CN105970794A - 一种双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双塔自锚式斜拉‑悬索体系桥梁，其中：整体式主索鞍，包括鞍座，所述的鞍座的脊背上并排加工有三道索槽，中间为远段索槽，远端索槽两侧为中段索槽和近段索槽；所述的远段索槽、中段索槽和近段索槽的槽底形线为圆弧，并且三条圆弧的三个圆心在同一条直线上，所述的三个圆心所在的直线为鞍座的入缆端的端面与竖直平面的相交线；所述的三条圆弧在入缆端的端面上的端点在竖直平面内的投影重合，远段索槽的圆弧半径大于中段索槽的圆弧半径，中段索槽的圆弧半径大于近段索槽的圆弧半径。整体式非对称设计，兼具转索和散索的作用，各自路径不重叠，为空间布置，为圆弧线，出鞍时曲线的切线和拉索的斜率一致。

Description

一种双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁

技术领域

本发明属于桥梁领域，涉及主索鞍构造，具体涉及一种双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁。

背景技术

传统的自锚式悬索桥将主缆锚固在主梁端部的锚固体上。一方面，由于主缆集中在散索鞍之后的梁端区域散开，受主梁限制，散开空间有限，锚固位置分散程度远小于地锚式悬索桥，导致锚固体局部受力很大，锚下应力相当复杂。另一方面，由于主缆散开需要很大的空间，梁端的锚固体体积需要增加很多，对美观影响较大。

近年来工程界出现一种将主跨主缆分散锚固在桥塔上，再通过边跨斜拉索来保持桥塔平衡的悬索桥体系。该种体系将主跨的悬索桥主缆通过散索套后散开成若干股(称分缆)，每根分缆采用传统斜拉索的锚固形式锚固于主塔上；边跨采用斜拉索来保持主塔平衡，其上端锚固于桥塔，下端锚固于边跨主梁。尽管该体系避免了传统自锚式悬索桥梁段锚固体的问题，但存在以下不足：①不具备主动调整能力：桥塔主跨面锚固分缆，其背面锚固斜拉索，两侧的缆索锚固装置背靠背，内部空间十分狭小，使得内部调整空间有限；当缆索安装出现误差，塔内操作空间会限制操作，影响施工进度和成桥线形。②桥塔两侧锚固多根缆索，局部受力复杂，不利于设计和计算，且较复杂的设计会导致桥塔笨重，影响桥梁的整体美感；③该桥梁由于散索点的固定和拉索锚点的固定情况，对于缆索的调整只能局限在缆索多次张拉的程度，单一的调整方式也是施工安全性的弊端；④散索套不易确定空间位置，而主缆的线形与索力的匹配也直接影响全桥的受力，若有较大的施工偏差则会影响桥梁的使用性能。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁，该桥能够提供一个既能散索又能转索的整体式主索鞍，可以使得散索点位置明确，进而减少施工误差且省去单独散索鞍或散索套。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁，包括一对桥塔，一对桥塔之间为主跨主梁，一对桥塔两侧均为边跨主梁，主跨主梁通过主跨吊索吊装在主跨主缆上，边跨主梁通过边跨斜拉索悬挂吊装；

所述的主跨主缆和边跨斜拉索为一整根缆索，桥塔顶端安装有整体式主索鞍，主跨主缆通过整体式主索鞍后转索并散索为多股边跨斜拉索；

所述的整体式主索鞍包括鞍座，所述的鞍座的脊背上并排加工有三道索槽，中间为远段索槽，远端索槽两侧为中段索槽和近段索槽；

所述的远段索槽、中段索槽和近段索槽的槽底形线为圆弧，并且三条圆弧的三个圆心在同一条直线上，所述的三个圆心所在的直线为鞍座的入缆端的端面与竖直平面的相交线；

所述的三条圆弧在入缆端的端面上的端点在竖直平面内的投影重合，远段索槽的圆弧半径大于中段索槽的圆弧半径，中段索槽的圆弧半径大于近段索槽的圆弧半径。

本发明还具有如下区别技术特征：

所述的远段索槽内的边跨斜拉索在边跨主梁上的锚固点与桥塔之间的距离大于中段索槽，内的边跨斜拉索在边跨主梁上的锚固点与桥塔之间的距离；所述的中段索槽内的边跨斜拉索在边跨主梁上的锚固点与桥塔之间的距离大于近段索槽，内的边跨斜拉索在边跨主梁上的锚固点与桥塔之间的距离。

