CN107059594B - 一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种斜拉‑下承式吊杆拱协作体系桥梁，包括主梁、斜拉索、索塔、边墩、拱肋、吊杆和风撑。所述主梁由所述斜拉索和所述边墩提供支撑。所述拱肋横桥向与索塔平面平行布置，纵桥向拱脚锚固于主梁端部，其余位置通过吊杆与所述主梁相连。所述斜拉索一端锚固于主梁，另一端锚固于索塔，所述风撑与所述拱肋两端刚接。本发明中作用于主梁的外荷载由拱梁组合体系及斜拉桥体系共同承担，拱脚处产生的水平推力可以抵消部分主梁所受的轴向压力，形成主梁受力自平衡。该体系避免了大跨度斜拉桥因索塔高度受到限制导致主梁轴向压力过大而发生失稳破坏，提高了主梁的跨越能力。主梁、索塔、斜拉索的耗材量减小，施工难度降低，结构体系的整体刚度得到了显著提高，抗风性能得到了明显改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种桥梁结构形式，特别是一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁。
背景技术
桥梁作为交通基础设施建设的咽喉工程，自改革开放以来，在我国迎来了大规模的建设。随着设计理念的不断提升、计算方法的逐步发展、施工技术的日益成熟，使得桥梁结构的跨越能力逐渐增强，因此形形色色的大跨度桥梁就涌现了出来。斜拉桥是大跨度桥梁的典型代表之一，主要由基础、索塔、主梁和斜拉索组成，其传力途径为受拉的斜拉索对主梁提供多点弹性支撑，并将主梁承受的荷载传递至索塔，再通过塔传至基础。由于主梁受到斜拉索的水平分力作用，等同于一个偏心受压构件，这就使得斜拉桥主梁的截面尺寸相比于普通的梁式桥而言大大减小，结构的自重显著减轻，桥梁结构的跨越能力得到了提高。
由于斜拉桥索塔的高度受到日照温差、支座沉降、风荷载及地震荷载等因素的限制，不能无限制增加，这就会造成主梁的轴向压力因其跨径的增加而增大并逐渐成为斜拉桥设计主要的控制因素，过大的轴向力会使得梁体的稳定性受到影响，限制了斜拉桥跨越能力，而通过增大截面尺寸来提高主梁的整体稳定性会增加桥梁的材料耗费量，并不经济。以上问题表明：当塔高受到限制时，斜拉桥的适用范围就受到了严格的限制，超出了这一范围，就会出现不经济、不安全或不稳定等问题。
桥梁结构体系的组合与协作是解决该类问题的有效途径之一。由于拱桥在竖向荷载作用下，拱脚处会产生水平推力，基于拱结构体系这一受力特点，并与斜拉桥体系合理地组合起来，可以抵消部分斜拉桥主梁所受的轴压力，使两种体系协同作用，从而获得更好的力学和经济性能，但目前尚无针对该受力体系的相关研究且目前应用于工程实践中的斜拉桥与拱桥的协作体系如2002年建成的马来西亚的神·绍加拉桥（Seri Saujana Bridge）及2006年建成的湘潭湘江四桥，均未充分利用两种体系各自的优势，造成结构受力分配并不明确，没有真正地起到两种体系相互弥补的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系，该体系可以适当减小主梁、拱肋及主塔的轴向压力，增强主梁的稳定性及跨越能力，增加体系的整体刚度，减小主梁、索塔、斜拉索及拱肋的耗材量，减小斜拉索自重产生的垂度效应，使拱梁组合体系与斜拉桥体系协同作用，充分发挥出各自的优势。
一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁，包括索塔1、边墩2、主梁3、斜拉索4、拱肋5、吊杆6和风撑7。其中：述主梁3由所述索塔1、所述边墩2以及所述斜拉索4支撑，所述主梁3四周固定于边墩2上，索塔1布置于主梁3中部，所述索塔1通过对称布置的若干个斜拉索4连接主梁3；所述拱肋5布置于主梁3上，横桥向与索塔1平面平行布置，纵桥向拱脚锚固于所述主梁3两端，并通过所述吊杆6与所述主梁3相连；所述风撑7两端分别与所述拱肋5刚接。
