CN107268422A - 一种等跨自锚式悬索‑拱梁协作体系桥梁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等跨自锚式悬索‑拱梁协作体系桥梁。包括主梁、悬索吊杆、拱吊杆、主缆、拱肋、桥塔、边墩和风撑。主缆和拱肋在主梁的横桥向对称布置，主梁由沿桥纵向分布的悬索吊杆和拱吊杆分别连接到主缆与拱肋上，形成对主梁的弹性支撑。主缆跨过桥塔，两端锚固在主梁端部，给主梁施加了轴向压力，拱肋和主梁两端刚接，给主梁施加了轴向拉力，拉压相互平衡，边墩支撑在整个体系两端。本发明通过将主梁受压的等跨自锚式悬索桥和主梁受拉的拱梁组合桥结合起来，抵消主梁内部的部分轴压力，解决了跨径较大时主梁轴力过大导致的稳定性问题以及承载能力不足截面设计过大问题。本发明结构体系受力合理，主梁自重轻，跨越能力强，抗震、抗风性能优异，是大、中跨径桥梁的又一良好结构形式。

Description

一种等跨自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁

技术领域

本发明属于土木工程、桥梁工程技术领域，具体涉及一种悬索-拱协作体系桥梁，特别涉及一种等跨自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁。

背景技术

桥梁除了提供跨越功能外，往往还会以其独特的造型而成为一个地区的标志景观，在众多桥梁结构形式中，尤以悬索桥和拱桥曲线造型最为美观，因此，悬索桥和拱桥就成为了桥梁选型时极具竞争力的方案。

悬索桥中的自锚式悬索桥是一种特殊的缆索承重桥型，不同于传统地锚式悬索桥，该桥型取消了巨大昂贵的锚碇，将主缆直接锚固在主梁上，形成了自平衡体系，既节省了锚碇的费用，还使该桥型对桥址地质条件放宽，在软土地区同样适用，受到工程界的青睐。其主要由桥塔、主梁、主缆、吊杆组成。该桥用悬挂在桥塔上的强大主缆作为主要承重结构，桥上的竖向荷载通过吊杆使主缆承受很大的拉力，主缆锚固于主梁两端，主缆拉力在主梁两端的水平分力会给主梁施加巨大的轴压力，整个结构形成一个自平衡体系。在小跨径时，主缆给主梁施加的轴向分力可以作为预应力来改善主梁的受力，但随着跨径的增大，以及主塔高度的限制，主梁受到的轴压力会大幅增大，成为了主梁截面设计时的主要控制因素，尤其对于钢加劲梁体系，局部稳定问题就会显得尤为突出，而且由于压力存在而增加的截面尺寸会引起主梁自重的进一步增大，主缆索力也相应提高，主梁轴压力进一步增大，说明靠增大截面尺寸改善主梁轴压力过大的方案是不够合理经济的。受主梁轴压力的限制，自锚式悬索桥的合理跨径在100～600m范围内。其次，自锚式悬索桥的主梁在长期轴压力作用下徐变效应明显，而自锚式悬索桥对梁、索、塔任意参数的改变及线型变化非常敏感，徐变效应的计算精度要求很高。

拱桥是最古老的桥梁结构体系之一，跨越能力大，美观轻巧，应用广泛。以下承式有推力拱桥为例，其由拱肋、吊杆、桥面系组成，受力特点是：一、在竖向荷载下拱脚处会产生水平推力来抵抗弯矩；二、在特定合理拱轴线下，拱截面主要受压，因此可以采用抗压性能好、抗拉性能较差的圬工材料。因拱脚的推力对地基的要求高，在地质条件较差的地区，一般采用无推力拱桥，如拱梁组合桥等。拱梁组合桥的拱肋和加劲纵梁在拱脚处连接，拱脚的推力由纵梁承担，纵梁受拉，整个结构形成自平衡体系。拱梁组合桥随着跨径的增大，拱内的压力增大，稳定性问题显现，且主梁拉力过大，预应力筋增多，布置较难，因此其合理跨径范围限制在400m以内。

