CN111236039B - 一种大跨径空间索网体系悬索桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大跨径空间索网体系悬索桥，属于土木工程领域。该大跨径空间索网体系悬索桥主要包括拱形桥塔、主缆、吊杆、平行索缆、空间索网、背索、拱形环梁、加劲钢梁、锚碇、承台和桩基础等结构。本发明应用贝塞尔曲线对传统的门式桥塔进行优化，使其线形更加流畅，更易满足布置空间索缆的锚固需求；将空间索网布置成双曲抛物面形式，有效的提高了缆索体系的空间刚度与颤振临界风速；同时应用单叶双曲面优良的力学性能来改善传统的桩基础桩身外形，在保证其抗弯抗剪承载力的条件下，明显的提升了抗倾覆性能。本发明提出的一种大跨径空间索网体系悬索桥可极大的改善悬索桥抗风稳定性问题，可为建造大跨径空间索网体系悬索桥作为参考。

Description

一种大跨径空间索网体系悬索桥

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及一种大跨径空间索网体系悬索桥。

背景技术

悬索桥，又名吊桥，是以主缆索受拉为主要承重构件的桥梁结构，因其具有跨越能力大、受力合理、最能发挥材料强度等特点，同时还以其整体造型流畅美观和施工安全快捷等优势而倍受青睐。现代悬索桥发源于美国，1883年在纽约建成的主跨为486m的布鲁克林(Brooklyn)桥，被认为是现代悬索桥的起点。我国现代悬索桥起步较晚，但发展迅速，目前厦门海沧大桥、江阴长江大桥、润扬长江大桥的先后建成，标志着我国的悬索桥在设计、施工和科研等方面迈上了新台阶，有的已经进入了国际先进行列。

悬索桥未来发展的一个显著的趋势就是跨径的不断增大。随着悬索桥跨度增大，传统的平行缆索体系悬索桥扭转频率与弯曲频率相互接近，颤振临界风速降低。一般有三类方法改善结构抗风性能：改善断面气动性能、布置阻尼器控制结构振动特性和采用空间缆索结构体系。前两种方法在改善抗风稳定性方面效果有限，采用新的空间缆索体系只需增加一些施工工序，通过改变缆索体系，将悬索桥的扭转振动与侧向水平振动在一定程度上耦合起来，提高缆索体系的动力稳定性来改善全桥的抗风稳定性，就可提高悬索桥结构的抗扭刚度和抗侧刚度，获得很好的抗风性能。

现有的空间缆索体系有：交叉吊索体系、空间缆索体系、空间索网体系。交叉吊索体系常见的布置方式有水平交叉索、竖向交叉吊索以及竖向与水平索的联合交叉索体系。水平交叉索是通过抑制主缆的反对称运动，来提高结构的抗扭刚度；竖向交叉索则是使加劲梁的扭转振动与同侧向水平振动耦合起来，从而提高结构的抗扭刚度。空间缆索体系是通过主缆和吊杆形成一个三维的索系，在对承受竖向荷载影响不大的情况下，能够大大提高悬索桥的横向和扭转刚度。一般有单主缆体系、内倾式缆索体系，外倾式缆索体系等。空间索网体系的设计概念来源于张拉集成体系，它的刚度是拉索和压杆单元之间应力自平衡的结果。张力集成体系具有预应力提供刚度、形成应力回路、自平衡、自锁和自支承、自适应等特点。鉴于空间索网体系优良的力学性能，与简单的施工工艺，本发明基于空间索网体系提供一种大跨径的空间索网体系悬索桥。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种大跨径空间索网体系悬索桥，应用贝塞尔曲线对传统的门式桥塔进行优化，使其线形更加流畅，更易满足布置空间索缆的锚固需求；将空间索网布置成双曲抛物面形式，有效的提高了缆索体系的空间刚度与颤振临界风速；同时应用单叶双曲面优良的力学性能来改善传统的桩基础桩身外形，在保证其抗弯抗剪承载力的条件下，明显的提升了抗倾覆性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种大跨径空间索网体系悬索桥，包括拱形桥塔、主缆、吊杆、平行索缆、空间索网、背索、拱形环梁、加劲钢梁、锚碇、承台和桩基础；上述拱形桥塔由塔顶曲线段、左右两段塔柱与中横梁组成，上述塔顶曲线段为贝塞尔曲线，其两端分别连接左右塔柱，上述中横梁位于塔柱中下部，以连接左右塔柱，以增加整体性，并同时起支撑加劲钢梁的作用，拱形桥塔固接在桩基础之上；上述主缆与平行索缆两端均锚固于两个拱形桥塔之间，吊杆一端通过索夹锚固于主缆，另一端悬吊加劲钢梁；上述拱形环梁沿主缆纵向布置，且主缆穿过拱形环梁顶部曲线段的预留孔洞，上述拱形环梁横断面由桥梁两端支点向跨中逐次收进，造型美观；上述空间索网是由多根直纹钢丝缆索空间交叉构成的双曲抛物面索网，各直纹钢丝缆索交叉节点固定连接，空间索网穿过所述拱形环梁并与之固定连接，可大幅提高空间缆索体系的空间刚度；上述背索共四根分为两组，一端锚固在拱形桥塔上，另一端锚固于锚碇之中，其可利用桥塔结构做传力构件，将主缆、空间索网转换为背索拉力，同时对桥塔结构扭转内力和变形、弯曲内力和变形产生的有效控制；述加劲钢梁安装在拱形桥塔与拱形环梁之上，加劲梁底部与拱形环梁底部曲线相吻合，加劲钢梁采用薄翼流线型断面，提高抗风稳定性。

