CN107587417A - 混合组合梁三跨连续悬索桥 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种混合组合梁三跨连续悬索桥，包括：两个桥塔作为悬索桥的支撑结构，设置于桥体两侧，两个桥塔之间的桥体为悬索桥主跨，两个桥塔外侧的桥体为边跨；钢主梁，位于桥体中央；两个钢‑混凝土主梁，一端固接于钢主梁，另一端放置在过渡墩的顶部；两个主缆，两端分别固定在锚碇上，并支撑在两个桥塔的顶端，实现对钢主梁、钢‑混凝土主梁的承重；多个吊索，安装在主缆上，用于悬吊钢主梁、钢‑混凝土主梁；两个过渡墩，用于支撑两个钢‑混凝土主梁外侧的端部；两个锚碇，分别设置于悬索桥的两侧，用于锚固主缆。本发明具有结构整体刚度大、阻尼大、稳定性好、行车舒适性好、抗疲劳性能好、施工安全性好、经济性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其是一种混合组合梁三跨连续悬索桥。
背景技术
悬索桥是以主缆受拉为主要承重构件的柔性缆索桥梁结构。主梁自重、二期恒载、汽车活载、温度作用、大风、地震等荷载均通过吊索传递给主缆，最终由主缆将全部荷载由主塔和锚碇传递给基础。
按照主梁的支承条件，悬索桥可分为单跨两铰悬索桥、三跨两铰悬索桥、三跨连续悬索桥。单跨两铰悬索桥，是主梁只在主跨设置，主梁在桥塔处通过铰接支撑在桥塔的横梁上。三跨两铰悬索桥，是主梁在主跨和边跨同时设置，但主梁在桥塔处断开，并通过铰接支撑在桥塔的横梁上。三跨连续悬索桥，是主梁在主跨和边跨同时设置，且主梁在桥塔处连续通过，主梁与桥塔之间不设置铰接支撑，主梁下方不需要设置桥塔的横梁。
采用三跨连续体系的悬索桥，主梁在桥塔处连续通过，有利于减小主梁在横向风荷载作用下的横向变位，并能够减少桥塔处的伸缩缝和支座，桥塔区主梁线形匀顺，行车舒适度好，且便于桥梁的养护管理。世界上已建成的最大跨度三跨连续悬索桥是丹麦的大贝尔特东桥，其主跨跨径为1624m，边跨跨径均为535m，1998年8月通车；我国已建成的最大跨度三跨连续悬索桥是南京长江四桥，其主跨跨径为1418m，边跨跨径分别为410m和363m，2012年12月通车。我国还正在规划建设的大跨径三跨连续悬索桥，一是位于粤港澳大湾区的深中通道工程主跨1666m的伶仃航道桥，二是位于贵州六盘水的主跨1250m的大河特大桥。目前，国内外已建成的和在建的三跨连续体系的悬索桥均采用钢结构主梁。
虽然三跨连续体系的悬索桥具有很强的优越性，但因主梁与桥塔之间不设置铰接支撑，连续通过桥塔的主梁，在桥塔区域会产生很大的负弯矩，这就导致主梁在桥塔区域的截面必须显著增大。若受建设条件限制，边跨主梁跨径较短，则边跨主梁对中跨主梁的压重作用较小，从而导致主跨主梁的内力和变形增大、边跨主梁端部过渡墩的负反力增大、吊索的内力变化幅度增大、主梁和吊索的疲劳性能降低。此外，若主跨和边跨全部采用钢结构，桥梁的造价较高，桥梁整体刚度较小、阻尼很低，桥梁的静动力稳定性较差。因此，需要研究结构刚度大、阻尼大、稳定性好、行车舒适性好、抗疲劳性能好、施工安全性好、经济性好的新型三跨连续悬索桥方案。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本发明针对传统钢结构主梁三跨连续悬索桥结构整体刚度小、阻尼低、稳定性差，而且桥塔区域主梁截面大、过渡墩负反力大、主梁和吊索的疲劳性能差、工程总体经济性差等特点，提出一种新型的混合组合梁三跨连续悬索桥，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种混合组合梁三跨连续悬索桥，包括：两个桥塔，作为悬索桥的支撑结构，设置于桥体两侧，两个桥