如图5所示：

x₁＝L+a×d+b×d,x₂＝L+a×d,x₃＝L

${\mathrm{\θ}}_1=arctan\left(\frac{H}{x_1}\right)=arctan\left(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\right)$

${\mathrm{\θ}}_2=arctan\left(\frac{H}{x_2}\right)=arctan\left(\frac{H}{L+a\×d}\right);{\mathrm{\θ}}_3=arctan\left(\frac{H}{x_3}\right)=arctan\left(\frac{H}{L}\right)$

根据三角形的正弦定理：

$\frac{R_1-R_2}{sin({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}=\frac{R_2}{sin(2\×{\mathrm{\θ}}_1)}$

由上可知，所述的中段索槽的圆弧半径与远段索槽的圆弧半径之间的关系为：

$\begin{array}{c}{R}_2=\frac{R_1\×\sin \left(2\×{\mathrm{\θ}}_1\right)}{\left(\sin \left({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2\right)+\sin \left(2\×{\mathrm{\θ}}_1\right)\right)}\\ =\frac{R_1\×\sin \left(2\×\arctan \left(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\right)\right)}{\sin \left(\arctan \left(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\right)-\arctan \left(\frac{H}{L+a\×d}\right)\right)+\sin \left(2\×\arctan \left(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\right)\right)}\end{array}$

同理，所述的近段索槽的圆弧半径与远段索槽的圆弧半径之间的关系为：

$\begin{array}{c}{R}_3=\frac{R_1\×\sin \left(2\×{\mathrm{\θ}}_1\right)}{(\sin \left({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_3\right)+\sin \left(2\×{\mathrm{\θ}}_1\right)}\\ =\frac{R_1\×\sin \left(2\×\arctan \left(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\right)\right)}{\sin \left(\arctan \left(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\right)-\arctan \left(\frac{H}{L}\right)\right)+\sin \left(2\×\arctan \left(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\right)\right)}\end{array}$

式中：

R₁为远段索槽槽底形线的圆弧半径，R₂为中段索槽槽底形线的圆弧半径，R₃为近段索槽槽底形线的圆弧半径；

θ₁为远段索槽边跨出缆端最底层缆索与水平面夹角，θ₂为中段索槽边跨出缆端最底层缆索与水平面夹角，θ₃为近段索槽边跨出缆端最底层缆索与水平面夹角；

x₁为远段索槽内最底层缆索边跨锚固点距主塔的水平距离，x₂为中段索槽内最底层缆索边跨锚固点距主塔的水平距离，x₃为近段索槽内最底层缆索边跨锚固点距主塔的水平距离；

H为桥塔的高度；

d为边跨主梁上的边跨斜拉索的锚固点之间的间距；

L为最靠近桥塔的一根边跨斜拉索的锚固点与桥塔之间的水平距离；

a+b+c＝n；

n为通过整体式主索鞍的散索，主跨主缆散索成的边跨斜拉索的股数；

a为近段索槽散索的边跨斜拉索的根数；

b为中段索槽散索的边跨斜拉索的根数；

c为远段索槽散索的边跨斜拉索的根数。

所述的桥塔为H型桥塔，桥塔中间设有横梁。

所述的主跨主梁采用钢箱梁，所述的边跨主梁采用混凝土梁。

所述的边跨斜拉索的股数为7股。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的的主索鞍构造为整体式非对称设计，兼具转索和散索的作用，主缆入鞍后分散成边跨处斜拉索的数量，分散后的索缆按各自不同路径经过索鞍，各自路径不重叠，为空间布置，为圆弧线，出鞍时曲线的切线和拉索的斜率一致。

