CN108824164A - 承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，包括主梁和在主梁两端对称设置的桥塔，以及横跨主梁和桥塔并通过锚碇固定一对主缆，主缆包括桥塔间的中跨主缆和两岸的边跨主缆，桥塔以主梁的中心线对称设置，每个桥塔位于主梁中心线与主梁侧面间，桥塔与锚碇之间的一对边跨主缆在水平面上呈喇叭形形状，中跨主缆通过索夹安装有多根吊索，吊索另一端固定在主梁两侧的吊索吊点上，在吊索内力增加不多的情况下，空间三维缆索体系悬索桥的主缆和主梁的连接更加紧密，振动更加一致，主缆、吊索对主梁约束更强，结构具有更好的空间整体性能，横桥向刚度、扭转刚度得到显著提高，从而大大提高了整个桥梁的空间刚度和抗风稳定性。

Description

承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥

技术领域

本发明涉及桥梁悬索桥桥型设计领域，具体涉及一种承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥。

背景技术

随着材料科学和施工技术的快速发展，以及日益增长的交通需求，加速了悬索桥的长大化发展进程。随着悬索桥跨径增大，桥梁的宽跨比、横桥向刚度、扭转刚度和结构阻尼不断减小，自振频率降低，这将导致桥梁结构在静风作用下变形增大，风荷载作用下结构承载能力、抗风静力稳定性和抗风动力稳定性均难以解决。而这类超大跨径桥梁多建于开阔峡谷和海面等风速较高，甚至是台风频发地区，这就对超大跨悬索桥的抗风能力提出更高要求。

而我国现在已建成的超大跨径地锚式悬索桥均为平面二维缆索体系，均是通过改变梁体断面形状、增加梁体宽度、增加抗风索等增大结构的抗风能力，这往往会加大梁体设计难度、桥面宽度增加过多、影响结构美观且造价增加较多，且在横桥向风力作用下，结构横桥向位移较大，极大的影响了行车舒适性。以往由于空间三维缆索体系悬索桥较平面二维缆索体系悬索桥受力复杂，难以施工、应用极少，少量的工程实践基本均为跨径低于450m且空间性不强的自锚式独塔空间三维缆索体系悬索桥，而宽跨比较小，空间性较强的大跨径空间三维缆索体系地锚式悬索桥则从未设计。如图1～2所示目前的特大桥主跨跨径800m，主跨跨径较大，属于特大跨径范畴，桥面布置仅为双向四车道，而非特大桥常规设计的双向八车道，桥面较窄，桥面宽度一般为30～45m，桥梁宽跨比较小，这就导致桥梁横桥向刚度较小，进而在风荷载下，结构受力较大，横桥向位移也较大的难题。

发明内容

本发明针对现有超大跨径悬索桥结构形式普遍存在桥面宽跨比较小、桥梁横桥向刚度不足，横桥向风荷载作用下，桥梁结构横桥向受力不足，且横桥向位移较大，严重影响行车舒适性的难题，为了在不增加桥面宽度、不设置影响桥梁景观的抗风索、且造价增加较少的前提下，能够大大提高结构的横桥向刚度，从而满足结构承受横桥向风荷载的受力要求，提供了一种承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥；在解决了横桥向抗风难题的同时，桥梁在横桥向地震作用下的结构受力和结构位移也大为减小。其适应超大跨径、桥面较窄、桥面宽跨比小于传统正常值范畴，桥梁横桥向刚度相对较小，横桥向抗风能力较差，并同时承受较大风荷载的悬索桥。

为实现上述目的，本发明所设计一种承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，它包括主梁和在主梁两端对称设置的桥塔，以及横跨主梁和桥塔并通过锚碇固定一对主缆，所述主缆包括桥塔间的中跨主缆和两岸的边跨主缆，所述桥塔以主梁的中心线对称设置，且每个桥塔位于主梁中心线与主梁侧面间，所述桥塔与锚碇之间的一对边跨主缆在水平面上呈喇叭形形状，所述中跨主缆通过索夹安装有多根吊索，所述吊索另一端固定在主梁两侧的吊索吊点上，一对中跨主缆在水平面上呈鱼肚型形状。