塔之间的桥体为悬索桥主跨，两个桥塔外侧的桥体为边跨；钢主梁，位于桥体中央；两个钢-混凝土主梁，一端固结于刚主梁，另一端放置在过渡墩的顶部；两个主缆，作为主要的承重构件的索缆，位于桥体纵向两侧，每个主缆分别支撑在两个桥塔的顶端，并且其两端固定在两个锚碇上，实现对钢主梁、钢-混凝土主梁的承重；多个吊索，竖直地连接于主缆与钢主梁、主缆与钢-混凝土主梁之间，用于将该桥的钢主梁、钢-混凝土主梁悬吊在主缆上；两个过渡墩，竖直地设置于桥体两端部下方，即两个钢-混凝土主梁外侧的端部下方，用于支撑所述两个钢-混凝土主梁外侧的端部；两个锚碇，分别设置于悬索桥的两侧，用于锚固主缆。在本发明一些实施例中，所述钢主梁的顶板及下部底板均为钢结构，所述钢-混凝土主梁的顶板为混凝土结构，下部底板为钢结构。
在本发明一些实施例中，当所述钢主梁的一端位于主跨，且未达到其近侧桥塔处时，与之相连的钢-混凝土主梁设置于相应侧边跨的全部长度上并越过其近侧桥塔与钢主梁梁端固结；当所述钢主梁的一端位于其近侧桥塔处时，与之相连的钢-混凝土主梁设置于相应侧边跨的全部长度上；当所述钢主梁的一端越过其近侧桥塔而伸入相应侧边跨时，所述钢-混凝土主梁设置于相应侧边跨的部分长度上。
在本发明一些实施例中，所述桥梁主梁沿桥跨长度为L，两侧边跨的长度分别为l1、l2，钢主梁的长度为s，两侧钢-混凝土主梁的长度分别为s1、s2；其中，s1+s2+s＝L，确定s、s1、s2的条件包括：
在汽车活载、温度、风荷载组合作用下，桥梁主跨L/4处主梁的竖向挠度极大值dmax反映桥梁的竖向刚度，桥梁主梁沿桥跨L的竖向弯曲应变能极大值Umax反映桥梁的竖向整体受力性能，上述参数dmax及Umax均取得极小值。
在本发明一些实施例中，所述确定混合组合梁三跨连续悬索桥的钢主梁及其两侧钢-混凝土主梁长度s、s1、s2的条件还包括：
当参数dmax、Umax不能同时取得极小值时，以dmax取得极小值为优先判别条件，并在此基础上，进一步综合施工安全性能、施工质量、施工进度、工程造价多种因素，从而确定连接位置。
在本发明一些实施例中，所述确定混合组合梁三跨连续悬索桥的钢主梁及其两侧钢-混凝土主梁长度s、s1、s2的条件还包括：
所述dmax根据有限单元法，采用能够充分考虑几何非线性、材料非线性效应的分析软件计算确定；
所述Umax根据以下公式确定：
式中，M(x)、M(x1)、M(x2)分别为已知s、s1、s2时，主梁在x、x1、x2位置处的弯矩；E(x)I(x)、E(x1)I(x1)、E(x2)I(x2)分别为已知s、s1、s2时，主梁在x、x1、x2位置处的抗弯刚度。
在本公开一些实施例中，所述混合组合梁三跨连续悬索桥的主缆和钢主梁之间沿桥跨方向安装K对中央扣(K为自然数)，其两端分别固结于主缆和钢主梁，并布置在悬索桥主跨的中间区域，K的设计取值需综合考虑吊索的受力性能、钢-混凝土主梁的梁端位移、经济性等因素。
在本公开一些实施例中，所述混合组合梁三跨连续悬索桥的钢主梁或钢-混凝土主梁的两侧安装宽度为b1的水平气动翼板，为桥梁提供气动阻尼，并可兼作桥梁的检修道使用，其布置在悬索桥主跨的跨中区域，其长度s3的设计取值需综合考虑桥梁的气动性能、经济性等因素。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明混合组合梁三跨连续悬索桥至少具有以下有益效果其中之一：
(1)由于边跨的全部长度或部分长度采用钢-混凝土主梁，边跨主梁的刚度和重量大，从而可以显著提高桥梁的结构刚度，减小主跨钢主梁的内力和变形，减小甚至避免边跨主梁端部的过渡墩出现负反力，并可以减小吊索的内力变化幅度，提高吊索的抗疲劳性能；
