CN104499414B - 大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，由上部悬臂(1)和底部支座(2)组成，所述上部悬臂(1)向跨中倾斜；所述底部支座(2)包括朝跨中方向倾斜的底第一支腿(3)和朝背向跨中方向倾斜的第二支腿(4)；所述第二支腿(4)下部外侧连接有朝背向跨中方向延伸的第三支腿(5)；所述第一支腿(3)和第二支腿(4)之间设置有横向支撑梁(6)。本发明设计采用曲线结构，满足区域性的限高要求的同时还兼顾该地的景观需求。特别是其采用的曲线形桥塔的设计，将力学结构和工程结构以及其实际需求和工程预算做了有效的平衡和取舍。该斜拉桥设计美观，建筑坚固，符合该限高区域的需求。

Description

大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔

技术领域

本发明涉及斜拉桥技术领域，具体涉及大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔。

背景技术

桥塔是斜拉桥的主要承重构件和最重要的景观表现点，因此其结构设计是全桥合理受力的基础，其造型的美观与否是全桥景观设计的重点。

对于500米以上大跨度斜拉桥，目前所有的斜拉桥主塔塔形均为H形、钻石形、A形、倒Y形或独柱形等直线塔，参见下述世界前十大跨径斜拉桥的塔形资料。

俄罗斯岛大桥，所在国：俄罗斯，建成时间：2012年，主跨：1104米，塔高：320.9米，塔形：A形；

苏通大桥，所在国：中国，建成时间：2008年，主跨：1088米，塔高：306米，塔形：倒Y形；

昂船洲大桥，所在国：中国香港，建成时间：2007年，主跨：1018，塔高：296米，塔形：独柱形；

鄂东大桥，所在国：中国，建成时间：2010年，主跨：926米，塔高：242.5米，塔形：钻石形；

多多罗桥，所在国：日本，建成时间：1998年，主跨：890米，塔高：224.0米，塔形：钻石形；

诺曼底桥，所在国：法国，建成时间：1998年，主跨：856米，塔高：202.7米，塔形：倒Y形；

荆岳大桥，所在国：中国，建成时间：2010年，主跨：816米，塔高：265.5米，塔形：H形；

仁川大桥，所在国：韩国，建成时间：2009年，主跨：800米，塔高：238米，塔形：倒Y形；

金角湾大桥，所在国：俄罗斯，建成时间：2012年，主跨：737米，塔高：226.25米，塔形：V形；

上海大桥，所在国：中国，建成时间：2009年，主跨：730米，塔高216.3米，塔形：人字形。

上述直线桥塔虽符合斜拉桥受力平衡的基本原理，但在景观要求高的地区，此类型桥塔却显的单调，景观效果有限。同时，在某些限高区域，由于普通的直线形桥塔无法满足受力要求，人们不得不放弃斜拉桥这一经济性可行性方案，而采取其他桥型。

随着国民经济的快速发展，人们对桥梁设计要求越来越高，已从单纯的交通功能上升到对景观的要求，故目前亟需一种适用于大跨斜拉桥新型桥塔，在满足桥梁受力的基础上，采用完全新型的受力体系和外型形态，以满足现在建设业主对桥梁高度以及桥梁外观更高的要求。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种能有效降低高度及成本、满足桥梁受力情况的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，使其特别适用于在限高区域或景观要求较高场所使用。

为实现上述目的，本发明提出大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，由上部悬臂和底部支座组成，所述上部悬臂向跨中倾斜；所述底部支座包括朝跨中方向倾斜的底第一支腿和朝背向跨中方向倾斜的第二支腿；所述第二支腿下部外侧连接有朝背向跨中方向延伸的第三支腿；所述的底第一支腿和第二支腿之间设置有横向支撑梁。

在上述技术方案中，所述横向支撑梁上方和上部悬臂下方之间可以设置有三角形支撑结构。

在上述技术方案中，所述横向支撑梁上方和上部悬臂下方之间可以设置有圆形支撑结构。

在上述技术方案中，所述倾斜式斜拉桥桥塔的上部悬臂可以为钢结构或者钢筋混凝土结构；所述底部支座也可以为钢结构或者钢筋混凝土结构。

优选地，所述第一支腿、第二支腿与横向支撑梁之间构成为第一拱形；所述第一拱形的开口朝下；所述第二支腿与第三支腿之间构成为第二拱形，所述的第二拱形开口朝下；所述的上部悬臂与底部支座的内侧构成第三拱形，所述的第三拱形开口朝向跨中。