本发明中，拱肋5横桥向对称布置于所述主梁3两侧，或布置于所述主梁3中心，拱肋5纵桥向锚固于所述主梁3两端，并支撑于所述边墩2的支座上，所述相邻的吊杆6之间间距、所述吊杆6与所述主梁3间的夹角、所述拱肋5的矢跨比、面外倾斜角度可根据实际情况变化，所述拱肋5、所述吊杆6和所述风撑7的材料可依据实际情况择优选择。
本发明中，索塔1在横桥向对称布置于所述主梁3两侧，或布置于所述主梁3中心，所述索塔1在纵桥向为独塔形式或多塔形式中任一种，塔的线形、截面尺寸和材料可根据实际情况变化。
本发明中，斜拉索4在横桥向布置成双索面或单索面，拉索在索面的布置可根据设计总体构思、受力情况及美学要求因素确定，拉索材料可依据实际情况择优选择。
本发明中，所述斜拉-下承式吊杆拱协作体系的跨径布置为独塔双跨或多塔多跨，跨径组合依据实际情况进行设计。
本发明中，所述斜拉-下承式吊杆拱协作体系可根据实际情况变化，可以是全飘浮体系、半飘浮体系、塔梁固接体系或刚构体系中任一种。
本发明中，所述斜拉索4一端锚固于所述主梁3，另一端锚固于所述索塔1。
本发明的有益效果在于：
1、当索塔高度受到一定程度的限制时，随着主梁跨径的增加，斜拉索与主梁之间的夹角逐渐减小，外荷载作用下主梁所受的轴向压力逐渐增大，拱脚处产生的水平推力可以抵消部分主梁所受的轴向压力，避免主梁发生失稳破坏，提高了主梁的跨越能力；
2、拱结构的存在不仅减小了主梁所受的轴向压力而且帮助斜拉桥体系分担了部分外荷载，同时吊杆的存在为主梁提供了多点的弹性支撑，减小了主梁的弯矩，可以使主梁截面的设计尺寸减小，降低主梁的自重，减小了主梁的耗材量。
3、斜拉体系可以显著改善拱肋的受力状况，减小拱肋所受的压力，提高拱肋的整体稳定性，可以使拱肋线形设计得更为轻盈，增加结构体系的视觉美观性。
4、由于荷载作用下拱结构产生的水平推力减小了主梁部分的轴向压力，避免了通过增加塔高及斜拉索与主梁间倾角这一复杂方式来调整主梁的轴向受力情况，减小了索塔的轴向压力及材耗量，降低了索塔的施工难度，缩短了斜拉索索长，降低了斜拉索垂度效应对结构产生的不利影响。
5、由于主梁、拱、吊杆、风撑共同形成了一个空间刚架结构，使得结构体系的整体刚度得到了提高，体系的抗风性能得到了明显改善，随着桥梁跨径的逐渐增大，这一优势就会更加突显出来。
附图说明
图1 一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁立面图；
图2 一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁三维视图；
图中标号：在图1、2中，1.索塔，2.边墩，3.主梁，4.斜拉索，5.拱肋，6.吊杆，7.风撑。
具体实施方式
为了能进一步了解本发明的技术实质及有益效果，兹例举以下实施例并结合附图作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施例1：
以一座独塔斜拉-下承式吊杆拱协作体系为实施例，图1为本发明主体结构示意图（立面图），该协作体系由索塔1、边墩2、主梁3、斜拉索4、拱肋5、吊杆6和风撑7组成。
所述主梁3由沿纵向分布的所述斜拉索4及所述吊杆6连接到所述索塔1及所述拱肋5上，对主梁3起到弹性支撑的作用。所述斜拉索4两端分别锚固于主梁3及索塔1上。所述拱肋5纵桥向两端与所述主梁3两端刚接，所述边墩2支撑在所述主梁3的两端。所述吊杆6竖向锚固在所述拱肋5上。所述风撑7两端与所述拱肋5刚接，为所述拱肋5提供横向支撑。各吊杆的拉力、截面尺寸、布置间距、倾斜角度及所用材料可依据实际情况进行设计。所述索塔1、边墩2、主梁3、斜拉索4、拱肋5和风撑7的材料、线形以及截面尺寸可按设计要求择优选用。