为了提升桥梁跨越能力，改善桥梁受力状态，国内外提出了多种协作体系桥梁形式，如斜拉-悬索协作体系、矮塔斜拉桥-悬索协作体系、斜拉-拱协作体系等，这些协作体系桥梁综合不同桥梁结构形式的优点，改善了原有单一结构形式受力的弊端，使桥梁体系受力更合理，也为桥梁选型提供了新的思路。

针对跨径增大带来的自锚式悬索桥主梁压力过大、拱梁组合桥纵梁拉力过大的问题，目前还没有很好的解决思路，试将这两种体系组合起来，梁受到的压力和拉力就能互相抵消，但这一自锚式悬索桥和拱之间的协作体系还未见相关研究。

发明内容

本发明的目的在于减小自锚式悬索桥以及拱梁组合桥主梁的轴力，提高主梁承载能力，减小主梁截面，进一步增大两种体系的跨径范围，并提供一种实现自平衡的一种等跨自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁。

为达到以上目的，本发明采用的解决方案是：综合等跨自锚式悬索桥和拱梁组合桥的主梁受力特点，将等跨自锚式悬索桥和拱梁组合桥这两种结构形式组合起来，形成等跨自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁形式，使主梁在两种单一结构形式中受到的压力和拉力相互抵消，自相平衡，减小主梁轴力。从而既能增大主梁的承载能力，使跨度进一步提高，还能缩小主梁截面尺寸，节省材料。此外，因协作体系中主缆和拱共同承担主梁自重和桥面荷载，桥塔以及拱肋中的压力会小于单一结构体系时的受力，构件稳定性增强，截面尺寸也可进一步减小。此外，悬索-拱协作体系仍保有原单一结构的自平衡体系的优势，对桥梁地基条件仍具有广适应性。

本发明提出的一种等跨自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁，由主梁1、悬索吊杆2、拱吊杆3、主缆4、拱肋5、桥塔6和边墩7组成，其中：所述主缆4和所述拱肋5分别对称布置于所述主梁1的横桥向上方，所述主梁1由沿桥纵向分布的悬索吊杆2与主缆4相连接，同时，所述主梁1由沿桥纵向分布的拱吊杆3与拱肋5相连接，通过主缆4和拱肋5共同形成对主梁1的弹性支撑；所述主缆4中部跨过桥塔6顶部，其两端分别锚固于主梁1两端，给主梁１施加了轴向压力，同时，所述拱肋5和所述主梁1两端刚接，给主梁１施加了轴向拉力，主梁1中拉压相互平衡；所述主梁１底部四周通过边墩7支撑。

本发明中，悬索吊杆2竖直方向与所述主缆3相接处用索夹固定，所述拱吊杆3一端竖向锚固在所述拱肋５上，各吊杆力根据实际情况进行设计，吊杆的材料、形状及截面尺寸根据需要设计。

本发明中，主梁1在纵桥向等跨布置，所述主缆4和拱肋5在横桥向可根据需要在同一平面或不同平面，当主缆4和拱肋5位于不同平面时，主缆4和拱肋5需在横桥向分别对称布置，布置形式和数量可根据需要设计，若横向布置多片拱肋5，相邻的拱肋5横向之间设置风撑8，当主缆4和拱肋5位于同一平面时，连接主缆4和主梁1的悬索吊杆2与连接拱肋5与主梁1的拱吊杆3可以合并。

本发明中，主梁1、拱肋5、桥塔6和风撑8的材料、形式和截面可按需设计。

本发明中，所述协作体系桥梁不限于单塔对称形式，可以任意跨组合，形成多塔多跨形式。

本发明的优点在于：

1)通过同时将自锚式悬索桥的主缆和拱梁组合桥的拱肋与主梁相连，用拱梁组合桥中拱推力引起的主梁拉力来平衡自锚式悬索桥中主缆施加给主梁的压力，减小自锚式悬索桥主梁轴压力，甚至完全抵消主梁的轴力，可减小主梁设计截面，节省建造材料，同时也解决了自锚式悬索桥跨径增大带来的加劲梁受压稳定问题，可以使自锚式悬索桥的跨径进一步得到提高。