(2)由于边跨的全部长度或部分长度采用钢-混凝土主梁，结构的阻尼也显著增大，从而可以提高桥梁施工阶段和运营期间的气动稳定性，提高运营期间的行车舒适性，并可以显著提高桥梁主梁架设期间抵抗温度作用、大风等静动力荷载的能力，提高主梁施工架设期间的安全性；
(3)钢主梁及两侧钢-混凝土主梁长度s、s1、s2的确定，通过桥梁主跨L/4处主梁的竖向挠度极大值dmax、桥梁主梁沿桥跨L的竖向弯曲应变能极大值Umax等两个反映桥梁竖向刚度和竖向整体受力性能的指标均取得极小值进行判别，从而可以最大限度的发挥钢材和混凝土材料的效能，显著节约工程造价；
(4)悬索桥主跨的跨中区域安装K对中央扣，能够显著减小跨中短吊索的弯折变形，从而提升跨中短吊索疲劳耐久性；而且还能够有效提高悬索桥的反对称扭转刚度，提高桥梁的气动稳定性；此外，还能够大幅降低风荷载下悬索桥的梁端纵向位移，减小伸缩装置规模；
(5)悬索桥主跨的跨中区域s3范围内钢主梁或钢-混凝土主梁两侧安装水平气动翼板，能够为桥梁提供气动阻尼，提高桥梁的气动稳定性，抑制主梁的涡激振动，并可兼作桥梁的检修道使用，而且不增加主梁的横桥向风荷载，经济性好。
附图说明
图1是本发明实施例的混合组合梁三跨连续悬索桥的结构示意图(3对中央扣)；
图2(a)是本发明实施例具有水平气动翼板的扁平箱型钢主梁的结构示意图；
图2(b)是本发明实施例具有水平气动翼板的扁平箱型钢-混凝土主梁的结构示意图；
图3(a)是本发明实施例具有水平气动翼板的桁架型钢主梁的结构示意图；
图3(b)是本发明实施例具有水平气动翼板的桁架型钢-混凝土主梁的结构示意图；
图4(a)是本发明实施例具有水平气动翼板及双层气动翼板的桁架型钢主梁的结构示意图；
图4(b)是本发明实施例具有水平气动翼板及双层气动翼板的桁架型钢-混凝土主梁的结构示意图。
【附图中本发明实施例主要部件符号说明】
1、桥塔； 2、钢主梁
3、钢-混凝土主梁； 4、主缆
5、吊索； 6、过渡墩
7、锚碇； 8、中央扣
9、水平气动翼板； 10、双层气动翼板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种混合组合梁三跨连续悬索桥，包括两个桥塔、一个钢主梁、两个钢-混凝土主梁、两个主缆、多个吊索、两个过渡墩和两个锚碇。其中，钢主梁位于桥体中央，两个钢-混凝土主梁，一端固结于钢主梁，另一端放置在过渡墩的顶部；钢主梁的顶板及下部底板均为钢结构，钢-混凝土主梁的顶板为混凝土结构，其下部为钢结构；该桥两端的边跨的全部长度或部分长度采用钢-混凝土主梁，其端部支撑在过渡墩上。
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种混合组合梁三跨连续悬索桥。图1为本发明第一实施例的混合组合梁三跨连续悬索桥的结构示意图(设置3对中央扣)。如图1所示，本发明混合组合梁三跨连续悬索桥包括：两个桥塔1、一个钢主梁2、两个钢-混凝土主梁3、两个主缆4、多个吊索5、两个过渡墩6、两个锚碇7、3对中央扣8、水平气动翼板9。
以下分别结合附图对本实施例混合组合梁三跨连续悬索桥的各个组成部分进行详细描述。
两个桥塔1，作为悬索桥的支撑结构，设置于桥体两侧，两个桥塔1之间的桥体为悬索桥主跨，两个桥塔1外侧的桥体为边跨；
钢主梁2位于桥体中央；钢-混凝土主梁3，一端固接于钢主梁2，另一端放置在过渡墩6的顶部。所述钢主梁2的顶板及下部底板均为钢结构，钢-混凝土主梁3的顶板为混凝土结构，下部底板为钢结构。所述桥梁主梁沿桥跨的长度为L，两侧边跨的长度分别为l1、l2，钢主梁2的长度为s，两侧钢-混凝土主梁3的长度分别为s1、s2；
其中，s1+s2+s＝L，确定s、s1、s2确定的条件为：
