CN113481825B - Y型主梁的大跨度桥梁结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Y型主梁的大跨度桥梁结构，包括三个撑杆、若干个沿撑杆长度方向延伸的拉索、三个主梁、三个桥墩或桥台，三个撑杆的顶端衔接固定，三个撑杆的下端分别与三个主梁的外侧端部固定连接，三个主梁的内连接段衔接固定到一起，每一主梁的下侧均设置有一桥墩或桥台。通过合理设计主梁、拉索和撑杆的轴力传力路径，充分利用主梁、拉索和撑杆的共同受力，在主梁平面呈“Y”型的同时具有较强的承载能力，突破了“Y”型桥一般用于小跨径人行桥的局限性，可适应大跨径和通行汽车的要求；由于结构受力为内部“自平衡”，本桥梁结构不对连接基础产生水平推力，可适用于各种地质条件，在适用性、经济性和桥梁景观等诸方面均有较高推广价值。

Description

Y型主梁的大跨度桥梁结构

技术领域

本发明涉及桥梁领域，尤其涉及一种Y型主梁的大跨度桥梁结构。

背景技术

目前，主梁平面呈“Y”型的桥梁结构一般会在主梁三个分支交点处设置桥墩，且跨径一般较小，通常用于人行桥。由于跨径小、所受荷载小，一般采用梁式桥即可满足受力要求。

但是，现有的桥梁设计存在以下缺陷：

在实际工程中，桥梁设计有时会遇到主梁平面呈“Y”型、同时受到港航、水利或其他限制条件无法在“Y”型主梁三个分支交点处设置桥墩而导致跨径很大的情况。例如，在三岔河道口处为连接三个地块交通而采用“Y”型主梁，却因受河道通航要求无法在主梁三个分支交点处设置桥墩时；又如城市桥梁因受征地拆迁限制而必须采用平面呈“Y”型的大跨度桥梁时。

对于主梁每个分支的长度均达到100m以上、主梁三个分支交点处因通航、水利、桥下道路、征地拆迁等建设条件限制而不能设置桥墩，同时还需要通行汽车的“Y”型大跨度桥梁结构，常规的梁式桥将因受力性能差、经济性能差而丧失可行性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种Y型主梁的大跨度桥梁结构，其能解决可行性不足的问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种Y型主梁的大跨度桥梁结构，包括三个撑杆、若干个沿撑杆长度方向延伸的拉索、三个主梁、三个桥墩或桥台，三个所述撑杆的顶端衔接固定，三个所述撑杆的下端分别与三个所述主梁的外侧端部固定连接，三个所述主梁的内连接段衔接固定到一起，每一所述主梁的下侧均设置有一桥墩或桥台，每一桥墩或桥台的上侧设置有用于支撑主梁的支座，每一桥墩或桥台的下侧设置有用于提供支撑的连接基础，所述拉索一端固定于所述主梁，另一端与所述撑杆固定连接。

进一步地，三个所述主梁形成桥梁平面，所述桥梁平面呈Y字状，所述撑杆的中心线沿竖直方向的投影与桥轴线重合。

进一步地，若干个所述撑杆之间的连接方式、所述撑杆与所述主梁的连接方式、三个所述主梁的内连接段的连接方式均为刚性连接。

进一步地，所述拉索一端锚固于所述主梁，另一端与所述撑杆锚固连接。

进一步地，所述撑杆呈直杆状。

进一步地，所述撑杆的轴线与所述主梁的表面呈25～40度。

进一步地，所述撑杆呈拱形。

进一步地，三个所述主梁的长度相同，相邻两个所述主梁之间的角度为120度。

进一步地，三个所述主梁根据长度分为长主梁、中主梁、短主梁，短主梁的长度大于长主梁长度的70％。

进一步地，相邻两个所述主梁之间的角度介于45度和160度之间。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

三个所述撑杆的顶端衔接固定，三个所述撑杆的下端分别与三个所述主梁的外侧端部固定连接，三个所述主梁的内连接段衔接固定到一起，每一所述主梁的下侧均设置有一桥墩，每一桥墩的上侧设置有用于支撑主梁的支座，每一桥墩的下侧设置有用于提供支撑的连接基础，所述拉索一端固定于所述主梁，另一端与所述撑杆固定连接。通过合理设计主梁、拉索和撑杆的轴力传力路径，充分利用主梁、拉索和撑杆的共同受力，在主梁平面呈“Y”型的同时具有较强的承载能力，突破了“Y”型桥一般用于小跨径人行桥的局限性，可适应大跨径和通行汽车的要求；同时，由于结构受力为内部“自平衡”，本桥梁结构不对连接基础产生水平推力，可适用于各种地质条件，在适用性、经济性和桥梁景观等诸方面均有较高推广价值。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明Y型主梁的大跨度桥梁结构中一较佳实施例的立体图；