进一步的，上述桩基础为两相同圆台上底面相对所形成的几何体，其侧表面为单叶双曲面。桩基础包括直纹钢筋与直径不同的环形箍筋，上述直纹钢筋按照单叶双曲面管状构型空间交叉布置，上述环形箍筋沿高度方向上紧箍在直纹钢筋四周，并绑扎固定，上述桩基础中点位置的环形箍筋直径最小，两端点位置处的环形箍筋直径最大，上述桩基腰部细小，底部厚实，保证桩基抗弯抗剪承载力，有利于提高抗倾覆稳定性。

本发明所述的一种大跨径空间索网体系悬索桥的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：在目的地附近根据地形地质条件的要求，进行大跨度悬索桥桥址的选择；

步骤二：放样定位，开挖基坑，直纹钢筋下料，将直纹钢筋按照单叶双曲面管状构型空间交叉布置，与环形箍筋形成钢筋骨架，浇筑桩身混凝土，形成桩基础，在桩基础上施工承台，在承台上方拼装塔顶曲线段、塔柱与中横梁，形成拱形桥塔结构；

步骤三：安装悬索桥背索，牵引钢丝缆索过河，形成主缆与平行索缆，并安装竖向吊杆，同时多股钢丝缆索空间交叉形成单叶双曲面空间索网，单叶双曲面空间索网锚固于拱形桥塔的塔顶曲线段上；

步骤四：安装拱形环梁，采用夹具将双曲抛物面空间索网与拱形环梁牢固连接，并将加劲钢梁安装固定在拱形环梁，安装桥梁附属设施，形成桥面系。

本发明的有益效果是：

本发明采用贝塞尔曲线对传统的门式桥塔进行线形优化，使桥塔外形的曲线光滑，不但利于索缆锚固连接，而且具有良好的视觉效果；将传统的平行缆索分散，降低单股缆索的重量，同时将多股空间缆索空间交叉布置成双曲抛物面空间索网，可有效的提高缆索体系的空间刚度，可大幅度提高悬索桥的抗扭频率和扭弯频率比与颤振临界风速，保证超大跨径悬索桥的抗风稳定性；同时应用单叶双曲面来改进传统的桩基础外形，在保证其抗弯抗剪承载力的条件下，具有优良的力学性能，可明显提高其抗倾覆稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的局部结构示意图；

