CN107100064B - 一种蝴蝶式斜拉桥体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蝴蝶式斜拉桥体系，包括桥塔、主梁、边墩、斜拉索和不对称曲线拱。在主跨内设置不对称曲线拱，该区域内，斜拉索两端分别与桥塔和不对称曲线拱的拱肋相连；在拱肋上的该锚固点设置与斜拉索位于同一直线上的斜吊杆，并与主梁相连接，同时使斜吊杆的拉力大于斜拉索的索力以使拱肋受压，此时荷载由斜拉索和拱—梁体系共同承担。不对称曲线拱对其区域内的斜拉索具有加劲作用，主梁、不对称曲线拱、拱内斜吊杆共同形成空间框架结构，提高了斜拉桥主跨的空间刚度，有利于抵抗风荷载的作用；同时主梁向下挠曲变形减小，斜拉索变形减小，从而主跨拉索索力减小，改善了桥塔的受力状态。

Description

一种蝴蝶式斜拉桥体系

技术领域

本发明属于桥梁工程领域，特别涉及一种蝴蝶式斜拉桥体系。

背景技术

随着我国公路和铁路建设的持续发展，大跨度桥梁的建造发展迅猛，而斜拉桥以其独特的造型及优越的跨越能力在我国得到了迅速推广。目前所修建的斜拉桥由于通航等需求使得主跨跨径较大，因此与边跨相比刚度较小。在主跨作用车辆等活载时，主梁向下挠曲，导致主跨斜拉索索力增加，塔柱有向主跨弯曲的趋势，导致塔顶变位增大，塔底弯矩明显增加，因此桥塔的设计中所用材料耗费量大，经济性不高。设计人员往往通过设置端锚索来减少桥塔变位、主跨挠度，因此此种情况下端锚索的设计刚度与跨内其他斜拉索相比大很多，从而端锚索中索力增幅明显，在活载的循环往复下，端锚索应力幅较大，易产生疲劳问题。同时，由于主梁向下挠曲导致拉索索力增加，此时拉索在桥面上的水平分力给桥面系造成的纵向压力也越大。斜拉索承受的的巨大拉力以及桥面系承受的巨大压屈力问题，再加上材料自身固有特性的局限、环境因素的影响，要实现斜拉桥更为大跨径的跨越难度较大。除此之外，随着社会经济文化发展水平的不断提高，人们更加重视桥梁建筑的艺术造型，重视桥梁的景观设计，桥梁建筑的美学因素将对斜拉桥的建设产生愈来愈重要的影响。

因此需要对现行的斜拉桥体系进行改进以提高斜拉桥主跨的刚度从而减小主梁的下挠，同时尽可能减小主梁所受的压力和斜拉索索力，亦使桥梁结构具有独特优美的外形。

发明内容

本发明的目的是提供一种蝴蝶式斜拉桥体系，通过在主跨设置一种不对称曲线拱，提高斜拉桥的整体刚度，减小主梁下挠变形和所受压力以及斜拉索索力，同时不对称曲线拱独特优美的造型使得该体系具有较高的美感。

本发明提出的一种蝴蝶式斜拉桥体系，包括桥塔1、边墩2、主梁3、不对称曲线拱4、斜拉索5和斜吊杆6，拉索5及斜吊杆6沿纵向分布于主梁3的主跨上，斜拉索5及斜吊杆6对主梁3起到弹性支承的作用，不对称曲线拱4对称分布于主跨的主梁3上，其中：在不对称曲线拱4区域内，斜拉索5一端与桥塔1一侧相连，另一端锚固在不对称曲线拱4的拱肋上；同时在不对称曲线拱4拱肋上的该锚固点设置与斜拉索5位于同一直线上的拱内斜吊杆6，所述斜吊杆6一端与该锚固点连接，另一端与主梁3相连接，将主梁3所受的荷载传递给不对称曲线拱4拱肋上。同时在设计中，使斜吊杆6的拉力大于斜拉索5的索力，以使不对称曲线拱4受压，此时荷载由斜拉索、不对称曲线拱和主梁共同承担；在斜吊杆6作用下不对称曲线拱4承担斜向荷载，但仍可以基于不对称曲线拱4的自重以及受到的斜向荷载推导出合适的不对称曲线拱４的拱轴线，使不对称曲线拱4只受压力而不受弯矩的作用（合理拱轴线）。

本发明中，斜吊杆6以及斜拉索5所用的材料、具体的尺寸、不同的调整斜吊杆6拉力以及拉索5索力的方式可根据实际情况变化。

本发明中，基于不对称曲线拱4的自重以及受到的斜向荷载推导合适的不对称曲线拱４的拱轴线使不对称曲线拱４的拱肋只受压力而不受弯矩的作用，斜吊杆6的角度、不对称曲线拱4的跨径及矢跨比、拱4面外的倾斜角度可根据实际情况变化。

