝，且它们的长度根据结构受力通过长度调整装置12进行优化调节，从而保障斜拉-悬索过渡区结构刚度过渡平顺，提高斜拉-悬索过渡区主梁6、过渡区斜拉索8和过渡区吊索11的抗疲劳性能。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明相对于现有技术的主要优点为：

1、本发明提供的混合梁斜拉-悬索协作桥，该桥边跨l₂主梁全部长度或部分长度采用混凝土主梁4，其支撑在辅助墩2上；钢主梁3与混凝土主梁4的连接位置S，根据主梁弯曲应变能U和结合部主梁弯矩M峰值均较小、施工方便、造价低等因素确定。因此，大桥的整体结构阻尼大、刚度大、经济性好，而且钢-混凝土结合部结构刚度过渡匀顺、抗疲劳性能好。

2、本发明提供的混合梁斜拉-悬索协作桥，该桥中跨l₁主梁的跨中区域l₃＝1/3l₁～2/3l₁由主缆9悬吊；斜拉-悬索过渡区斜拉索8和过渡区吊索11在主跨跨中两侧对称布置，每侧设置n(n≥3)对，它们均选用松弛率低、抗疲劳性能优的高性能钢丝，且它们的长度根据结构受力通过长度调整装置12进行优化调节。因此，大桥的经济性好，斜拉-悬索过渡区的结构刚度过渡平顺，过渡区主梁6、过渡区斜拉索8和过渡区吊索11的抗疲劳性能好。

附图说明

图1是本发明提供的混合梁斜拉-悬索协作桥的结构示意图；

图2是本发明提供的斜拉-悬索过渡区主梁、斜拉索、吊索和长度调整装置示意图。

附图中标记：桥塔1；辅助墩2；钢主梁3；混凝土主梁4；结合部主梁5；过渡区主梁6；斜拉索7；过渡区斜拉索8；主缆9；吊索10；过渡区吊索11；长度调整装置12。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1～图2所示，本发明提供的混合梁斜拉-悬索协作桥，包括桥塔1、辅助墩2、钢主梁3、混凝土主梁4、结合部主梁5、过渡区主梁6、斜拉索7、过渡区斜拉索8、主缆9、吊索10、过渡区吊索11和长度调整装置12。其中，钢主梁3位于桥体中央，钢主梁3两端均依次通过过渡区主梁6和结合部主梁5固接于混凝土主梁4。该桥两端的边跨部分l₂全部长度或部分长度是采用混凝土主梁4，其支撑在辅助墩2上；该桥的中跨部分l₁的跨中区域l₃＝1/3l₁～2/3l₁，由主缆9悬吊。

其中，结合部主梁5为承压-传剪式的钢-混凝土结构，保障钢主梁3与混凝土主梁4之间结构刚度过渡平顺、应力分布均匀、抗疲劳性能优良。

图1中，钢主梁3与混凝土主梁4的连接位置S，根据主梁弯曲应变能U取极小值，以及施工方便和造价低等因素确定。其中，主梁弯曲应变能U取极小值的计算公式为

$\min U\left(s\right)=\min {\∫}_0^L\frac{M^2(s,x)}{2\mathrm{EI}\left(x\right)}\mathrm{dx}$

式中，M(s，x)、EI(x)分别为已知连接位置s时主梁在x位置处的弯矩和抗弯刚度。

过渡区主梁6和与其相连接的钢主梁3相比，抗弯强度提高10％及以上、钢材选用抗疲劳性能更优的钢材，提高其抗弯强度和抗疲劳性能，保障斜拉-悬索过渡区结构刚度过渡平顺、应力分布均匀。

过渡区斜拉索8和过渡区吊索11在主跨跨中两侧对称布置，每侧设置n(n≥3)对，它们均选用松弛率低、抗疲劳性能优的高性能钢丝，且它们的长度根据结构受力通过长度调整装置12进行优化调节，从而保障斜拉-悬索过渡区结构刚度过渡平顺，提高斜拉-悬索过渡区主梁6、过渡区斜拉索8和过渡区吊索11的抗疲劳性能。

本发明提供的混合梁斜拉-悬索协作桥，具有结构整体刚度大、阻尼大、经济性好，钢-混凝土结合部和斜拉-悬索过渡区结构刚度过渡匀顺、抗疲劳性能好等优点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种混合梁斜拉-悬索协作桥，其特征在于，包括桥塔(1)、辅助墩(2)、钢主梁(3)、混凝土主梁(4)、结合部主梁(5)、过渡区主梁(6)、斜拉索(7)、过渡区斜拉索(8)、主缆(9)、吊索(10)、过渡区吊索(11)和长度调整装置(12)；其中，钢主梁(3)位于桥体中央，钢主梁(3)两端均依次通过过渡区主梁(6)和结合部主梁(5)固接于混凝土主梁(4)；该桥两端的边跨部分l₂全部长度或部分长度是采用混凝土主梁(4)，其支撑在辅助墩(2)上；该桥的中跨部分l₁的跨中区域l₃＝1/3l₁～2/3l₁，由主缆(9)悬吊。

2.根据权利要求1所述的混合梁斜拉-悬索协作桥，其特征在于，所述结合部主梁(5)为承压-传剪式的钢-混凝土结构，用以保障钢主梁(3)与混凝土主梁(4)之间结构刚度过渡平顺及应力分布均匀。

3.根据权利要求1所述的混合梁斜拉-悬索协作桥，其特征在于，所述钢主梁(3)与混凝土主梁(4)的连接位置S，根据主梁弯曲应变能U取极小值，以及施工方便和造价低因素确定。

4.根据权利要求3所述的混合梁斜拉-悬索协作桥，其特征在于，所述主梁弯曲应变能U取极小值的计算公式为

$\min U\left(s\right)=\min {\∫}_0^L\frac{M^2(s,x)}{2\mathrm{EI}\left(x\right)}\mathrm{dx}$

式中，M(s，x)、EI(x)分别为已知连接位置S时主梁在x位置处的弯矩和抗弯刚度。

5.根据权利要求1所述的混合梁斜拉-悬索协作桥，其特征在于，所述过渡区主梁(6)和与其相连接的钢主梁(3)相比，抗弯强度提高10％及以上、钢材选用抗疲劳性能更优的钢材，提高其抗弯强度和抗疲劳性能，保障斜拉-悬索过渡区结构刚度过渡平顺、应力分布均匀。

6.根据权利要求1所述的混合梁斜拉-悬索协作桥，其特征在于，所述过渡区斜拉索(8)和过渡区吊索(11)在主跨跨中两侧对称布置，每侧设置n对，n≥3。

7.根据权利要求6所述的混合梁斜拉-悬索协作桥，其特征在于，所述过渡区斜拉索(8)和过渡区吊索(11)均选用松弛率低、抗疲劳性能优的高性能钢丝，且它们的长度根据结构受力通过长度调整装置(12)进行优化调节，从而保障斜拉-悬索过渡区结构刚度过渡平顺，提高斜拉-悬索过渡区主梁(6)、过渡区斜拉索(8)和过渡区吊索(11)的抗疲劳性能。

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