2)主梁的自重以及桥面荷载由自锚式悬索桥和拱共同分担，每个构件的受力都比单一体系时的受力减小，构件的截面也可相应减小，而且桥塔、拱肋中的压力减小有利于结构的稳定性。

3)自锚式悬索桥和拱梁组合桥的协作体系仍然是自平衡体系，可以适应各种场地地基条件，而且对于结构的抗震性能是非常有利的。

4)两种体系结合后，协作体系的整体刚度大大提高，有利于抗风稳定性。

总之，本发明结构体系受力合理，主梁自重轻，跨越能力强，稳定性好，抗震、抗风性能优异，是大、中跨径桥梁的又一良好结构形式。

附图说明

图1自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁主视图；

图2自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁轴视图；

图中标号：1.主梁，2.悬索吊杆，3. 拱吊杆，4. 主缆，5. 拱肋，6. 桥塔，7. 边墩，8.风撑。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是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做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范畴。

实施例1：请见图1，本结构体系为双塔双索面的自锚式悬索桥和单拱肋拱梁组合桥的结合，由主梁1、悬索吊杆2、拱吊杆3、主缆4、拱肋5、桥塔6、边墩7、风撑8组成。所述主梁1为钢加劲梁，截面为箱形，在图1中简化表示为矩形。所述桥塔6为变截面的方形独柱式混凝土桥塔，截面由上到下逐渐加大，符合桥塔的受力特点。所述桥塔6位于所述主梁1的正中间，保证所述桥塔6两侧的所述主梁1等跨径，所述桥塔6与所述主梁1相交处并未与所述主梁1相连，使所述主梁1全漂浮。所述主缆4由所述桥塔6撑起，架于所述主梁1横桥向中间的上方，并由沿桥纵向分布的所述悬索吊杆2与所述主梁1相连，其两端锚固在所述主梁1端部。所述拱肋5为钢管混凝土矩形拱肋，本例采用双拱肋，两片拱肋分别位于所述主梁1横桥向两侧的上方，并由沿桥纵向分布的所述拱吊杆3与所述主梁1相连，其拱脚位置处和所述主梁1两端刚接，两拱肋5间设置所述风撑8以保障拱肋的侧向稳定性。除了所述主缆4以及所述拱肋5对所述主梁1形成共同的弹性支撑外，所述主梁1还由支撑在整个体系两端的所述边墩7支撑。所述悬索吊杆2竖直方向与所述主缆3相接处用索夹固定，所述拱吊杆3竖向锚固在所述拱肋5上，通过控制各吊杆力的大小可以调整主缆4与拱肋5各自承担主梁1自重的比例，从而调整桥塔6和拱肋5的受力，悬索吊杆2和拱吊杆3的拉力大小可根据主要承重构件的受力需要进行设计，在吊杆间距、材料、形状确定的情况下进一步设计吊杆的截面尺寸。所述主缆4、风撑8的材料、形式和截面可按需设计。

施工时，先施工所述桥塔6，同时施工边墩7，然后以桥塔为支点用临时缆索从中间向两边悬吊拼装拱肋5，待拱肋5拼装连接好，先用临时拉杆连接拱肋的两拱脚，以此平衡拱肋在自重作用下产生的拱脚水平推力，然后在架设好的拱肋5上安装所述拱吊杆3，用拱吊杆3吊装拼接主梁1，同时将主梁1两端支撑在边墩7上，待主梁1架设好后，将拱肋5两端拱脚和主梁1刚接，张拉吊杆，拆除部分临时拉杆，至此，拱梁组合桥体系施工完成，主梁1的重力由拱肋和边墩承担，拱肋5受压，主梁1受拉；之后架设主缆4，并将主缆4两端锚固在施工好的主梁1两端，安装悬索吊杆2，将其一端用索夹和主缆4连接，另一端锚固在主梁上，至此，自锚式悬索桥体系施工完成，主梁1的部分重力转而由主缆4承担，主缆4受拉，主梁1中拉力减小；最后是体系转换，拆除拱的剩余临时拉杆以及吊装拱肋5用的临时缆索，调整悬索吊杆2、拱吊杆3的吊杆力，使桥塔6和拱肋5的受力更加合理，且保证结构自重下主梁1中轴力最小。