本发明中，桥塔1为独塔或多塔形式，桥塔1为全漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固接体系或刚构体系等中任一种，可根据实际情况变化。

本发明的有益效果在于：

1、不对称曲线拱对其区域内的斜拉索具有加劲作用，此时主梁、拱、拱内斜吊杆共同形成空间框架结构，提高了主跨的整体刚度，因此，当有车辆荷载作用在主跨时，此时荷载由斜拉索和拱—梁体系共同承担，每部分承担的荷载按照实际工程中所设的拱—梁体系与斜拉索的刚度大小进行分配，刚度较大的一方承受更大的车辆荷载。斜拉索将荷载传递给桥塔，而拱—梁体系则将荷载传递给边墩和下部基础。而且由于刚度的提高，主梁向下挠曲变形减小，因此斜拉索变形减小，从而斜拉索索力减小，有利于减小拉索的受力。同时斜拉索传递给桥塔的拉力减小，因此，桥塔塔底剪力、弯矩随之减小，桥塔的设计可以更为轻柔，可减少材料用量，提高经济性。

2、不对称曲线拱与主梁组合后形成类似系杆拱的受力体系，即此时主梁承担由拱传给下部结构的拉力，该拉力刚好能抵消部分斜拉索在桥面上的水平压力，减小了主梁的受力，能较好地解决主梁因受过大压力而发生失稳等破坏的问题。此外，斜吊杆的存在为主梁提供了多点的弹性支承，减小了主梁的弯矩，由于受力较小，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，增强了斜拉桥的跨越能力。

3、同时，设置的不对称曲线拱的主要目的是对斜拉索起到加劲的作用，并和斜拉索共同分担主梁承受的荷载，拱肋所受的压力值是锚固在拱肋两侧拉索索力相减之后得到的数值，因此拱肋受力较小。此外，基于不对称曲线拱的自重以及受到的斜向荷载能推导出不对称曲线拱的合理拱轴线，使不对称曲线拱只受压力而不受弯矩的作用（合理拱轴线），因此拱截面也可以做的较小，设计上更为轻柔，拱的自重由桥梁边墩承担，不会给桥塔带来附加的的荷载，也增加结构体系的视觉美观性。

4、该体系下，由于桥梁整体的空间刚度得到了提高，因此也提高了抗风刚度，增强了抗风稳定性，抗风性能得到改善，随着桥梁跨径的逐渐增大，这一优势就会更加突显出来。

5、据前文所述，在斜向荷载作用下，拱的合理拱轴线具有不对称的线形，可以利用这一特点建造具有特殊美学造型效果的不对称曲线拱桥。与常规斜拉桥相比，不对称曲线拱桥的流畅线形为单调排列的静态拉索增添了动态美，体现动静结合的美学效果，具有一定的灵动性，给人以起伏跳跃的美感，能有效减少司机和行人行进中的疲劳困乏感。同时不对称曲线的设计也更具创意，避免了千篇一律的斜拉桥造型，能实现较好的景观美学效果。

综上所述，本发明能提高斜拉桥的整体刚度，减小主梁下挠变形和拉索索力，同时不对称曲线拱独特优美的造型使得该协作体系能实现较好的景观美学效果。

附图说明

附图为本发明的实施例，其中：

图1 一种蝴蝶式斜拉桥体系立面图；

图2 一种蝴蝶式斜拉桥体系三维视图；

图中标号： 1桥塔，2边墩，3主梁，4不对称曲线拱，5斜拉索，6斜吊杆。

具体实施方式

为了使公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式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：以一座独塔斜拉桥为实施例，图1为本发明桥梁主体结构示意图（立面图），该协作体系包括桥塔1，边墩2，主梁3，不对称曲线拱4，斜拉索5和斜吊杆6。

沿纵向分布的斜拉索5及斜吊杆6对主梁3起到弹性支承的作用。在不对称曲线拱4区域外，斜拉索5两端分别锚固于桥塔1和主梁3上；而在不对称曲线拱4区域内，斜吊杆6斜向锚固在不对称曲线拱4的拱肋上，斜吊杆6和斜拉索5在不对称曲线拱4的拱肋上锚固于同一点，且位于同一条直线上，斜吊杆6另一端锚固在主梁3上。边墩2支承在所述主梁3的两端。各斜吊杆6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，拱肋4、斜拉索5的材料、线形以及截面尺寸可按设计要求择优选用，斜拉索5的索力以及斜吊杆6的拉力可按设计以及实际需要择优确定，但必须保证在张拉斜吊杆6和斜拉索5的施工过程中，斜吊杆6的拉力大于斜拉索5的索力以使不对称曲线拱4的拱肋受压。不对称曲线拱4的合理拱轴线根据不对称曲线拱4的自重以及斜吊杆6传给不对称曲线拱4的拱肋的压力进行设计，以使得拱受轴向压力的作用而不受弯矩的作用。

