CN108978436A - 空间桁架悬索桥 - Google Patents

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欧阳平
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Abstract

本发明公开了一种空间桁架悬索桥,主要由主缆(1)、桥塔(2)、主梁(3)和吊杆(6)组成;其中:主缆(1)和主梁(3)间增加若干个倒V结构,倒V型结构主要由两根刚性斜杆(4)组成,刚性斜杆(4)与主梁(3)的夹角Ɵ为30°~60°,使倒V结构分别与主缆段、主梁段构成若干个连续的三角形结构;亦可看作是以主缆为上弦杆、主梁为下弦杆、倒V结构为腹杆并带柔性吊杆的桁式结构。此外,在两侧刚性斜杆(4)与主缆(1)的连接点之间还分别设有主缆横联(5)。本发明可避免涡激振动带来破坏的风险,并且新增用钢量不多,能大幅度减少塔顶不平衡力并提高整体刚度,可有效解决悬索桥“跷跷板”效应及柔性问题,其它力学性能也有所改善。

Description

空间桁架悬索桥
技术领域
本发明属于悬索结构,具体涉及了一种空间桁架悬索桥。
背景技术
悬索桥是目前跨度超过1000m时最优可选桥型之一,并且认为在600m以上的跨度同其它桥型相比也具有很强竞争力。随着世界经济建设的发展,交通运输在国民经济中的地位和作用日益重要。洲际之间、海峡两岸和陆岛之间迫切需要修建大跨度、特大跨度或超长跨度桥梁。可以说,悬索桥在未来的大跨度桥梁建设中具有极大的优越性,从学术研究来说,大跨度悬索桥的研究是当前桥梁学科中最重要与最活跃的领域之一。
悬索桥是以悬索为主要承重结构的桥梁类型,主要由主缆、桥塔、主梁和吊杆组成。构造简单,受力明确。荷载作用在主梁上,通过吊杆传递到主缆,再经由桥塔和锚碇最终传递到基础。
悬索桥是一种很古老的桥型,早在远古时期,人类就已经学会用藤、竹等材料做简易的吊桥,这种利用拉索支撑建造的人行小桥,也就是现在常说的悬索桥雏形。近现代悬索桥起源于西方国家,1883年建成的跨越纽约东河的Brooklyn Bridge,被大家公认为世界上第一座现代悬索桥,该桥全长1825m,主跨448m,建成之后被称为“世界第八大奇迹”。纽约George Washington Bridge被认为是世界上第一座真正意义上的大跨悬索桥,分跨186m+1067m+198m。如今国外已建成的许多超大跨径的悬索桥中比较著名的有:1937年美国修建的金门大桥主跨1280m;1964年美国修建的维拉扎诺桥,主跨1298m;1998年丹麦修建的大贝尔特桥,主跨1624m;1998年日本修建的明石海峡大桥,跨径达1991m,是目前世界跨径最大的悬索桥。
中国悬索桥已有2000余年的历史,远在公元前250年的四川省就有李冰所建的人行“笮桥”,在汉宣帝甘露四年已建成长百米的铁索桥,唐、宋年间更有著名的都江堰安澜桥。但是我国现代悬索桥的建造起步较迟,在上世纪90年代以前,虽然修建几十座悬索桥,但跨度小、宽度窄、荷载标准低。20世纪90年代后中国现代悬索桥有了很快的发展,建成了许多大跨度各有特色的悬索桥。汕头海湾桥是我国第一座现代化的悬索桥,是一座三跨双铰预应力混凝土箱梁悬索桥,跨度为154m+452m+154m;香港青马大桥是世界上最大跨径的公铁两用桥,双层桥面中上层是6车道公路,下层是双轨轻轨铁路与避风用的双向各单车汽车道,主跨为1377m;建成于2009年的国内最大跨、世界第二大跨悬索桥——西堠门大桥,跨度已达1650m;除此之外,我国还建有主跨为1490m的润扬长江大桥以及主跨1385m的江阴长江大桥。这些悬索桥的建成,表明我国建造悬索桥的技术已位于世界前列。