图2为图1传力路径的立体图；

图3为另一实施例的立体图；

图4为图3传力路径的立体图。

图中：

1撑杆

101撑杆与主梁刚性连接节点

102撑杆顶部刚性连接节点

103撑杆轴线

2拉索

3主梁

301桥轴线

4桥墩

5基础

6支座

M1撑杆相交顶点

M2主梁桥轴线相交节点

θ1、θ2、θ3撑杆与主梁在竖直平面内的夹角

N1拉索承受的轴向拉力

N2撑杆承受的轴向压力

Nh撑杆轴向压力的水平分力

Nv撑杆轴向压力的竖向分力

N3主梁承受的轴向拉力。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1、2，一种Y型主梁的大跨度桥梁结构，包括三个撑杆1、若干个沿撑杆长度方向延伸的拉索2、三个主梁3、三个桥墩4，三个所述撑杆1的顶端衔接固定，三个所述撑杆1的下端分别与三个所述主梁3的外侧端部固定连接，三个所述主梁3的内连接段衔接固定到一起，每一所述主梁3的下侧均设置有一桥墩4，每一桥墩4的上侧设置有用于支撑主梁3的支座6，每一桥墩4的下侧设置有用于提供支撑的连接基础5，所述拉索2一端固定于所述主梁3，另一端与所述撑杆1固定连接。通过合理设计主梁、拉索和撑杆的轴力传力路径，充分利用主梁3、拉索2和撑杆1的共同受力，在主梁平面呈“Y”型的同时具有较强的承载能力，突破了“Y”型桥一般用于小跨径人行桥的局限性，可适应大跨径和通行汽车的要求；同时，由于结构受力为内部“自平衡”，本桥梁结构不对连接基础产生水平推力，可适用于各种地质条件，在适用性、经济性和桥梁景观等诸方面均有较高推广价值。

具体的，主梁的外侧端部为靠近桥墩的一端，主梁的内连接段为远离桥墩的一端。

具体的，请参阅图1、2、3、4，101代表撑杆与主梁刚性连接节点，102代表撑杆顶部刚性连接节点，103代表撑杆轴线，301代表桥轴线，M1代表撑杆相交顶点，M2代表主梁桥轴线相交节点，θ1、θ2、θ3分别代表撑杆与主梁在竖直平面内的夹角，N1代表拉索承受的轴向拉力，N2代表撑杆承受的轴向压力，Nh代表撑杆轴向压力的水平分力，Nv代表撑杆轴向压力的竖向分力，N3代表主梁承受的轴向拉力。

具体的，主梁组件由桥轴线301相交于M2点的三个分支构成，拉索2起到将主梁3荷载传递至撑杆1的作用，桥墩4共三个，分别位于主梁3三个分支的端部，其他位置均不设桥墩。桥墩4与主梁3结构分离，桥墩4顶部设置可沿桥轴线方向纵向滑动的支座6支撑主梁3的结构。

具体的，轴力传力路径如下：主梁3直接承受结构自重、桥面铺装、栏杆、汽车荷载、人群荷载等荷载作用。拉索2作为主梁3的弹性支撑，将主梁3上大部分荷载传递至撑杆1，拉索2主要承受轴向拉力N1作用。撑杆1为本桥梁结构的主要承重结构，在拉索2作用下，撑杆1以承受轴向压力为主，撑杆的轴向压力N2通过撑杆与主梁刚性连接节点101传递给主梁3，N2撑杆承受的轴向压力可分解为竖向分力Nv和水平分力Nh。其中，竖向分力Nv传递给主梁3后，通过设置于主梁3底部、桥墩4顶部的支座6传递给桥墩4和连接基础5。水平分力Nh传递给主梁3后，由于桥墩4顶部的支座6可沿桥轴线方向纵向滑动，故该水平分力不会传递至桥墩4和连接基础5，而是通过主梁3三个分支承受轴向拉力予以平衡。主梁3三个分支的轴向拉力N3在主梁桥轴线相交节点M2处互相平衡，使桥梁结构受力处于内部“自平衡”状态。

具体的，主梁3三个分支分别连接了三个方向的交通，三个方向的交通在主梁桥轴线相交节点M2附近区域通过交通信号灯控制实现相互转换。主梁3每个分支在横桥向分为三个区域，桥轴线301附近为结构区，为设置撑杆1和拉索2的空间，本实施例结构区的宽度为4m；结构区两侧为功能区，包括人行道、车行道和相应的防撞栏杆、人行栏杆等附属构造，本实施例主梁每侧功能区的宽度为12.25m，包括4m宽的人行道、7m宽的机动车道、2道各0.5m宽的防撞栏杆和1道0.25m宽的人行栏杆。