图3为本发明实施例所采用的5阶贝塞尔曲线示意图；

图4为本发明实施例桩基础结构示意图；

图5为本发明实施例桩基础结构钢筋骨架示意图。

附图标记列表：

1.拱形桥塔，2.主缆，3.吊杆，4.平行索缆，5.空间索网，6.背索，7.拱形环梁，8.加劲钢梁，9.承台，10.桩基础，11.塔顶曲线段，12.塔柱，13.中横梁，14.直纹钢筋，15.环形箍筋。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1、2所示，本发明所述的一种大跨径空间索网体系悬索桥，包括拱形桥塔1、主缆2、吊杆3、平行索缆4、空间索网5、背索6、拱形环梁7、加劲钢梁8、锚碇、承台9和桩基础10；上述拱形桥塔1由塔顶曲线段11、左右两段塔柱12与中横梁13组成，其中塔顶曲线段11为贝塞尔曲线，两端分别连接左右塔柱12，中横梁13位于塔柱12中下部，以连接左右塔柱12，以增加整体性，并同时起支撑加劲钢梁8的作用，拱形桥塔1固接在桥梁桩基础10之上；上述主缆2与平行索缆4两端均锚固于两个拱形桥塔1之间，上述吊杆3一端通过索夹锚固于主缆2，另一端悬吊加劲钢梁8；上述拱形环梁7沿主缆2纵向布置，且主缆2穿过拱形环梁7顶部曲线段的预留孔洞，拱形环梁7横断面由桥梁两端支点向跨中逐次收进，造型美观；上述空间索网5是由多根直纹钢丝缆索空间交叉构成的双曲抛物面索网，各直纹钢丝缆索交叉节点固定连接，空间索网5穿过所述拱形环梁7并与之固定连接，这样的布索方式可有效的提高缆索体系的空间刚度，同时可大幅度提高悬索桥的抗扭频率和扭弯频率比以及颤振临界风速，保证了超大跨径悬索桥的抗风稳定性；上述背索6共四根分为两组，一端锚固在拱形桥塔1上，另一端锚固于锚碇之中，其可利用桥塔结构做传力构件，将主缆2、空间索网5转换为背索6拉力，同时对桥塔结构扭转内力和变形、弯曲内力和变形产生的有效控制；加劲钢梁8安装在拱形桥塔1与拱形环梁7之上，加劲梁底部与拱形环梁7底部曲线相吻合，加劲钢梁8采用薄翼流线型断面，以提高抗风稳定性。

贝塞尔曲线是应用于二维图形应用程序的数学曲线，它可以通过起点和终点，以及若干个控制点，来模拟一条平滑的曲线。其一般方程如下：

下面结合图3来说明本发明基于高次贝塞尔曲线确定拱形桥塔1线形的方法，在本实施例中采用的是5次贝塞尔曲线，首先依据双曲抛物面空间索网5来确定塔顶曲线段11的跨度，并以此来确定贝塞尔曲线的起点P₀和终点P₅，接着参照空间索网5的矢高寻找合适的控制点P₁、P₂、P₃、P₄，完成塔顶曲线段11的绘制，再以所绘制的贝塞尔曲线的起点P₀和终点P₅做适当长度的切线使之成为桥塔轴线，接着绘制中横梁13轴线来确定拱形桥塔1线形。贝塞尔曲线是一种非常自由的曲线，通过改变其控制点的位置和权重就能改变线条的形状，5次贝塞尔曲线能保证曲线的曲率达到一个较高水平的连续，所形成的桥塔线形优美，利于索缆锚固连接，这相比于传统的直线和圆弧相组合的来表达曲线的方式，是一个巨大的提升。

如图4所示的桩基础10为两相同圆台上底面相对所形成的几何体，其侧表面为单叶双曲面。单叶双曲面是典型的直纹曲面，其曲面可以由两族直线构成。其在建筑上有着重要应用，常常用它来构成建筑物的骨架，具有优良的力学性能。单叶双曲面控制方程为：

桩基础10包括两簇直纹钢筋14与多根直径不同的环形箍筋15，上述直纹钢筋14按照单叶双曲面构型空间交叉布置，遵循分散均匀、对称等原则，充分利用“单叶双曲面上每一条直母线在腰部圆所在平面上的正投影与腰部圆相切”的特性进行直纹钢筋14的施工布置定位，并选择合理的单叶双曲面空间缆索扭转角度。上述环形箍筋15沿高度方向上紧箍在直纹钢筋14四周，并绑扎固定，形成了如图5所示的桩基钢筋骨架，桩基础10中点位置的环形箍筋15直径最小，两端点位置处的环形箍筋15直径最大，桩基础腰部细小，底部厚实，保证了桩基抗弯抗剪承载力，有利于提高其抗倾覆稳定性。

本发明的一种大跨径空间索网体系悬索桥的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：在目的地附近根据地形地质条件的要求，进行大跨度悬索桥桥址的选择；