进一步地，所述主梁的宽度为10.0m～25.0m，所述主梁的宽度为传统悬索桥桥梁主梁宽度1/2～1/3。

再进一步地，所述中跨主缆和两岸的边跨主缆在竖直面上呈悬链线形状，所述主缆的矢跨比为1/12～1/9。

再进一步地，所述锚碇在水平面上呈喇叭形形状。

再进一步地，所述吊索为球铰吊索，它包括通过索夹安装在中跨主缆上的悬吊端吊槽，所述悬吊端吊槽内设置有球铰卡槽，所述球铰卡槽内设置有球铰，所述球铰端部设置有圆柱形耳板，所述圆柱形耳板外壁上套有锚杯，所述锚杯的另一端内壁上插入有套筒，所述套筒内插入有护套，且护套另一端伸出套筒，所述锚杯、套筒和护套中空内填充有吊索钢丝。

再进一步地，所述悬吊端吊槽呈倒U型，且开口端设置有环形卡口，所述球铰卡槽由两半的卡槽组成；所述球铰卡槽顶部设置有与悬吊端吊槽配合的卡板。

再进一步地，所述球铰卡槽与球铰接触面铺设有DU复合层。

再进一步地，所述套筒的端部外壁上设置有环形固定板，所述环形固定板与锚杯接触面设置有O形密封圈。

再进一步地，所述护套伸入套筒的环形固定板处，所述套筒的另一端开口处内壁向外倾斜形成倾斜口，所述套筒和护套接触面铺设有填料层。

再进一步地，所述倾斜口与护套之间插入有密封压环，所述填料层和密封压环之间设置有密封胶圈。

本发明的有益效果：

与同样跨度、同样桥宽的仅在竖直平面内形成平面体系的二维缆索体系悬索桥相比，在吊索内力增加不多的情况下，空间三维缆索体系悬索桥的主缆和主梁的连接更加紧密，振动更加一致，主缆、吊索对主梁约束更强，结构具有更好的空间整体性能，横桥向刚度、扭转刚度得到显著提高，从而大大提高了整个桥梁的空间刚度和抗风稳定性。同时在横桥向风荷载及横桥向地震作用下，结构横桥向位移大大减小，大大提高了行车舒适性并大大减小了结构的疲劳应力幅。因此，采用空间三维缆索体系悬索桥跨越江河海峡，可在一定程度上提高结构的刚度，改善风静动力稳定性，改善结构行车舒适度和抗疲劳能力，有利于悬索桥结构向长大化方向发展。

本发明使用的球铰吊索适用于空间缆索体系结构，使用球铰吊索体系，使得空间缆索体系在施工阶段无需再严格控制吊索体系受力线必须严格控制在面内，施工控制繁琐程序大大减少，由此大大节约了施工工期和施工费用。且结构由于受到横向风荷载和地震荷载，产生较大的面外位移时，吊索体系受力更优，不会产生较大的面外弯矩，从而提高了吊索系统的受力性能。

附图说明

图1为传统特大桥的竖直平面的示意图；

图2为传统特大桥的水平平面的示意图；

图3为空间三维缆索体系地锚式悬索桥的竖直平面的示意图；

图4为空间三维缆索体系地锚式悬索桥的水平平面的示意图；

图5为桥梁的细节图；

图6为球铰吊索安装在主缆上的示意图；

图7为球铰吊索的示意图；

图中，主梁1、吊索吊点1.1、桥塔2、锚碇3、主缆4、中跨主缆4.1、边跨主缆4.2、索夹5、吊索6、悬吊端吊槽6.1、环形卡口6.1a、球铰卡槽6.2、卡槽6.2a、卡板6.2b、DU复合层6.3、球铰6.4、圆柱形耳板6.5、锚杯6.6、O形密封圈6.7、套筒6.8、环形固定板6.8a、倾斜口6.8b、填料层6.9、密封胶圈6.10、密封压环6.11、吊索钢丝6.12、护套6.13。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。

如图3～7所示的承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，该悬索桥为主跨800m单跨悬吊悬索桥，全长800m；它包括主梁1和在主梁1两端对称设置的桥塔2，以及横跨主梁1和桥塔2并通过锚碇3固定一对主缆4，主梁1为单跨双铰简支结构，其宽度为23.5m；