优选的，三个所述主梁3形成桥梁平面，所述桥梁平面呈Y字状，所述撑杆1的中心线沿竖直方向的投影与所述主梁3的桥轴线重合。

优选的，若干个所述撑杆1之间的连接方式、所述撑杆1与所述主梁3的连接方式、三个所述主梁的内连接段的连接方式均为刚性连接。所述拉索2一端锚固于所述主梁3，另一端与所述撑杆1锚固连接。所述撑杆1呈直杆状。所述撑杆1的轴线与所述主梁3的表面呈25～40度。整个装置结构紧凑，结构新颖，设计巧妙，适用性强，便于推广。

优选的，三个所述主梁3的长度相同，相邻两个所述主梁3之间的角度为120度。具体的，标识主梁3的三个长度分别为L1、L2、L3，在其中一实施例中，L1＝L2＝L3＝140m，满足较短分支长度不小于较长分支长度的70％的比例关系；主梁3相邻两个分支之间的水平夹角α1＝α2＝α3＝120度，满足不小于45度、不大于160度的条件；设定主梁3的宽度分别为B1、B2、B3，在其中一实施例中，B1＝B2＝B3，主梁3三个分支的宽度B1＝B2＝B3＝28.5m。由于本实施例主梁三个分支的长度L1、L2、L3相等、主梁三个分支的宽度B1、B2、B3相等且主梁相邻两个分支之间的水平夹角α1、α2、α3均为120度，本实施例的主梁3、撑杆1所受的竖向弯矩最小，且在恒载等对称荷载作用下不受横向弯矩作用，整个桥梁结构处于最优受力状态。

优选的，对于主梁三个分支的长度L1、L2、L3并不完全相等、或主梁三个方向的宽度B1、B2、B3并不完全相等、或主梁相邻两个分支之间的水平夹角α1、α2、α3并不完全相等的情况，可通过调节三个分支的拉索轴向拉力N1以改变各分支的内力分布，或适当调整主梁3、撑杆1截面以适应内力变化，使整个桥梁结构处于较好的受力状态。三个所述主梁3根据长度分为长主梁、中主梁、短主梁，短主梁的长度大于长主梁长度的70％。相邻两个所述主梁3之间的角度介于45度和160度之间。

具体的，主梁3三个分支上第一根拉索的锚固点与主梁桥轴线相交节点之间的水平距离需满足三个方向交通相互转换所需的空间，该水平距离的具体值根据交通类型和交通组织方式确定。所述拉索2宜采用高强钢丝束或钢绞线束。

具体的，拉索2下端锚固于主梁结构区，拉索2在主梁3上的锚固点纵向间距为12m。主梁三个分支上第一根拉索的锚固点P1、P2、P3与主梁桥轴线相交节点M2之间的水平距离D1＝D2＝D3＝40m，可满足三个方向交通相互转换所需的空间。拉索2采用高强钢丝束。

具体的，撑杆1采用直杆时，拉索2在撑杆1上的锚固点宜靠近撑杆1顶部布置，拉索集中锚固于撑杆顶部沿着撑杆1长度方向约25％的范围内，拉索2集中锚固可减少撑杆1承受的竖向弯矩，使撑杆1在拉索2作用下以承受轴向压力为主。由于桥梁跨径大，撑杆1自由长度长，撑杆1除满足静力受力要求外，还需满足整体稳定性能要求。为了满足桥梁结构在恒载和活载共同作用下的线弹性整体稳定系数不低于4的要求，撑杆宜采用稳定性能较优的箱型截面，箱型截面的宽度和高度需满足不小于撑杆长度的1/50的最小截面尺寸要求。

具体的，撑杆1采用直杆，撑杆倾斜布置于主梁结构区，θ1＝θ2＝θ3＝36.5度。撑杆1采用钢结构，钢结构具有轻质高强的特点，可减少撑杆1结构自重引起的竖向弯矩，使撑杆1在结构自重作用下以承受轴向压力为主。拉索2在撑杆1上的锚固点靠近撑杆顶部布置，拉索2集中锚固于每根撑杆顶部沿着撑杆长度方向约38m的范围内，占撑杆1的长度的22.6％，拉索集中锚固可减少撑杆1承受的竖向弯矩，使撑杆1在拉索2作用下以承受轴向压力为主。本实施例桥梁跨径大，主梁三个分支的长度L1＝L2＝L3＝140m，撑杆1的自由长度达到168m，撑杆1采用稳定性能较优的箱型截面，箱型截面的宽度为3.6m，高度为4m～7m，宽度与长度比值为1/46.7，高度与长度比值为1/42～1/24，满足不小于撑杆长度的1/50的最小截面尺寸要求，桥梁结构在恒载和活载共同作用下的线弹性整体稳定系数为4.26，满足整体稳定性能要求。