悬索桥结构具有受力性能好、能最大限度发挥材料强度、跨越能力大、轻巧美观、抗震能力强、结构形式多样及对地形适应能力好等特点,悬索桥因其极强的跨越能力,在跨越大江大河、高山峡谷、海湾港口等交通障碍物时,往往作为首选桥型。现代悬索桥跨度的不断增大与材料科学的进步密不可分。随着工业技术的发展,出现了许多性能优异的新型材料,如纤维增强聚合物复合材料,这类材料强度高、重量轻,如其中的碳纤维增强树脂强度达到3000Mpa,而重量仅为钢材的1/5。这类高强材料如果用到大跨度悬索桥上,由于其自身重量小,重力刚度小,只有通过增加主梁和桥面系的重量,才能使得悬索桥达到一定的刚度,高强材料很难发挥作用,因此需要研究新型的结构体系,充分发挥材料的抗拉性能,而不仅仅是靠重力刚度。由此可知,寻找途径突破悬索桥的现有结构体系,再把高强材料应用在悬索桥上,将有望进一步增大悬索桥跨度并使其获得更好的力学性能。
发明内容
本发明的目的在于减小悬索桥塔顶不平衡力并解决悬索桥刚度太差的问题,提出了一种空间桁架悬索桥。解决方案基于三角形结构稳定性及桁式结构变形小的原理。本发明新增用钢量不多,能大幅度减少塔顶不平衡力并提高整体刚度,可有效解决悬索桥“跷跷板”效应及柔性问题,其它力学性能也有所改善。
为了实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:
一种空间桁架悬索桥,主要由主缆、桥塔、主梁和吊杆组成;其中:在主缆和主梁间增加若干个倒V结构,倒V型结构主要由两根刚性斜杆组成,刚性斜杆与主梁的夹角θ为30°~60°,使倒V结构分别与主缆段、主梁段构成若干个连续的三角形结构;在空间桁架悬索桥两侧的刚性斜杆与主缆的连接点之间还分别设有主缆横联。
本发明亦可看作是由主缆为上弦杆、主梁为下弦杆、倒V结构为腹杆并带柔性吊杆的桁式结构。主缆横联的设置既能提高结构的侧向刚度,又能大幅度提高其抗扭刚度,可使结构避免因扁平钢箱抗扭刚度不足而造成涡激振动带来破坏的风险。
本发明的空间桁架悬索桥完全保留了原悬索桥承载力高的优点,在新增材料很少的情况下,可大幅度减少塔顶不平衡力并提高整体刚度,亦能有效解决悬索桥“跷跷板”效应及柔性问题,其它力学性能也有所改善。在本发明中,作用于桥面系上的荷载遵循以下传力路径:主梁→吊杆/刚性斜杆/主缆横联→主缆→桥塔/锚碇→基础。
本发明进一步说明,当空间桁架悬索桥的边跨在100m~500m时,在主缆与主梁的两侧分别设置的倒V型结构均为3~5个;当空间桁架悬索桥的主跨在500m~1000m时,在主缆与主梁的两侧分别设置的倒V型结构均为5~9个;当空间桁架悬索桥的主跨在1000m~1500m时,在主缆与主梁的两侧分别设置的倒V型结构均为9~15个;当空间桁架悬索桥的主跨在1500m~2000m时,在主缆与主梁的两侧分别设置的倒V型结构均为15~19个;当空间桁架悬索桥的主跨在2000m以上时,在主缆与主梁的两侧分别设置的倒V型结构均为19个以上。
本发明进一步说明,所述的倒V型结构从跨中向两边连续对称布置,具体为两两相邻的倒V型结构件的底部相连接且全桥贯通。
本发明进一步说明,所述的三角形结构应用于多塔悬索桥。或者应用于地锚式悬索桥或自锚式悬索桥。或者应用于单层桥面悬索桥或多层桥面悬索桥。即是说在多塔悬索桥、地锚式悬索桥、自锚式悬索桥、单层桥面悬索桥或多层桥面悬索桥中,均可以进行相应的空间桁架结构设置。
本发明进一步说明,所述的主缆横联形状为一字型、横置K型或者米字型。
本发明进一步说明,所述的倒V型结构件的腰部设置横联;所述的横联的形状为一字型、横置K型或者米字型。
本发明进一步说明,所述的主梁采用桁架梁或流线型扁平钢箱;所述的桥塔为钢结构、混凝土结构或者钢混组合结构;所述的主缆和吊杆均采用钢绞线;所述的刚性斜杆、主缆横联为钢结构。
本发明进一步说明,所述的吊杆竖直布置或者在顺桥向呈三角形布置;所述的吊杆为柔性吊杆或刚性吊杆。
本发明的优点:
1.减小塔顶不平衡力及最大偏位。新增倒V结构对主缆和主梁有良好约束作用,使空间桁架悬索桥的塔顶不平衡力和偏位大幅减小。
2.提高结构刚度。在原悬索桥的主梁与每根主缆间增设若干个倒V型结构,使其与梁段和主缆索段构成若干个三角形结构,从而对主梁和主缆进行有效约束,提高结构的整体刚度。
3.动力性能好。空间桁架悬索桥可有效提高面内基频。
4.吊杆疲劳性能改善。空间桁架悬索桥新增刚性斜杆,其主要用于承担移动荷载和其他荷载,可减小吊杆在活载作用下的疲劳特性。
5.消除“跷跷板”效应。空间桁架悬索桥受力合理,可消除在半跨荷载作用下的“跷跷板”效应。