步骤二：放样定位，开挖基坑，直纹钢筋14下料，将直纹钢筋14按照单叶双曲面管状构型空间交叉布置，与环形箍筋15形成钢筋骨架，浇筑桩身混凝土，形成桩基础10，在桩基础上施工承台9，在承台9上方拼装塔顶曲线段11、塔柱12与中横梁13，形成拱形桥塔1结构；

步骤三：安装悬索桥背索6，牵引钢丝缆索过河，形成主缆2与平行索缆4，并安装竖向吊杆3，同时多股钢丝缆索空间交叉形成单叶双曲面空间索网5，单叶双曲面空间索网5锚固于拱形桥塔1的塔顶曲线段11上；

步骤四：安装拱形环梁7，采用夹具将双曲抛物面空间索网5与拱形环梁7牢固连接，并将加劲钢梁8安装固定在拱形环梁7，安装桥梁附属设施，形成桥面系。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (3)

1.一种大跨径空间索网体系悬索桥，其特征在于：包括拱形桥塔（1）、主缆（2）、吊杆（3）、平行索缆（4）、空间索网（5）、背索（6）、拱形环梁（7）、加劲钢梁（8）、锚碇、承台（9）和桩基础（10）；所述拱形桥塔（1）由塔顶曲线段（11）、左右两段塔柱（12）与中横梁（13）组成，所述塔顶曲线段（11）为贝塞尔曲线，其两端分别连接左右塔柱（12），所述中横梁（13）位于塔柱（12）中下部，以连接左右塔柱（12），同时用于放置加劲钢梁（8），所述拱形桥塔（1）固接在承台（9）之上；所述主缆（2）与所述平行索缆（4）两端均锚固于两个拱形桥塔（1）之间，所述吊杆（3）一端通过索夹锚固于主缆（2），另一端悬吊加劲钢梁（8）；所述拱形环梁（7）沿主缆（2）纵向布置，且主缆（2）穿过拱形环梁（7）顶部曲线段的预留孔洞，所述拱形环梁（7）横断面由桥梁两端支点向跨中逐次收进；所述空间索网（5）是由多根直纹钢丝缆索空间交叉构成的双曲抛物面索网，各直纹钢丝缆索交叉节点固定连接，空间索网（5）穿过所述拱形环梁（7）并与之固定连接；所述背索（6）共四根分为两组，一端锚固在拱形桥塔（1）上，另一端锚固于锚碇之中；所述加劲钢梁（8）安装在拱形桥塔（1）与拱形环梁（7）之上，加劲钢梁（8）底部与拱形环梁（7）底部线形相吻合。

2.根据权利要求1所述的一种大跨径空间索网体系悬索桥，其特征在于：所述桩基础（10）为两相同圆台上底面相对所形成的几何体，其侧表面为单叶双曲面，所述桩基础（10）包括直纹钢筋（14）与多根直径不同的环形箍筋（15），所述直纹钢筋（14）按照单叶双曲面管状构型空间交叉布置，所述环形箍筋（15）沿高度方向上紧箍在直纹钢筋（14）四周，并绑扎固定，所述桩基础（10）中点位置的环形箍筋（15）直径最小，两端点位置处的环形箍筋（15）直径最大。

3.建造如权利要求1所述的一种大跨径空间索网体系悬索桥的施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：在目的地附近根据地形地质条件的要求，进行大跨度悬索桥桥址的选择；

步骤二：放样定位，开挖基坑，直纹钢筋（14）下料，将直纹钢筋（14）按照单叶双曲面管状构型空间交叉布置，与环形箍筋（15）形成钢筋骨架，浇筑桩身混凝土，形成桩基础（10），在桩基础上施工承台（9），在承台（9）上方拼装塔顶曲线段（11）、塔柱（12）与中横梁（13），形成拱形桥塔（1）结构；

步骤三：安装悬索桥背索（6），牵引钢丝缆索过河，形成主缆（2）与平行索缆（4），并安装竖向吊杆（3），同时多股钢丝缆索空间交叉形成双曲抛物面空间索网（5），双曲抛物面空间索网（5）锚固于拱形桥塔（1）的塔顶曲线段（11）上；

步骤四：安装拱形环梁（7），采用夹具将双曲抛物面空间索网（5）与拱形环梁（7）牢固连接，并将加劲钢梁（8）安装固定在拱形环梁（7），安装桥梁附属设施，形成桥面系。

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