具体施工过程中，首先修建桥塔1，在未设置不对称曲线拱4区域内，通过悬臂浇筑施工主梁3，各段安装斜拉索5并张拉；而在设置了不对称曲线拱4区域内，利用斜拉桥体系修建的桥塔1，通过其上的斜拉索5拉住不对称曲线拱4的拱圈节段逐节悬臂架设，之后，浇筑施工主梁3，安装并张拉斜吊杆6。

从图中可以看到，主梁3与不对称曲线拱4、斜吊杆6形成空间框架结构，提高了主跨的空间刚度，有利于抵抗风荷载的作用。同时，在设有不对称曲线拱4的区域内，当有车辆荷载作用在主跨时，荷载由斜拉索5和拱—梁体系共同承担，每部分承担的荷载按照实际工程中所设的拱—梁体系与斜拉索5的刚度大小进行分配，刚度较大的一方承受更大的车辆荷载。斜拉索5将荷载传递给桥塔1，而拱—梁体系则将荷载传递给边墩2和下部基础。而且由于刚度的提高，主梁3向下挠曲变形减小，因此斜拉索5变形减小，从而斜拉索索力5减小，有利于斜拉索5的受力。此时斜拉索5传递给桥塔1的力减小，桥塔1的设计可以更为纤细，能减少材料用量，提高经济性。同时，不对称曲线拱4与主梁3组合后形成类似系杆拱的受力体系，此时主梁3受到来自拱4的拉力，该拉力刚好能抵消部分斜拉索5在桥面上产生的水平压力，减小了主梁3所受的压力，能较好地解决主梁3因受过大压力而发生失稳等破坏的问题。同时，不对称曲线拱4主要对斜拉索5起加劲作用，和斜拉索5共同分担主梁3承受的荷载，不对称曲线拱4的拱肋所受的压力值是锚固在拱肋两侧斜拉索5索力相减之后的数值，因此拱受力较小。除此之外，曲线拱4独特的不对称曲线设计也将给通行者和游览者带来美的享受，避免了千篇一律的斜拉桥造型，具有新意。

Claims (4)

1.一种蝴蝶式斜拉桥体系，包括桥塔(1)、边墩(2)、主梁(3)、不对称曲线拱(4)、斜拉索(5)和斜吊杆(6)，其特征在于：斜拉索(5)及斜吊杆(6)沿纵向分布于主梁(3)上，不对称曲线拱(4)横向对称分布于主梁(3)的主跨上，且位于桥塔(1)的同一侧；在不对称曲线拱(4)区域内，斜拉索(5)一端与桥塔(1)一侧相连，另一端锚固在不对称曲线拱(4)拱肋的锚固点上；同时在不对称曲线拱(4)拱肋上的该锚固点设置与斜拉索(5)位于同一直线上的拱内斜吊杆(6)，所述斜吊杆(6)一端与该锚固点连接，另一端与主梁(3)相连接，并使斜吊杆(6)的拉力大于斜拉索(5)的索力，以使不对称曲线拱(4)具有合理的拱轴线，仅受压力而不受弯矩的作用；桥塔(1)的另一侧通过斜拉索(5)连接主梁(3)；该体系中不对称曲线拱对其区域内的斜拉索起到加劲作用，提高了斜拉桥主跨的整体刚度。

2.根据权利要求1所述的蝴蝶式斜拉桥体系，其特征在于斜吊杆(6)以及斜拉索(5)所用的材料、具体的尺寸、不同的调整斜吊杆(6)拉力以及拉索(5)索力的方式根据实际情况变化。

3.根据权利要求1所述的蝴蝶式斜拉桥体系，其特征在于基于不对称曲线拱(4)的自重以及受到的斜向荷载推导出合适的不对称曲线拱(4)的拱轴线，使不对称曲线拱(4)的拱肋只受压力而不受弯矩的作用，斜吊杆(6)的角度、不对称曲线拱(4)的跨径及矢跨比、拱(4)面外的倾斜角度根据实际情况变化。

4.根据权利要求1所述的蝴蝶式斜拉桥体系，其特征在于桥塔(1)为独塔或多塔形式，桥塔(1)为全漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固接体系或刚构体系中任一种。