本实施例用拱梁组合桥中拱脚推力引起的主梁1拉力来平衡自锚式悬索桥中主缆4施加给主梁1的压力，减小自锚式悬索桥主梁1轴压力，甚至完全抵消主梁1的轴力，可减小主梁1设计截面，节省建造材料，同时也解决了自锚式悬索桥跨径增大带来的加劲梁受压稳定问题，可以使自锚式悬索桥的跨径进一步得到提高。主梁1的自重以及桥面荷载由自锚式悬索桥和拱共同分担，每个构件的受力都比单一体系时的受力减小，构件的截面也可相应减小，而且桥塔6、拱肋5中的压力减小有利于结构的稳定性。此外，该桥的施工依托拱肋吊装拼接主梁，避免了自锚式悬索桥先施工主梁时需要架设满堂支架的麻烦，还用桥塔提供支点实现拱肋的悬吊拼接施工，避免了临时塔架施工造成的劳动力和施工成本上的浪费，两种体系相互依托，既简化了施工过程，又使成桥后结构受力更优化，且悬索和拱的结合从侧面看犹如雄鹰展翅，气势宏伟，是大、中跨径桥梁的又一良好结构形式。

Claims (5)

1.一种等跨自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁，由主梁（1）、悬索吊杆（2）、拱吊杆（3）、主缆（4）、拱肋（5）、桥塔（6）和边墩（7）组成，其特征在于：所述主缆（4）和所述拱肋（5）分别对称布置于所述主梁（1）的横桥向上方，所述主梁（1）由沿桥纵向分布的悬索吊杆（2）与主缆（4）相连接，同时，所述主梁（1）由沿桥纵向分布的拱吊杆（3）与拱肋（5）相连接，通过主缆（4）和拱肋（5）共同形成对主梁（1）的弹性支撑；所述主缆（4）中部跨过桥塔（6）顶部，其两端分别锚固于主梁（1）两端，给主梁（1）施加了轴向压力，同时，所述拱肋（5）和所述主梁（1）两端刚接，给主梁（1）施加了轴向拉力，主梁（1）中拉压相互平衡；所述主梁（1）底部四周通过边墩（7）支撑。

2.根据权利要求1所述的一种等跨自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁，其特征在于悬索吊杆（2）竖直方向与所述主缆（3）相接处用索夹固定，所述拱吊杆（3）一端竖向锚固在所述拱肋（５）上，各吊杆力根据实际情况进行设计，吊杆的材料、形状及截面尺寸根据需要设计。

3.根据权利要求1所述的一种等跨自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁，其特征在于主梁（1）在纵桥向等跨布置，所述主缆（4）和拱肋（5）在横桥向可根据需要在同一平面或不同平面，当主缆（4）和拱肋（5）位于不同平面时，主缆（4）和拱肋（5）需在横桥向分别对称布置，布置形式和数量可根据需要设计，若横向布置多片拱肋（5），相邻的拱肋（5）之间设置风撑（8），当主缆（4）和拱肋（5）位于同一平面时，连接主缆（4）和主梁（1）的悬索吊杆（2）与连接拱肋（5）与主梁（1）的拱吊杆（3）可以合并。

4.根据权利要求1所述的一种等跨自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁，其特征在于主梁(1)、拱肋(5)、桥塔(6)和风撑（8）的材料、形式和截面可按需设计。

5.根据权利要求1所述的一种等跨自锚式悬索-拱梁协作体系桥梁，其特征在于所述协作体系桥梁不限于单塔对称形式，可以任意跨组合，形成多塔多跨形式。