优选地，所述的第三拱形的曲线为悬链线，所述悬链线的公式为：

y＝f(ch(kξ)－1)/(m－1)

其中， $k=\ln (m+\sqrt{m^2-1});$

m：拱轴系数；

双曲余弦ch(kξ)＝(exp(kξ)+exp(-kξ))/2

f：为拱的矢高；

ξ：ξ＝2x/L；

L：为拱的跨度；

x：拱的x轴坐标y：拱的y轴坐标。

在上述技术方案中，所述的第三拱形朝向跨中的边缘从上至下可以布置有多个斜拉索固定件。

在上述技术方案中，所述上部悬臂顶端背向跨中方向可以设置有上部悬臂顶凸台，所述上部悬臂顶凸台上设有背索顶端固定件。

本发明提出一种新型的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，其造型构思巧妙，在受力较为合理的塔柱外型上将曲线、拱、直线几种形状进行拆分、组合，形成极为强劲的力度形态，同时在局部细节处理上结合人文及周边环境修饰美化，是力与美的完美结合，体现出桥塔独有的张力。

本发明所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔具有如下优点：1，整个桥塔采用倾斜桥塔，增加桥塔长度，降低了桥塔高度；2，桥塔外轮廓均采用经过受力计算的最合理的多次曲线，满足受力要求，同时景观效果极佳；3，桥塔下部分分别采用三角形架构及两跨拱形底座，提高桥塔的稳定和受力性能；4，通过塔顶局部的加高，使斜拉索可靠锚固，同时背索可与桥塔一起形成稳定体系平衡斜拉索拉力；5，桥塔上部采用钢结构，下部采用混凝土结构，节省了工程造价，同时减少了结构自重。

以下结合附图和实施例的描述，本发明将变得更加清晰。

附图说明

图1为实施例1所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔示意图。

图2为实施例2所述的带有圆形支撑的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔示意图。

图3为应用本发明设计的倾斜式斜拉桥结构示意图。

图4为应用本发明设计的倾斜式斜拉桥局部结构示意图。

图5为本发明所述第三拱形的悬链线坐标图。

1-上部悬臂，2-底部支座，3-第一支腿，4-第二支腿，5-第三支腿，6-横向支撑梁，7-第一拱形，8-第二拱形，9-第三拱形，10-三角形支撑，11-斜拉索固定件，12-上部悬臂顶凸台，13-背索顶端固定件，14-背索底端固定件，15-斜拉索，16-背索，17-主跨，18-边跨，19-单幅桥面，20-圆形支撑。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过下述说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

实施例1：参见图1。本实施例提出的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔由上部悬臂1和底部支座2组成。

其中，所述的上部悬臂1优选钢质材质，采用钢结构设计，所述底部支座2采用钢筋混凝土材质。本实施例的上部悬臂1与底部支座2之间整体浇筑为一体。施工时，上部悬臂1的钢结构底端采用结合过渡结构方式同底部支座2结构连接，然后再浇筑底部支座2的混凝土结构，以保证上部悬臂1和底部支座2的连接可靠。本实施例的底部支座2也可以采用钢质材质或与上部悬臂1相同的材料。

本实施例中，所述底部支座2的下方，从跨中朝边跨方向依次设置有第一支腿3、第二支腿4和第三支腿5。所述的第一支腿3朝向跨中方向倾斜伸出。所述的第二支腿4背向跨中方向倾斜伸出。所述第三支腿5的顶端与第二支腿4下部外侧连接。所述第三支腿5位于底部支座2的最外侧，背向跨中方向伸出。

所述第一支腿3、第二支腿4和第三支腿5位于同一个平面内并沿桥塔纵向布置。所述第一支腿3的顶端与第二支腿4的顶端交汇于底部支座2的顶端，即上部悬臂1的底端。

所述的第一支腿3中部与第二支腿4中部之间设有横向支撑梁6。所述第一支腿3的下部、第二支腿4的下部与所述的横向支撑梁6共同构成第一拱形7。所述的第一拱形7朝背向跨中方向倾斜，开口竖直向下。