(Ⅱ)本发明的协作桥为双塔自锚式桥，将斜拉和悬索两种方式结合在一起，并且通过一根完整不间断的主缆在桥塔一侧悬索在桥塔另一侧散索自锚的方式将斜拉和悬索两种方式结合在一起。

(Ⅲ)本发明所设计的的整体式索鞍的斜拉-悬索协作式桥梁，主缆经过索鞍的分散成多个斜拉索，锚固于边跨主梁上，这样的设计可以分散一根主缆锚固于主梁所产生巨大的集中力，时结构受力得到优化，固定于桥塔顶部的整体式索鞍成为空间固定的散索点，利于施工中的控制，改善了主缆的稳定性。

(Ⅳ)本发明的桥型具有以下几个优点：①边跨分散的锚固形式，避免了梁端受力的应力集中，减少了设计中不必要的麻烦，使得加劲梁外观更轻盈；②多根斜拉索的设计使得施工中对缆索的调整更方便，此类桥梁在施工中拥有张拉拉索和顶推索鞍的两种方便的施工调整方法，使得桥梁在施工中更安全可靠，达到目标的成桥状态。；③中跨悬索加边跨斜拉的设计，组合了斜拉桥和悬索桥的视觉感受，更美观。

附图说明

图1是本发明的桥的整体结构示意图。

图2是本发明的整体式主索鞍的主视结构示意图。

图3是本发明的整体式主索鞍的右视结构示意图。

图4是本发明的整体式主索鞍的俯视结构示意图。

图5是整体式主索鞍的原理示意图。

图6是成桥状态下主跨钢主梁的弯矩图。

图7是成桥状态下边跨混凝土主梁的弯矩图。

图8是施工中索鞍的预偏量变化历程。

图9是施工中边跨斜拉索的各索索力变化历程。

图中各个标号的含义为：1-桥塔，2-主跨主梁，3-边跨主梁，4-主跨吊索，5-主跨主缆，6-边跨斜拉索，7-整体式主索鞍，8-桥墩；(7-1)-鞍座，(7-2)-远段索槽，(7-3)-中段索槽，(7-4)-近段索槽，(7-5)-入缆端，(7-6)-出缆端。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1至图4所示，本实施例给出一种双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁，包括一对桥塔1，一对桥塔1之间为主跨主梁2，一对桥塔1两侧均为边跨主梁3，主跨主梁2通过主跨吊索4吊装在主跨主缆5上，边跨主梁3通过边跨斜拉索6悬挂吊装；

所述的主跨主缆5和边跨斜拉索6为一整根缆索，桥塔1顶端安装有整体式主索鞍7，主跨主缆5通过整体式主索鞍7后转索并散索为多股边跨斜拉索6；

所述的整体式主索鞍7包括鞍座7-1，鞍座7-1的脊背上并排加工有三道索槽，中间为远段索槽7-2，远端索槽7-2两侧为中段索槽7-3和近段索槽7-4；

所述的远段索槽7-2、中段索槽7-3和近段索槽7-4的槽底形线为圆弧，并且三条圆弧的三个圆心在同一条直线上，所述的三个圆心所在的直线为鞍座7-1的入缆端7-5的端面与竖直平面的相交线；

所述的三条圆弧在入缆端7-5的端面上的端点在竖直平面内的投影重合，远段索槽7-2的圆弧半径大于中段索槽7-3的圆弧半径，中段索槽7-3的圆弧半径大于近段索槽7-4的圆弧半径。

远段索槽7-2内的边跨斜拉索6在边跨主梁3上的锚固点与桥塔1之间的距离大于中段索槽7-3内的边跨斜拉索6在边跨主梁3上的锚固点与桥塔1之间的距离；所述的中段索槽7-3内的边跨斜拉索6在边跨主梁3上的锚固点与桥塔1之间的距离大于近段索槽7-4内的边跨斜拉索6在边跨主梁3上的锚固点与桥塔1之间的距离。

桥塔1为H型桥塔，桥塔1中间设有横梁。

主跨主梁2采用钢箱梁，边跨主梁3采用混凝土梁。

边跨斜拉索6的股数为7股。

实施例2：

遵从上述技术方案，如图1至图4所示，本实施例给出一种双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁，主体结构与实施例1相同，区别仅仅在于，本实施例中：

