CN111663428B - 一种负拉索悬索桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负拉索悬索桥，包括至少一对负拉索，负拉索的上端锚固于悬索桥主缆处，负拉索的下端锚固于悬索桥主塔塔壁或者地面上。通过负拉索约束悬索桥主缆的变形，可减少主梁的竖向位移，提高桥梁的竖向刚度。在悬索桥主缆矢跨比和主梁高度不变的情况下，设置负拉索约束可以提高悬索桥的竖向刚度，特别适用于铁路和公铁合建大跨悬索桥结构竖向变形和梁端转角的控制，提高了铁路悬索桥和公铁合建悬索桥的竖向刚度，列车过桥时的安全性和舒适性，大大节约了工程造价。

Description

一种负拉索悬索桥

技术领域

本发明涉及一种悬索桥，特别是涉及一种负拉索悬索桥。

背景技术

悬索桥由于可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此在各种体系桥梁中的跨越能力最大。然而，随着跨度的增大，悬索桥的柔性特征将更加明显。尤其是对于铁路悬索桥，由于列车荷载较重，活载作用下主梁的竖向位移会显著增加。过大的竖向位移会对列车运行的安全性和舒适性产生影响。因此，悬索桥要有一定的竖向刚度，特别是对于铁路悬索桥和公铁合建悬索桥。为了提高悬索桥竖向刚度，目前常规的方法有：

1、主缆采用较小的矢跨比。将主缆矢跨比由1/10～1/9减小到1/11，提高桥梁的竖向刚度。

2、加大主梁的高度。提高主梁对全桥竖向刚度的参与度，改变结构受力方式，将索桥受力模式转变成梁桥模式来提高主梁的竖向刚度，常见的方式有加大箱梁断面高度或采用桁梁。

3、采用悬索桥和斜拉桥的组合体系。利用斜拉索对主梁的竖向约束，提高主梁的竖向刚度。如纽约布鲁克林桥，土耳其博三桥均采用组合体系。这些斜拉桥要承受主梁的自重和交通活载，因为一般为正拉索。

上述方案在一定程度上提高了悬索桥主梁的竖向刚度，减小了竖向位移，但依然存在如下不足：

1、减小主缆的矢跨比虽然能提高悬索桥的竖向刚度，但是会导致主缆水平力的加大，直接引起了主缆用钢量和锚碇数量的成比例增加，随之而来额外主缆的缠丝和架设设备也会增加，直接导致了桥梁建设成本的显著增加。

2、加大主梁的高度。该方案对于小跨结构竖向刚度的提高有一定的改善，对于大跨结构(L＞600m)，其刚度提高效果也不明显。同时，加大梁高也会直接引起主梁工程量的增加，导致结构的建设成本提高。

3、悬索桥和斜拉桥的组合体系。该方案需考虑边跨斜拉索的参与和贡献，因此需增加边跨跨度，对于无边跨的悬索桥体系不再适用。而且由于斜拉索的轴向分力作用，主梁需承受较大的轴向力，增大了主梁的工程量。同时，斜拉索和吊索在主梁的锚固存在一定的相互影响和干扰，致使该结构造价往往较高。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种负拉索悬索桥。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种负拉索悬索桥，包括至少一对负拉索，负拉索的上端锚固于悬索桥主梁竖向变形较大区域对应的悬索桥主缆处，负拉索的下端锚固于悬索桥主塔塔壁或者采用地锚锚固。

本发明中的负拉索与常规正拉索(如斜拉桥体系)设置方式相反，用于对主缆提供下拉力，当桥址处具有地锚条件时(如负拉索设置不影响通航或山区桥梁无通航要求)，负拉索下锚固结构可采用地锚式结构；当桥梁受通航要求限制无法设置地锚条件时，负拉索下锚固结构可设置于主塔侧壁上。