6.施工方便,施工工艺成熟。
7.本发明可用于提高已建悬索桥的力学性能,也可用于新建悬索桥。
8.提高侧向刚度及抗扭刚度。本发明横桥向刚性斜杆间有足够高度设横联,以此可提高悬索桥的侧向刚度,又能大幅度地提高悬索桥的抗扭刚度,从而可避免因扁平钢箱梁抗扭不足而造成涡激振动带来结构性破坏的风险。
附图说明
图1是空间桁架悬索桥的立面图。
图2是空间桁架悬索桥的平面图。
图3是三角形结构不连续布置示意图。
图4是悬索桥受半跨荷载作用示意图。
图5是悬索桥受半跨荷载作用下的“跷跷板”效应示意图。
图6-8是本发明消除悬索桥受半跨荷载作用下的“跷跷板”效应分析示意图。
附图标记:1-主缆;2-桥塔;3-主梁;4-刚性斜杆;5-主缆横联;6-吊杆。
具体实施方式
结合图3-图8对本发明的力学及其结构原理进行说明:
1.引进三角形理念对主缆及主梁进行有效约束
三角形稳定性是基于三角形受节点力作用,使其处于轴向变形状态。然而,与其他结构不同的是,桥梁主要受移动荷载作用,这样就会使倒V结构与主梁所形成的三角形受非节点力作用,从而在一定程度上降低三角形的稳定性,为此,需对主梁设置足够密的柔性或刚性吊杆,增加对主梁的弹性约束,提高其线刚度以减少弯曲变形,使三角形均能保证有良好的稳定性。基于以上分析,在原悬索桥的主梁与每根主缆间增设若干个倒V型结构,使其与梁段和主缆索段构成若干个三角形结构,从而对主梁和主缆进行有效约束,提高结构的整体刚度。
2.倒V结构与主梁的夹角要适中
为了保持三角形的良好受力特性及方便其与梁的连接,其与主梁夹角不宜过大或过小,一般设定为30°至60°的范围较为合理。
3.三角形腰边的线刚度及结构的侧向刚度
为了提高三角形腰边的线刚度,可考虑在各倒V型结构中部设置横联,从而保证构件的局部稳定性,此外,横联还可约束结构的横向变形,使结构的侧向刚度得到提高。
4.连续布置三角形以提高体系的抗变形能力
空间桁架悬索桥所增设的连续三角形可使结构的抗变形能力大幅提高,这是因为此时三角形边所受的力以轴力为主,主要产生轴向变形;而当三角形的布置不连续时,就会出现梁段在剪力作用下发生较大的弯曲变形。现截取其部分结构对该原理作如下分析:如图3所示,使△ABC与傍边三角形不连续布置,从而分离出梁段CC',由节点C平衡可知,在CC'段产生了剪力,于是在CC'梁段就会产生剪切和弯曲变形,因此,所布置的三角形必须保证连续以减少结构的变形。
5.适时加入倒V型结构以充分利用原悬索桥结构优越性
为了充分利用悬索桥主缆承载力高的优点,不宜过早地让倒V结构参与平衡结构恒载(一期和二期),因此,需要按普通悬索桥成桥后再安装倒V型结构及其横联,新增倒V型结构主要用于承担活载和其它荷载,从而达到减少结构在移动荷载作用下变形的目的。此外,成桥后再施工倒V结构也便于施工。
6.本发明消除悬索桥在受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应分析
传统悬索桥在受半跨荷载作用时(如图4所示)其“跷跷板”变形(如图5所示)十分明显,受半跨荷载作用的一侧主梁发生向下变形,而另一侧主梁却发生向上变形,这对行车极为不利。
本发明在主缆和主梁间设置倒V型结构,其在消除悬索桥受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应分析如下:
如图7所示,取节点D作平衡分析,由竖向合力平衡得:
N3COSα1+N4COSα2=Q1+Q2+P-T (1)
由(1)式可得:
由(2)式可知:
当Q1+Q2+P>T+N4COSα2时,N3>0存在。
同理取A点作平衡可知,N1>0存在;取B点作平衡可知,N2>0存在。
设B点的挠度为δB,刚性斜杆的抗压刚度为EA,容易求出
A点的竖向位移:
B点的竖向位移:
现对以上两个式子进行讨论:
①当时,且此时ΔA、Δc均大于0,说明两者位移均向下,因此没有翘翘板效应。
②当时,且此时ΔA大于0,Δc小于0,因此翘翘板效应存在。
③当时,此时,ΔA大于0,Δc小于0,说明A点位移向下,B点不动,此时为发生翘翘板效应的临界状态。