桥塔2以主梁1的中心线对称设置，桥塔2横桥向中心距为10m；且每个桥塔2位于主梁1中心线与主梁1侧面间，锚碇3在水平面上呈喇叭形形状；

主缆4包括桥塔2间的中跨主缆4.1和两岸的边跨主缆4.2，主缆跨度布置为240+800+230m，主缆矢跨比采用1/10，全桥采用两根空间主缆，两主缆右岸锚碇3处横桥向中心距为23.5m，左岸锚碇3处横桥向中心距为32m，桥塔2与锚碇3之间的一对边跨主缆4.2在水平面上呈喇叭形形状，中跨主缆4.1通过索夹5安装有多根吊索6，吊索6另一端固定在主梁1两侧的吊索吊点1.1上主梁1上吊索吊点横桥向中心距为23.5m，一对中跨主缆4.1在水平面上呈鱼肚型形状，中跨主缆4.1和两岸的边跨主缆4.2在竖直面上呈悬链线形状；

吊索6为球铰吊索，它包括通过索夹5安装在中跨主缆4.1上的悬吊端吊槽6.1，悬吊端吊槽6.1呈倒U型，且开口端设置有环形卡口6.1a，

悬吊端吊槽6.1内设置有球铰卡槽6.2，球铰卡槽6.2由两半的卡槽6.2a组成；球铰卡槽6.2顶部设置有与悬吊端吊槽1配合的卡板6.2b

球铰卡槽6.2内设置有球铰6.4，球铰卡槽6.2与球铰6.4接触面铺设有DU复合层6.3，球铰6.4端部设置有圆柱形耳板6.5，圆柱形耳板6.5外壁上套有锚杯6.6，锚杯6.6的另一端内壁上插入有套筒6.8，套筒6.8内插入有护套6.13，且护套6.13另一端伸出套筒6.8，套筒6.8的端部外壁上设置有环形固定板6.8a，环形固定板6.8a与锚杯6.6接触面设置有O形密封圈6.7

护套6.13伸入套筒6.8的环形固定板6.8a处，套筒6.8的另一端开口处内壁向外倾斜形成倾斜口6.8b，套筒6.8和护套6.13接触面铺设有填料层6.9。

倾斜口6.8b与护套6.13之间插入有密封压环6.11，填料层6.9和密封压环6.11之间设置有密封胶圈6.10。锚杯6.6、套筒6.8和护套6.13中空内填充有吊索钢丝6.12。

空间三维缆索体系地锚式悬索桥具体实施步骤如下：

①首先施工桥塔基础、桥塔2、锚碇3，传统锚碇3方向为沿纵桥向的平行结构(见图1)，而上述锚碇3则为沿着主缆2方向的喇叭形，桥塔2、锚碇3施工完毕后将主缆4挂在锚碇桥塔2上。在边跨范围内，由于主缆4在锚碇2处和桥塔2处横桥向中心距不同，因此主缆4在两岸边跨范围内自然在水平面内形成一条和纵桥向有一定夹角的斜直线，两根主缆4在边跨范围内在水平面内形成喇叭形形状，在其自身重力作用下，在竖直平面内自然形成悬链线形状的平面，主缆4在平面内的喇叭形形状和竖直平面内的悬链线形状，共同作用形成空间三维索体。在中跨范围内，由于主缆4在两岸桥塔2处横桥向中心距相同，主缆4在水平面内，自然形成一条沿着纵桥向的直线，在竖直平面内自然形成悬链线形状的平面，在这种状态下，主跨范围内主缆为平面索体。

②将中跨范围内将主缆4在各个吊索吊点位置处在横桥向用撑杆撑开到成桥位置(见图4中水平平面内布置)，这样主缆4在水平面内形成圆弧形平面，两根主缆4在中跨范围内在水平面内形成鱼肚型形状。主缆4在平面内的鱼肚型形状和竖直平面内的悬链线形状，共同作用形成空间三维索体。

③将中跨范围内主梁1逐段起吊，将主缆5上吊索吊点1.1和主梁1上吊索吊点1.1用吊索6连接起来，将主缆4、主梁1连接成一个完整的空间结构体系，中跨范围内主梁吊装完毕，所有主缆4和主梁1之间的吊索连接完毕后桥梁自然形成空间三维缆索体系结构。