当悬索桥的主跨半跨加载时，另外半跨的主缆会上移，使得主跨L/4～3L/8处的变形较大，图1所示，过大的竖向变形和梁端转角会影响行车的安全性和舒适性。本发明的一种负拉索悬索桥，通过负拉索约束悬索桥主缆，其中，负拉索区别于常规的正拉索设置方式，对主缆提供向下的拉力，有效减小了因主跨半跨加载导致的另半跨主缆向上的变形，从而达到显著减小主梁的竖向变形的目的；负拉索悬索体系也能减小主梁的梁端转角；负拉索悬索体系能提高悬索桥的竖向刚度；负拉索结构简单，安装方便快捷、施工作业难度低。避免了由于增大梁高、减小矢跨比带来的工程量增加。另外，该体系结构对于单跨悬索桥、双跨悬索桥以及三跨或多跨悬索桥结构均适用。

优选地，负拉索沿桥长度方向设置或者倾斜于桥长度方向设置。

优选地，悬索桥主梁竖向变形较大区域为悬索桥主跨1/4～3/8处或者悬索桥边跨1/4～1/2处。

优选地，负拉索的上端与主缆通过上锚固结构连接。

进一步优选地，上锚固结构包括上索夹、下索夹、连接件、负拉索连接板和吊杆连接板，上索夹和下索夹通过连接件嵌固连成一个整体，将主缆包裹夹紧于其内，实现与主缆的连接，负拉索连接板焊接于下索夹下部，吊杆连接板焊接于下索夹下部。

采用这种结构设置，上锚固结构构造简单，可根据实际需要，灵活调节，且加工方便。

优选地，吊杆连接板根据吊杆的设置倾斜布置。

优选地，负拉索的下端与主塔塔壁或地锚结构通过下锚固结构连接。

进一步优选地，主塔塔壁的下锚固结构包括锚固齿块、索导管和锚垫板，锚固齿块连接于主塔塔壁，主塔塔壁和锚固齿块上贯穿设置索导管，负拉索穿过索导管并连接于锚垫板，锚垫板连接于锚固齿块。

进一步优选地，为了便于施工，提供较大的下拉力，负拉索的下端锚固于靠近主梁处的主塔塔壁上。

优选地，地锚结构包括地锚齿块、下锚基础、索导管和锚垫板，地锚齿块连接于下锚基础上，地锚齿块上贯穿设置索导管，负拉索穿过索导管并连接于锚垫板，锚垫板连接于地锚齿块。

进一步优选地，为了便于施工，负拉索的下端锚固于靠近悬索桥主塔基础的地锚上。

优选地，悬索桥主塔的一侧设置1～4根负拉索。

综上，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的一种负拉索悬索桥，通过负拉索锚固牵引悬索桥主缆，其中，负拉索区别于常规的正拉索设置方式，对主缆提供下拉力，减小了半跨加载导致的主缆向上的变形，从而有效控制了主梁在1/4～3/8处的竖向变形；负拉索悬索体系可有效减小主梁的梁端转角；负拉索-悬索体系能对普通悬索桥的竖向刚度有一定提高；负拉索结构简单，利用成熟的锚固和索夹技术，解决现有大跨度悬索桥因刚度问题导致的跨度受限问题，锚固连接技术连接性能得以保证、安装方便快捷、施工作业难度低；

2、本发明的一种负拉索悬索桥，从结构受力角度采用负拉索提高悬索桥的竖向刚度，特别适用于大跨悬索桥结构竖向变形的控制，解决了目前悬索桥结构由于跨度大带来的主跨1/4～3/8处变形较大，梁端转角较大，从而影响行车安全性和舒适性等问题，避免了由于增大梁高、减小矢跨比等竖向刚度增强措施带来的工程量增加的问题；同时，与常规设置正拉索(组合体系)相比，在提高刚度的同时，能控制成本增加，降低结构设计难度；另外，该体系结构对于单跨悬索桥、双跨悬索桥以及三跨或多跨悬索桥结构均适用；

3、本发明的一种负拉索悬索桥，负拉索倾斜于桥长度方向设置，即负拉索可设置在主缆、吊杆的面外，如锚在山体上，与桥轴线形成一定的角度，会进一步提高桥梁的横向刚度，这对桥面较窄的悬索桥(如大跨度铁路悬索桥、单车道/双车道悬索桥)的横向刚度十分有利；