所述的中段索槽7-3的圆弧半径与远段索槽7-2的圆弧半径之间的关系为：

$R_2=\frac{R_1\×sin(2\×arctan(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}))}{sin\left(arctan\right(\frac{H}{L+a\×d+b\×d})-\arctan \left(\frac{H}{L+a\×d}\right))+sin(2\×arctan(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}))};$

所述的近段索槽7-4的圆弧半径与远段索槽7-2的圆弧半径之间的关系为：

$R_3=\frac{R_1\×sin(2\×arctan(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}))}{sin\left(arctan\right(\frac{H}{L+a\×d+b\×d})-\arctan \left(\frac{H}{L}\right))+sin(2\×arctan(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}))}$

式中：

R₁为远段索槽槽底形线的圆弧半径，R₂为中段索槽槽底形线的圆弧半径，R₃为近段索槽槽底形线的圆弧半径；

θ₁为远段索槽边跨出缆端最底层缆索与水平面夹角，θ₂为中段索槽边跨出缆端最底层缆索与水平面夹角，θ₃为近段索槽边跨出缆端最底层缆索与水平面夹角；

H为桥塔的高度；

d为边跨主梁上的边跨斜拉索的锚固点之间的间距；

L为最靠近桥塔的一根边跨斜拉索的锚固点与桥塔之间的水平距离；

a+b+c＝n；

n为通过整体式主索鞍的散索，主跨主缆散索成的边跨斜拉索的股数；

a为近段索槽散索的边跨斜拉索的根数；

b为中段索槽散索的边跨斜拉索的根数；

c为远段索槽散索的边跨斜拉索的根数。

本实施例的桥梁可以采用先缆后梁施工方式也可以采用先梁后缆施工方式。本实施例的桥梁采用先梁后缆施工时：首先施工基础、桥塔、辅助墩及主梁下侧的脚手架，在桥塔顶部的确定位置放置整体式主索鞍，然后铺设主梁，紧接着架设主缆，经过整体式索鞍式每根索放置在设定的槽道内且相对位置放置准确，边跨侧散开的多根斜拉索锚固在边跨主梁的确定位置，之后在安装索夹及吊索；完后调整主缆线形和拉索内力，形成成桥目标状态。

以某桥梁为例，基本跨径布置为：(69+240+69)m，主跨为悬索布置，边跨为斜拉索布置。主跨：37根吊索，吊索间距为6m，12m+36×6m+12m＝240m；边跨：7根斜拉索，间距为8m，8m+6×8m+13m＝69m；桥塔：57.771m，其中墩20m。

所采用整体式索鞍长6.1m，宽2.1m，高2.97m。θ₁＝77.318°、θ₂＝63.344°、θ₃＝52.084°，R1＝5m、R2＝3.917m、R3＝2.506m。

图6是成桥状态下主跨混凝土钢主梁的弯矩图，图7是成桥状态下主跨混凝土主梁的弯矩图，从图中可以看出：该桥型在成桥后受力满足要求。

本桥梁施工时采用顶推索鞍技术保证桥塔受力稳定，当施工中桥梁受力和线形出现顶推索鞍无法调整的情况时可采用张拉边跨拉索来调整施工误差。

施工方法为先梁后缆，挂主缆后，吊索从边向中逐次张拉到无应力长度。

斜拉索编号：从桥塔向桥台分别为1#～7#

吊索编号：从桥塔向跨中分别为1#～19#

施工中索鞍的预偏量变化过程如图8所示，施工中边跨斜拉索的索力变化如图9所示。在本类型桥梁施工中可以看出，整个施工中拉索的受力良好，索鞍的预偏量合理，在正常施工中可以理想的无偏差完成桥梁的施工达到设计状态，当出现施工中偶然因素影响桥梁成桥线形时可以在施工中进行斜拉索的补张拉对桥梁受力和线形进行调整达到设计目标状态。

可见本桥梁在成桥时减小了主梁的应力集中，在施工中对桥梁的准确施工性有双重保障。

Claims (6)