所述的第三支腿5的顶端连接第二支腿4的中部。所述的第三支腿5和第二支腿4的下部构成第二拱形8。所述的第二拱形8朝跨中方向倾斜，开口竖直向下。

本实施例中，所述的第一拱形7和第二拱形8的跨度比例为0.5:1，矢高比例同样为0.5:1。

所述的第一拱形7和第二拱形8在本实施例中的设计为：分别背向跨中方向倾斜和朝向跨中方向倾斜。所述的第一拱形7和第二拱形8的拱形曲线还可以采用圆弧线，抛物线等其他曲线。

本实施例中，上部悬臂1和第一支腿3位于整个桥塔的跨中一侧，并向跨中方向伸出，构成一个开口朝向跨中方向的第三拱形9。

所述第三拱形9的拱形曲线采用悬链线，悬链线的公式为：

y＝f(ch(kξ)－1)/(m－1)

其中： $k=\ln (m+\sqrt{m^2-1})$

m为拱轴系数，它反映拱轴线曲率的大小。m越大，曲线在拱脚处越陡，曲线的四分点位越高；

双曲余弦ch(kξ)＝(exp(kξ)+exp(-kξ))/2

f：拱的矢高；

ξ：ξ＝2x/L；

L：为拱的跨度；

x：拱的x轴坐标；y：拱的y轴坐标，如图5所示。

本桥根据通过不同的拱轴系数进行计算对比，综合考虑工程造价以及施工难度等因素，将拱轴系数m取值定在1-1.8之间。

参见图1和4，在本实施例中，上部悬臂1与第一支腿3一起构成的第三拱形9边缘布置有多个用于固定斜拉索15顶端的斜拉索固定件11。所述上部悬臂1顶端背向跨中方向设置有上部悬臂顶凸台12，所述上部悬臂顶凸台12上设有固定背索16顶端的背索顶端固定件13。

所述第一支腿3、第二支腿4和所述横向支撑梁6之间构成三角形支撑10结构。所述的三角形支撑10结构为三角形，三条边均为曲线形结构设计。所述的三角形支撑10最高的顶角A设置在上部悬臂1的底端下方。顶角A的对边BC为横向支撑梁6，这条边的两个顶点为B点和C点：B点位于第一支腿3的中部，C点位于第二支腿4的中部。所述的三角形支撑10结构的顶角A的两条夹边AB和AC，分别为：向跨中方向靠近的AB边和背向跨中方向的AC边。

具体设计中，三角形支撑10结构的AB边和第三拱形9同样为曲线结构设计，三角形支撑10和第三拱形9之间为等宽设计。三角形支撑10结构的AB边和下部底座的外侧边曲线相同，也保证三角形支撑10和下部底部的外侧之间为等宽设计。

本行业内，三角形为常见的稳定结构体系，大量的用于工程结构中，如钢桁梁的杆件布置等。对于本实施例而言，三角形为最优的形式。三角形与其他多边形构造相比，具有形状不变的性质，这也是三角形稳定性的体现。

本实施例中，所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔为倾斜式结构。第三拱形9由上部悬臂1和第一支腿3构成，用于安装斜拉索15。上部悬臂1为曲线设计，向跨中方向倾斜，可以降低整体塔高。底部支座2的第一支腿3向跨中方向伸出，保证上部悬臂1的平衡。第三支腿5背向跨中方向伸出，保证整体倾斜式斜拉桥桥塔1的平衡。第二支腿4位于上部悬臂1的投影外侧，保证整体倾斜式斜拉桥桥塔1平衡。三角形支撑10结构可以降低成本，减少自重，而不影响底部支座2的强度。底部支座2的下部的第一拱形7和第二拱形8共同将整体的受力分担到第一支腿3，第二支腿4和第三支腿5上。

实施例2：参见图2。本实施例为带有圆形支撑20结构的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，与实施例1的结构基本相同，不同之处在于所述第一支腿3、第二支腿4和所述横向支撑梁6之间构成圆形孔，形成圆形支撑20结构。

如图2所示，和实施例1相比，本实施例中使用圆形支撑20结构同样可以达到减轻自重，减少工程投资的效果。本实施例中的圆形支撑20结构位于底部支座2的上半部分，第一拱形7和第二拱形8的上方。所述的圆形支撑20结构为圆形。

本实施例中，横向支撑梁6的顶面为圆形支撑20结构的下部分。所述的横向支撑梁6两端同样分别连接第一支腿3的中部和第二支腿4的中部。

实施例3：参见图3和4，本实施例提出一种利用实施例1所述大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔设计的倾斜式斜拉桥，包括：桥塔、斜拉索15、主跨17、边跨18。所述桥塔采用实施例1所述大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔。