4、本发明的一种负拉索悬索桥，上锚固结构构造简单，可根据实际需要，灵活调节，且加工方便。

附图说明

图1是常规悬索桥的主梁在半跨加载时的变形图；

图2a是本发明负拉索悬索桥示意图(负拉索下端锚固于主塔塔壁)；

图2b是图2a的俯视图；

图3a是本发明负拉索悬索桥示意图(负拉索下端锚固于地上)；

图3b是图3a的俯视图；

图4a是图2a或者图3a中A部放大图(负拉索和吊杆垂直布置)；

图4b是图4a中1-1剖视图；

图4c是图4a中2-2剖视图；

图5a是图2a中B部放大图；

图5b是图5a中3-3剖视图；

图6a是图3a中C部放大图；

图6b是图6a中4-4剖视图；

图7是图3b中D部放大图；

图8a是单跨吊杆负拉索悬索桥示意图(负拉索下端锚固于主塔塔壁)；

图8b是单跨吊杆负拉索悬索桥示意图(负拉索下端锚固于地上)；

图9是无边孔负拉索悬索桥示意图；

图10a是常规悬索桥示意图；

图10b是负拉索悬索桥示意图；

图10c是正拉索悬索桥示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本发明的一种负拉索悬索桥，从结构受力角度采用负拉索提高悬索桥的竖向刚度，特别适用于大跨悬索桥结构竖向变形和梁端转角的控制，解决了目前悬索桥结构由于跨度大导致的主跨1/4～3/8处变形较大进而影响行车安全和舒适等问题，避免了由于增大梁高、减小矢跨比带来的工程量增加。同时，与常规设置正拉索(组合体系)相比，在提高刚度的同时，能控制成本增加，降低结构设计难度。另外，该体系结构对于单跨设置吊杆、双跨设置吊杆以及三跨或多跨设置吊杆、无边孔的任一悬索桥结构均适用，如图2a、图3a、图8a、图8b和图9所示的悬索桥结构。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

采用负拉索提高悬索桥的竖向刚度，包括常规的悬索体系结构、负拉索和负拉索的锚固结构三部分组成。其中，负拉索区别于常规的正拉索设置方式，对主缆提供下拉力，有效控制了主梁在1/4～3/8处的竖向变形，同时主梁的梁端转角可显著减小。如图2a、图2b、图3a和图3b所示。

负拉索的根数可根据主梁变形和受力需要确定，一般设置若干根，本实施例如图所示设置3根，布置于主梁竖向变形较大区域对应的主缆处，如主跨的1/4～3/8附近或边跨的1/4～1/2附近。

负拉索上锚固结构由上、下索夹、埋头螺栓、负拉索连接板和吊杆连接板组成，如图4a所示。上、下索夹均采用圆弧面结构，通过埋头螺栓嵌固连成一个整体，将主缆包裹夹紧于其内，实现与主缆的连接。埋头螺栓的连接面设置于主缆横断面上侧，便于安装且保证后期螺栓不会掉落。吊杆连接板可根据吊杆的设置需要(如垂直布置或倾斜布置)采用焊接方式，实现连接板与下索夹的连接。负拉索连接板可根据负拉索的设置根数以及下锚固结构设置位置采用垂直或倾斜布置的形式，通过焊接方式实现连接板与下索夹的连接。对于设置地锚的负拉索，负拉索及其连接板均需采用倾斜布置方式，如图3b和图7所示。该锚固结构构造简单，可根据实际需要，灵活调节，且加工方便。

负拉索下锚固位置可根据桥址处地形条件进行选择。

当桥址处具有地锚条件时(如负拉索设置不影响通航或山区桥梁无通航要求)，负拉索下锚固结构可采用地锚式结构，如图3a和图3b所示。为了便于施工，地锚结构宜设置于主塔基础附近。地锚结构由地锚齿块、下锚基础、导管和锚垫板组成，如图6a和6b所示。

当桥梁受通航要求限制无法设置地锚条件时，负拉索下锚固结构可设置于主塔侧壁上，如图5a所示。为了便于施工，提供较大的下拉力，下锚点宜设置于靠近主梁处的主塔侧壁上。下锚固结构由锚固齿块、索导管和锚垫板组成，构造如图5b所示。