1.一种双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁，包括一对桥塔(1)，一对桥塔(1)之间为主跨主梁(2)，一对桥塔(1)两侧均为边跨主梁(3)，主跨主梁(2)通过主跨吊索(4)吊装在主跨主缆(5)上，边跨主梁(3)通过边跨斜拉索(6)悬挂吊装，其特征在于：

所述的主跨主缆(5)和边跨斜拉索(6)为一整根缆索，桥塔(1)顶端安装有整体式主索鞍(7)，主跨主缆(5)通过整体式主索鞍(7)后转索并散索为多股边跨斜拉索(6)；

所述的整体式主索鞍(7)包括鞍座(7-1)，鞍座(7-1)的脊背上并排加工有三道索槽，中间为远段索槽(7-2)，远端索槽(7-2)两侧为中段索槽(7-3)和近段索槽(7-4)；

所述的远段索槽(7-2)、中段索槽(7-3)和近段索槽(7-4)的槽底形线为圆弧，并且三条圆弧的三个圆心在同一条直线上，所述的三个圆心所在的直线为鞍座(7-1)的入缆端(7-5)的端面与竖直平面的相交线；

所述的三条圆弧在入缆端(7-5)的端面上的端点在竖直平面内的投影重合，远段索槽(7-2)的圆弧半径大于中段索槽(7-3)的圆弧半径，中段索槽(7-3)的圆弧半径大于近段索槽(7-4)的圆弧半径。

2.如权利要求1所述的双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁，其特征在于：所述的远段索槽(7-2)内的边跨斜拉索(6)在边跨主梁(3)上的锚固点与桥塔(1)之间的距离大于中段索槽(7-3)内的边跨斜拉索(6)在边跨主梁(3)上的锚固点与桥塔(1)之间的距离；所述的中段索槽(7-3)内的边跨斜拉索(6)在边跨主梁(3)上的锚固点与桥塔(1)之间的距离大于近段索槽(7-4)内的边跨斜拉索(6)在边跨主梁(3)上的锚固点与桥塔(1)之间的距离。

3.如权利要求1所述的双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁，其特征在于：所述的中段索槽(7-3)的圆弧半径与远段索槽(7-2)的圆弧半径之间的关系为：

$R_2=\frac{R_1\×sin(2\×arctan(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\left)\right)}{\sin \left(arctan\right(\frac{H}{L+a\×d+b\×d})-arctan(\frac{H}{L+a\×d}\left)\right)+\sin (2\×arctan(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\left)\right)}$

所述的近段索槽(7-4)的圆弧半径与远段索槽(7-2)的圆弧半径之间的关系为：

$R_3=\frac{R_1\×\sin (2\×arctan(\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\left)\right)}{sin\left(arctan\right(\frac{H}{L+a\×d+b\×d})-arctan(\frac{H}{L}\left)\right)+\sin (2\×\arctan (\frac{H}{L+a\×d+b\×d}\left)\right)}$

式中：

R₁为远段索槽槽底形线的圆弧半径，R₂为中段索槽槽底形线的圆弧半径，R₃为近段索槽槽底形线的圆弧半径；

H为桥塔的高度；

d为边跨主梁上的边跨斜拉索的锚固点之间的间距；

L为最靠近桥塔的一根边跨斜拉索的锚固点与桥塔之间的水平距离；

a+b+c＝n；

n为通过整体式主索鞍的散索，主跨主缆散索成的边跨斜拉索的股数；

a为近段索槽散索的边跨斜拉索的根数；

b为中段索槽散索的边跨斜拉索的根数；

c为远段索槽散索的边跨斜拉索的根数。

4.如权利要求1所述的双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁，其特征在于：所述的桥塔(1)为H型桥塔，桥塔(1)中间设有横梁。

5.如权利要求1所述的双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁，其特征在于：所述的主跨主梁(2)采用钢箱梁，所述的边跨主梁(3)采用混凝土梁。

6.如权利要求1所述的双塔自锚式斜拉-悬索体系桥梁，其特征在于：所述的边跨斜拉索(6)的股数为7股。