a、在汽车活载、温度、风荷载等组合作用下，桥梁主跨L/4处主梁的竖向挠度极大值dmax、桥梁主梁沿桥跨L的竖向弯曲应变能极大值Umax等反映桥梁竖向刚度和竖向整体受力性能的参数均取得极小值；
b、当参数dmax、Umax不能同时取得极小值时，以dmax取得极小值为优先判别条件，在此基础上，进一步考虑施工安全性能好、施工质量容易保障、施工进度快、工程造价低等多因素综合确定；
c、dmax根据有限单元法，采用能够充分考虑几何非线性、材料非线性效应的分析软件计算确定；Umax根据以下公式确定：
式中，M(x)、M(x1)、M(x2)分别为已知s、s1、s2时，主梁在x、x1、x2位置处的弯矩；E(x)I(x)、E(x1)I(x1)、E(x2)I(x2)分别为已知s、s1、s2时，主梁在x、x1、x2位置处的抗弯刚度。
当所述钢主梁2的一端位于主跨，且未达到其近侧桥塔1处时，与之相连的钢-混凝土主梁3设置于相应侧边跨的全部长度上并越过其近侧桥塔1与钢主梁2梁端固结；当所述钢主梁2的一端位于其近侧桥塔1处时，与之相连的钢-混凝土主梁3设置于相应侧边跨的全部长度上；当所述钢主梁2的一端越过其近侧桥塔1而伸入相应侧边跨时，所述钢-混凝土主梁3设置于相应侧边跨的部分长度上；
钢主梁2或钢-混凝土主梁3的两侧安装宽度为b1的水平气动翼板9，为桥梁提供气动阻尼，并可兼作桥梁的检修道使用，其布置在悬索桥主跨的跨中区域，其长度s3的设计取值需综合考虑桥梁的气动性能、经济性等因素。水平气动翼板的布置有多种形式：
图2(a)是本发明实施例具有水平气动翼板的扁平箱型钢主梁2的结构示意图，图2(b)是本发明实施例具有水平气动翼板的扁平箱型钢-混凝土主梁3的结构示意图；
图3(a)是本发明实施例具有水平气动翼板的桁架型钢主梁2的结构示意图，图3(b)是本发明实施例具有水平气动翼板的桁架型钢-混凝土主梁3的结构示意图。
更进一步地，也可在桁架梁下加检修道上方设置宽度为b2的双层气动翼板10，通过设置桥面两侧水平气动翼板9+双层气动翼板10组合控制技术，进一步提升桥梁的抗风性能：图4(a)是本发明实施例具有水平气动翼板及双层气动翼板的桁架型钢主梁2的结构示意图，图4(b)是本发明实施例具有水平气动翼板及双层气动翼板的桁架型钢-混凝土主梁3的结构示意图。
两个过渡墩6竖直地设置于桥体两端部下方，即两个钢-混凝土主梁3外侧的端部下方，用于支撑所述两个钢-混凝土主梁3外侧的端部；
两个锚碇7分别设置于悬索桥的两侧，用于锚固主缆4；
两个主缆4是作为主要的承重构件的索缆，位于桥体纵向两侧，每个主缆4分别支撑在两个桥塔1的顶端，并且其两端固定在两个锚碇7上，实现对钢主梁2、钢-混凝土主梁3的承重；
多个吊索5竖直地连接于主缆4与钢主梁2、主缆4与钢-混凝土主梁3之间，用于将该桥的钢主梁2、钢-混凝土主梁3悬吊在主缆4上；
3对中央扣8沿桥跨方向安装在主缆4和钢主梁2之间，其两端分别固结于主缆4和钢主梁2，并布置在悬索桥主跨的中间区域。
本发明提供的混合组合梁三跨连续悬索桥，具有结构整体刚度大、阻尼大、稳定性好、行车舒适性好、抗疲劳性能好、施工安全性好、经济性好等优点。
至此，本发明第一实施例混合组合梁三跨连续悬索桥介绍完毕。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种混合组合梁三跨连续悬索桥，包括：
两个桥塔(1)，作为悬索桥的支撑结构，设置于桥体两侧，两个桥塔(1)之间的桥体为悬索桥主跨，两个桥塔(1)外侧的桥体为边跨；
钢主梁(2)，位于桥体中央；
两个钢-混凝土主梁(3)，一端固接于钢主梁(2)，另一端放置在过渡墩(6)的顶部；
两个主缆(4)，作为主要的承重构件的索缆，位于桥体纵向两侧，每个主缆(4)分别支撑在两个桥塔(1)的顶端，并且其两端固定在两个锚碇(7)上，实现对钢主梁(2)、钢-混凝土主梁(3)的承重；