如图3所示，本实施例设置有两个大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，所述的两个桥塔之间为主跨17，两个桥塔的外侧分别为边跨18。

参见图4，所述两个桥塔分别位于主跨17的两侧。主跨17和边跨18对接处支撑位于桥塔上。本实施例所述倾斜式斜拉桥的横向采用单桥塔结构，即在主跨17一端横向中央仅设置一个桥塔，桥塔横向两侧为单幅桥面19。

参见图3和4所述桥塔第三拱形9开口朝向跨中方向的边缘沿纵向设置有斜拉索固定件11，用于固定斜拉索15的顶端。所述的斜拉索固定件11为锚固定设计，所述斜拉索固定件11焊接在第三拱形9内侧的边缘。所述的斜拉索15的底端沿纵向分别固定于跨中部位的桥梁上。所述的斜拉索15为自上而下相互平行设置的多根构成。

所述的桥塔纵向两侧均设置有拉索，其中靠近跨中一侧为斜拉索15，背向跨中一侧为背索16。所述桥塔的上部悬臂1的顶端设置有上部悬臂顶凸台12,所述的上部悬臂顶凸台12设置有背索顶端固定件13，用于固定背索16的顶端。所述桥塔的第三支腿5与第三基础18刚性连接部位的第三支腿5上设置有背索底端固定件14，所述的背索16的底端自固于背索底端固定件14上。所述的背索16为一根斜拉索；或一组平行的斜拉索。

本发明所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，其设计采用曲线结构，满足区域性的限高要求的同时还兼顾该地的景观需求。特别是其采用的曲线形桥塔的设计，将力学结构和工程结构以及其实际需求和工程预算做了有效的平衡和取舍。该斜拉桥设计美观，建筑坚固，符合该限高区域的需求。

其它未详细说明的部分均有现有技术。

Claims (8)

1.大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，其特征在于：该桥塔由上部悬臂(1)和底部支座(2)组成，所述上部悬臂(1)向跨中倾斜；所述底部支座(2)包括朝跨中方向倾斜的底第一支腿(3)和朝背向跨中方向倾斜的第二支腿(4)；所述第二支腿(4)下部外侧连接有朝背向跨中方向延伸的第三支腿(5)；所述第一支腿(3)和第二支腿(4)之间设置有横向支撑梁(6)。

2.根据权利要求1所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，其特征在于：所述横向支撑梁(6)上方和上部悬臂(1)下方之间设置有三角形支撑(10)结构。

3.根据权利要求1所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，其特征在于：所述横向支撑梁(6)上方和上部悬臂(1)下方之间设置有圆形支撑(20)结构。

4.根据权利要求1所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，其特征在于：所述的上部悬臂(1)为钢结构或者钢筋混凝土结构；所述底部支座(2)为钢结构或者钢筋混凝土结构。

5.根据权利要求1-4中任一所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，其特征在于：所述第一支腿(3)、第二支腿(4)与横向支撑梁(6)之间构成为第一拱形(7)；所述第一拱形(7)的开口朝下；所述第二支腿(4)与第三支腿(5)之间构成为第二拱形(8)，所述的第二拱形(8)开口朝下；所述的上部悬臂(1)与底部支座(2)的内侧构成第三拱形(9)，所述的第三拱形(9)开口朝向跨中。

6.根据权利要求5所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，其特征在于：所述的第三拱形(9)的曲线为悬链线，所述悬链线的公式为：

y＝f(ch(kξ)－1)/(m－1)

其中， $k=\ln (m+\sqrt{m^2-1});$

m：拱轴系数；

双曲余弦ch(kξ)＝(exp(kξ)+exp(-kξ))/2

f：为拱的矢高；

ξ：ξ＝2x/L；

L：为拱的跨度；

x：拱的x轴坐标；y：拱的y轴坐标。

7.根据权利要求5所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，其特征在于：所述的第三拱形(9)朝向跨中的边缘从上至下布置有多个斜拉索固定件(11)。

8.根据权利要求5所述的大跨斜拉桥倾斜曲线桥塔，其特征在于：所述上部悬臂(1)顶端背向跨中方向设置有上部悬臂顶凸台(12)，所述上部悬臂顶凸台(12)上设有背索顶端固定件(13)。