负拉索结构简单，利用成熟的锚固和索夹技术，解决现有大跨度悬索桥因刚度问题导致的跨度受限问题，其主要特征是利用主缆节点的索夹处同时连接吊杆和负拉索，利用桥塔塔柱设置索导管，将负拉索锚固在塔柱上。这种锚固连接技术连接性能得以保证、安装方便快捷、施工作业难度低。

通过算例对比分析，对大跨度铁路悬索桥增设负拉索、增设正拉索、增加悬索桥加劲梁梁高等方式，对比悬索桥在铁路双线ZK荷载作用下的竖向位移、拉索应力幅和经济性等方面。

此外，本发明专利所提出的负拉索体系，负拉索可设置在主缆、吊杆的面外，如锚在山体上，与桥轴线形成一定的角度，会进一步提高桥梁的横向刚度，这对桥面较窄的悬索桥(如大跨度铁路悬索桥、单车道/双车道悬索桥)的横向刚度十分有利。

算例：

以一主跨为1200m的铁路悬索桥为例，计算荷载为双线ZK荷载作用。图10a为1200m悬索桥原始模型，图10b为采用负拉索体系模型，图10c为采用正拉索体系模型。

表1工况介绍

工况号	工况介绍
		1	原始模型(图10a)
2	增设3根负拉索(图10b)
		3	增设3根正拉索(图10c)
4	主梁梁高增高1m

竖向刚度分析：竖向位移分析结果对比如表2所示。

表2静活载下竖向位移分析对比

对比结果表明：采用负拉索可以使该桥竖向位移减少25％～30％，此设置对竖向刚度提高的效果远高于设置正拉索和提高梁高的效果。同时，设置负拉索的费用较低；如果采用减小矢跨比的方法增加悬索桥的刚度，本发明对竖向刚度提高产生的费用仅为采用减小矢跨比的10％～15％。

拉索应力幅分析：对增设的拉索应力幅进行分析，应力幅结果如表3所示，负拉索和正拉索的疲劳应力幅相近，能够满足要求。

表3增设的拉索应力幅分析对比

工况号	应力幅(MPa)
		2	186
3	198

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种负拉索悬索桥，其特征在于，包括至少一对负拉索，负拉索的上端锚固于悬索桥主缆处，负拉索的下端锚固于悬索桥主塔塔壁或者采用地锚锚固。

2.根据权利要求1的负拉索悬索桥，其特征在于，负拉索锚固于悬索桥主跨1/4~3/8处或者悬索桥边跨1/4~1/2处。

3.根据权利要求1的负拉索悬索桥，其特征在于，负拉索的上端与主缆通过索夹连接。

4.根据权利要求3的负拉索悬索桥，其特征在于，上锚固结构包括上索夹、下索夹、连接件、负拉索连接板和吊杆连接板，上索夹和下索夹通过紧固件连成一个整体，将主缆包裹夹紧于其内，负拉索的连接板设置在索夹下部，吊杆的连接板也设置在索夹下部。

5.根据权利要求1的负拉索悬索桥，其特征在于，主塔塔壁的下锚固结构包括锚固齿块、索导管和锚垫板，锚固齿块连接于主塔塔壁，主塔塔壁和锚固齿块上贯穿设置索导管，负拉索穿过索导管并连接于锚垫板，锚垫板连接于锚固齿块。

6.根据权利要求1或5的负拉索悬索桥，其特征在于，负拉索的下端锚固于靠近主梁处的主塔塔壁上。

7.根据权利要求1的负拉索悬索桥，其特征在于，地锚结构包括地锚齿块、下锚基础、索导管和锚垫板，地锚齿块连接于下锚基础上，地锚齿块上贯穿设置索导管，负拉索穿过索导管并连接于锚垫板，锚垫板连接于地锚齿块。

8.根据权利要求1或7的负拉索悬索桥，其特征在于，负拉索的下端锚固于靠近悬索桥主塔基础的地锚上。

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