同时，上述的球铰吊索具体实施步骤如下：

①悬吊端吊槽1和主缆15上索夹14提前在工厂加工为一个整体。

②将球铰卡槽2设计为沿附图中心辅助线一分为二，分为两块。

③吊索其它部件在工厂成套预制好，两半的卡槽2.1也在工厂预制好。

④在工程施工现场，将悬吊端吊槽1和索夹14一起制造的整体式索夹安装在主缆15上，然后将成套的吊索的球铰4用两半的卡槽2.1卡住，然后将球铰卡槽2推到悬吊端吊槽1中。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，它包括主梁(1)和在主梁(1)两端对称设置的桥塔(2)，以及横跨主梁(1)和桥塔(2)并通过锚碇(3)固定一对主缆(4)，所述主缆(4)包括桥塔(2)间的中跨主缆(4.1)和两岸的边跨主缆(4.2)，其特征在于：所述桥塔(2)以主梁(1)的中心线对称设置，且每个桥塔(2)位于主梁(1)中心线与主梁(1)侧面间，所述桥塔(2)与锚碇(3)之间的一对边跨主缆(4.2)在水平面上呈喇叭形形状，所述中跨主缆(4.1)通过索夹(5)安装有多根吊索(6)，所述吊索(6)另一端固定在主梁(1)两侧的吊索吊点(1.1)上，一对中跨主缆(4.1)在水平面上呈鱼肚型形状。

2.根据权利要求1所述承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，其特征在于：所述主梁(1)的宽度为10.0m～25.0m。

3.根据权利要求1所述承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，其特征在于：所述中跨主缆(4.1)和两岸的边跨主缆(4.2)在竖直面上呈悬链线形状，所述主缆(4)的矢跨比为1/12～1/9。

4.根据权利要求1所述承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，其特征在于：所述锚碇(3)在水平面上呈喇叭形形状。

5.根据权利要求1所述承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，其特征在于：所述吊索(6)为球铰吊索，它包括通过索夹(5)安装在中跨主缆(4.1)上的悬吊端吊槽(6.1)，所述悬吊端吊槽(6.1)内设置有球铰卡槽(6.2)，所述球铰卡槽(6.2)内设置有球铰(6.4)，所述球铰(6.4)端部设置有圆柱形耳板(6.5)，所述圆柱形耳板(6.5)外壁上套有锚杯(6.6)，所述锚杯(6.6)的另一端内壁上插入有套筒(6.8)，所述套筒(6.8)内插入有护套(6.13)，且护套(6.13)另一端伸出套筒(6.8)，所述锚杯(6.6)、套筒(6.8)和护套(6.13)中空内填充有吊索钢丝(6.12)。

6.根据权利要求5所述承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，其特征在于：所述悬吊端吊槽(6.1)呈倒U型，且开口端设置有环形卡口(6.1a)，所述球铰卡槽(6.2)由两半的卡槽(6.2a)组成；所述球铰卡槽(6.2)顶部设置有与悬吊端吊槽(1)配合的卡板(6.2b)。

7.根据权利要求5所述承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，其特征在于：所述球铰卡槽(6.2)与球铰(6.4)接触面铺设有DU复合层(6.3)。

8.根据权利要求5所述承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，其特征在于：所述套筒(6.8)的端部外壁上设置有环形固定板(6.8a)，所述环形固定板(6.8a)与锚杯(6.6)接触面设置有O形密封圈(6.7)。

9.根据权利要求8所述承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，其特征在于：所述护套(6.13)伸入套筒(6.8)的环形固定板(6.8a)处，所述套筒(6.8)的另一端开口处内壁向外倾斜形成倾斜口(6.8b)，所述套筒(6.8)和护套(6.13)接触面铺设有填料层(6.9)。

10.根据权利要求9所述承受较大横桥向风荷载的空间三维缆索体系地锚式悬索桥，其特征在于：所述倾斜口(6.8b)与护套(6.13)之间插入有密封压环(6.11)，所述填料层(6.9)和密封压环(6.11)之间设置有密封胶圈(6.10)。