采用“先梁后拱”的施工方法对实施例进行施工，具体实施步骤为：
步骤1. 施工下部结构，主要包括桩基、承台、边墩以及索塔塔墩部分；
步骤2. 施工索塔塔柱部分，同时在两侧对称悬臂拼装主梁并进行斜拉索的挂索与张拉；
步骤3. 浇筑拱肋的拱脚部分，将预制好的拱肋节段按设计位置进行拼装并焊接成整体，然后在两拱肋间安装风撑；
步骤4. 安装吊杆并对吊杆进行分段张拉。
成桥后主梁恒载及作用于主梁上的活载由斜拉桥体系及拱梁组合体系共同承担，即部分荷载通过吊杆传递至拱肋，再由拱顶传至拱脚，并在拱脚处产生水平推力，抵消了部分主梁所受的轴压力，提高了主梁的稳定性；另一部分荷载通过斜拉索传递至索塔，最终传至基础。锚固在主梁上的斜拉索和吊杆为主梁提供了多点弹性支撑，减小了主梁的弯矩，提高了主梁的跨越能力，同时拱肋的存在增加了结构的整体刚度，提高了结构的抗风稳定性。
Claims (7)
1.一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁，包括索塔(1)、边墩(2)、主梁(3)、斜拉索(4)、拱肋(5)、吊杆(6)和风撑(7)，其特征在于：所述主梁(3)由所述索塔(1)、所述边墩(2)以及所述斜拉索(4)支撑，所述主梁(3)两端固定于边墩(2)上，索塔(1)布置于主梁(3)中部，所述索塔(1)通过对称布置的若干个斜拉索(4)连接主梁(3)；所述拱肋(5)布置于主梁(3)上，横桥向与索塔(1)平面平行布置，纵桥向拱脚锚固于所述主梁(3)两端，并通过所述吊杆(6)与所述主梁(3)相连；所述风撑(7)两端分别与所述两个拱肋(5)刚接，拱肋(5)横桥向对称布置于所述主梁(3)两侧。
2.根据权利要求1所述的一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁，其特征在于纵桥向拱脚锚固于所述主梁(3)两端，并支撑于所述边墩(2)的支座上，所述相邻的吊杆(6)之间间距、所述吊杆(6)与所述主梁(3)间的夹角、所述拱肋(5)的矢跨比、面外倾斜角度根据实际情况变化，所述拱肋(5)、所述吊杆(6)和所述风撑(7)的材料依据实际情况择优选择。
3.根据权利要求1所述的一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁，其特征在于索塔(1)在横桥向对称布置于所述主梁(3)两侧，或布置于所述主梁(3)中心，所述索塔(1)在纵桥向为独塔形式，塔的线形、截面尺寸和材料根据实际情况变化。
4.根据权利要求1所述的一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁，其特征在于斜拉索(4)在横桥向布置成双索面或单索面，拉索在索面的布置根据设计总体构思、受力情况及美学要求因素确定，拉索材料依据实际情况择优选择。
5.根据权利要求1所述的一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁，其特征在于所述斜拉-下承式吊杆拱协作体系的跨径布置为独塔双跨或多塔多跨，跨径组合依据实际情况进行设计。
6.根据权利要求1所述的一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁，其特征在于所述斜拉-下承式吊杆拱协作体系根据实际情况变化，是全飘浮体系、半飘浮体系、塔梁固接体系或刚构体系中任一种。
7.根据权利要求1所述的一种斜拉-下承式吊杆拱协作体系桥梁，其特征在于所述斜拉索(4)一端锚固于所述主梁(3)，另一端锚固于所述索塔(1)。
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