多个吊索(5)，竖直地连接于主缆(4)与钢主梁(2)、主缆(4)与钢-混凝土主梁(3)之间，用于将该桥的钢主梁(2)、钢-混凝土主梁(3)悬吊在主缆(4)上；
两个过渡墩(6)，竖直地设置于桥体两端部下方，即两个钢-混凝土主梁(3)外侧的端部下方，用于支撑所述两个钢-混凝土主梁(3)外侧的端部；
两个锚碇(7)，分别设置于悬索桥的两侧，用于锚固主缆(4)。
2.根据权利要求1所述的混合组合梁三跨连续悬索桥，所述钢主梁(2)的顶板及下部底板均为钢结构，所述钢-混凝土主梁(3)的顶板为混凝土结构，下部底板为钢结构。
3.根据权利要求2所述的混合组合梁三跨连续悬索桥，当所述钢主梁(2)的一端位于主跨，且未达到其近侧桥塔(1)处时，与之相连的钢-混凝土主梁(3)设置于相应侧边跨的全部长度上并越过其近侧桥塔(1)与钢主梁(2)梁端固结；当所述钢主梁(2)的一端位于其近侧桥塔(1)处时，与之相连的钢-混凝土主梁(3)设置于相应侧边跨的全部长度上；当所述钢主梁(2)的一端越过其近侧桥塔(1)而伸入相应侧边跨时，所述钢-混凝土主梁(3)设置于相应侧边跨的部分长度上。
4.根据权利要求3所述的混合组合梁三跨连续悬索桥，所述悬索桥主梁沿桥跨长度为L，两侧边跨的长度分别为l1、l2，钢主梁(2)的长度为s，两侧钢-混凝土主梁(3)的长度分别为s1、s2；其中，s1+s2+s＝L，确定s、s1、s2的条件包括：
在汽车活载、温度、风荷载组合作用下，桥梁主跨L/4处主梁的竖向挠度极大值dmax反映桥梁的竖向刚度，桥梁主梁沿桥跨L的竖向弯曲应变能极大值Umax反映桥梁的竖向整体受力性能，上述dmax及Umax均取得极小值。
5.根据权利要求4所述的混合组合梁三跨连续悬索桥，所述确定混合组合梁三跨连续悬索桥的钢主梁(2)及其两侧钢-混凝土主梁(3)长度s、s1、s2的条件还包括：
当参数dmax、Umax不能同时取得极小值时，以dmax取得极小值为优先判别条件，并在此基础上，进一步综合施工安全性能、施工质量、施工进度、工程造价多种因素，从而确定连接位置。
6.根据权利要求5所述的混合组合梁三跨连续悬索桥，所述确定混合组合梁三跨连续悬索桥的钢主梁(2)及其两侧钢-混凝土主梁(3)长度s、s1、s2的条件还包括：
所述dmax根据有限单元法，采用能够充分考虑几何非线性、材料非线性效应的分析软件计算确定；
所述Umax根据以下公式确定：
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式中，M(x)、M(x1)、M(x2)分别为已知s、s1、s2时，主梁在x、x1、x2位置处的弯矩；E(x)I(x)、E(x1)I(x1)、E(x2)I(x2)分别为已知s、s1、s2时，主梁在x、x1、x2位置处的抗弯刚度。
7.根据权利要求1所述的混合组合梁三跨连续悬索桥，所述主缆(4)和钢主梁(2)之间沿桥跨方向安装K对中央扣(8)，其中K为奇数，其两端分别固结于主缆(4)和钢主梁(2)，并布置在悬索桥主跨的中间区域，K的设计取值需综合考虑吊索(5)的受力性能、钢-混凝土主梁(3)的梁端位移、经济性因素。
8.根据权利要求1所述的混合组合梁三跨连续悬索桥，所述钢主梁(2)或钢-混凝土主梁(3)的两侧安装宽度为b1的水平气动翼板(9)，用于为桥梁提供气动阻尼，提高桥梁的气动稳定性，抑制主梁的涡激振动，并可兼作桥梁的检修道使用，其布置在悬索桥主跨的跨中区域，其长度s3的设计取值需综合考虑桥梁的气动性能、经济性因素。
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