综上可知,本发明所采用的方法可以解决消除悬索桥受半跨荷载作用时的“跷跷板”效应。
下面结合附图和实施例对本发明的结构设计进一步详细说明。
实施例:
如图1、2所示,一种空间桁架悬索桥,主要由主缆1、桥塔2、主梁3和吊杆6组成;将桥塔2增高,并且在主缆1和主梁3间增加若干个倒V结构,倒V型结构主要由两根刚性斜杆4组成,刚性斜杆4与主梁3的夹角θ为30°~60°,使倒V结构分别与主缆段、主梁段构成若干个连续的三角形结构;在空间桁架悬索桥两侧的刚性斜杆4与主缆1的连接点之间还分别设有主缆横联5。
本实施例的空间桁架悬索桥的跨度布置均与江阴长江大桥(总投资36.25亿元)相同。其主跨1386m,缆索的垂跨比为1/10.5,在主缆和主梁间的两侧均分别增设12个倒V型结构。与江阴长江大桥相比:本方案增加了12个V型结构件,因此材料用量增加5%,此费用为0.15亿元;但是主缆应力较江阴长江大桥低,因此主缆面积减小1/8,此费用省去0.2亿元;空间桁架悬索桥刚度大,因此主梁所用材料减小5%,此费用省去0.2亿元;空间桁架悬索桥桥塔增高,此费用为0.04亿。因此,与江阴长江大桥相比,空间桁架悬索桥一共省了0.21亿。空间桁架悬索桥的力学性能得到提高,具体如下:主缆最大应力降低1%,塔顶不平衡力减小62%,塔顶偏位减小42%,刚度提高50%,动力特性提高45%,吊杆疲劳性能降低20%。
实施例技术参数对比表

Claims (10)

1.一种空间桁架悬索桥,主要由主缆(1)、桥塔(2)、主梁(3)和吊杆(6)组成;其特征在于:在主缆(1)和主梁(3)间增加若干个倒V结构,倒V型结构主要由两根刚性斜杆(4)组成,刚性斜杆(4)与主梁(3)的夹角Ɵ为30°~60°,使倒V结构分别与主缆段、主梁段构成若干个连续的三角形结构;亦可看作是以主缆为上弦杆、主梁为下弦杆、倒V结构为腹杆并带柔性吊杆的桁式结构;
此外,在两侧刚性斜杆(4)与主缆(1)的连接点之间还分别设有主缆横联(5)。
2.根据权利要求1所述的空间桁架悬索桥,其特征在于:当空间桁架悬索桥的边跨在100m~500m时,在主缆(1)与主梁(3)的两侧分别设置的倒V型结构均为3~5个;当空间桁架悬索桥的主跨在500m~1000m时,在主缆(1)与主梁(3)的两侧分别设置的倒V型结构均为5~9个;当空间桁架悬索桥的主跨在1000m~1500m时,在主缆(1)与主梁(3)的两侧分别设置的倒V型结构均为9~15个;当空间桁架悬索桥的主跨在1500m~2000m时,在主缆(1)与主梁(3)的两侧分别设置的倒V型结构均为15~19个;当空间桁架悬索桥的主跨在2000m以上时,在主缆(1)与主梁(3)的两侧分别设置的倒V型结构均为19个以上。
3.根据权利要求1所述的空间桁架悬索桥,其特征在于:所述的倒V型结构从跨中向两边连续对称布置,具体为两两相邻的倒V型结构件的底部相连接且全桥贯通。
4.根据权利要求1-3任一所述的空间桁架悬索桥,其特征在于:所述的三角形结构应用于多塔悬索桥。
5.根据权利要求1-3任一所述的空间桁架悬索桥,其特征在于:所述的三角形结构应用于地锚式悬索桥或自锚式悬索桥。
6.根据权利要求1-3任一所述的空间桁架悬索桥,其特征在于:所述的三角形结构应用于单层桥面悬索桥或多层桥面悬索桥。
7.根据权利要求1-3任一所述的空间桁架悬索桥,其特征在于:所述的主缆横联(5)形状为一字型、横置K型或者米字型。
8.根据权利要求1-3任一所述的空间桁架悬索桥,其特征在于:所述的倒V型结构件的腰部设置横联;所述的横联的形状为一字型、横置K型或者米字型。
9.根据权利要求1-3任一所述的空间桁架悬索桥,其特征在于:所述的主梁(3)采用桁架梁或流线型扁平钢箱;所述的桥塔(2)为钢结构、混凝土结构或者钢混组合结构;所述的主缆(1)和吊杆(6)均采用钢绞线;所述的刚性斜杆(4)、主缆横联(6)为钢结构。
10.根据权利要求1-3任一所述的空间桁架悬索桥,其特征在于:所述的吊杆(6)竖直布置或者在顺桥向呈三角形布置;所述的吊杆(6)为柔性吊杆或刚性吊杆。
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