具体的，所述主梁3采用钢结构，主梁高度为3m，采用带挑臂的单箱三室断面，顶板厚度16mm，底板厚度14mm，腹板厚度12mm，可较好的满足主梁横向受力、主梁桥轴线相交节点M2附近无拉索承重区域的受力要求。钢结构具备优越的抗拉性能，可以很好的平衡由撑杆1通过撑杆与主梁刚性连接节点101传递给主梁3的水平分力。同时，钢结构具有轻质高强的特点，可在满足受力要求同时降低主梁3结构自重，较好的适应大跨径和通行汽车的要求。

请具体参阅图3、4，进一步地，当所述撑杆采用拱形杆时，撑杆轴线宜为二次抛物线或悬链线，也可采用圆弧线等能够使撑杆在结构自重和拉索力作用下以承受轴向压力为主的合理拱轴线；撑杆轴线在撑杆相交顶点处的切线宜为水平线，以保证各撑杆的轴向压力在撑杆顶部刚性连接节点处平顺传递；撑杆相交顶点与主梁桥轴线相交节点的竖向距离宜为主梁各分支的长度的1/2～1/3.5。拉索在撑杆上的锚固点宜沿着撑杆长度方向分散布置。由于拉索分散布置在撑杆上，拉索的非保向力作用可提高撑杆的整体稳定性能，但由于撑杆所受的轴向压力很大，整体稳定性能仍是控制结构设计的主要因素。为了满足桥梁结构在恒载和活载共同作用下的线弹性整体稳定系数不低于4的要求，撑杆宜采用稳定性能较优的箱型截面，箱型截面的宽度和高度需满足不小于撑杆轴线长度的1/50的最小截面尺寸要求。

优选的，在另一实施例中，与上一实施例不同的是，所述撑杆1呈拱形。撑杆轴线103采用二次抛物线，可使撑杆1在结构自重和拉索力作用下以承受轴向压力为主；撑杆相交顶点M1处为二次抛物线的顶点，故撑杆轴线103在撑杆相交顶点M1处的切线为水平线，可保证各撑杆1的轴向压力N2在撑杆顶部刚性连接节点102处平顺传递；撑杆相交顶点M1与主梁桥轴线相交节点M2的竖向距离为60m，是主梁各分支的长度的1/2.33。拉索2在撑杆1上的锚固点沿着撑杆1长度方向分散布置。由于拉索2分散布置在撑杆1上，拉索2的非保向力作用可提高撑杆的整体稳定性能，但由于本实施例桥梁跨径大，撑杆1所受的轴向压力很大，整体稳定性能仍是控制结构设计的主要因素，撑杆1采用稳定性能较优的箱型截面，箱型截面的宽度为3.2m，高度为3m～6m，本实施例的撑杆轴线长度为151m，宽度与长度比值为1/47.2，高度与长度比值为1/50.3～1/25.2，满足不小于撑杆轴线长度的1/50的最小截面尺寸要求，桥梁结构在恒载和活载共同作用下的线弹性整体稳定系数为4.30，满足整体稳定性能要求。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种Y型主梁的大跨度桥梁结构，包括三个撑杆、若干个沿撑杆长度方向延伸的拉索、三个主梁、三个桥墩或桥台，其特征在于：

三个所述撑杆的顶端衔接固定，三个所述撑杆的下端分别与三个所述主梁的外侧端部固定连接，三个所述主梁的内连接段衔接固定到一起，每一所述主梁的下侧均设置有一桥墩或桥台，每一桥墩或桥台的上侧设置有用于支撑主梁的支座，每一桥墩或桥台的下侧设置有用于提供支撑的连接基础，所述拉索一端固定于所述主梁，另一端与所述撑杆固定连接，三个所述主梁形成桥梁平面，所述桥梁平面呈Y字状，所述撑杆的中心线沿竖直方向的投影与桥轴线重合，若干个所述撑杆之间的连接方式、所述撑杆与所述主梁的连接方式、三个所述主梁的内连接段的连接方式均为刚性连接，所述拉索一端锚固于所述主梁，另一端与所述撑杆锚固连接，所述撑杆呈直杆状，所述撑杆的轴线与所述主梁的表面呈25～40度。

2.如权利要求1所述的Y型主梁的大跨度桥梁结构，其特征在于：所述撑杆呈拱形。

3.如权利要求1所述的Y型主梁的大跨度桥梁结构，其特征在于：三个所述主梁的长度相同，相邻两个所述主梁之间的角度为120度。

4.如权利要求1所述的Y型主梁的大跨度桥梁结构，其特征在于：三个所述主梁根据长度分为长主梁、中主梁、短主梁，短主梁的长度大于长主梁长度的70％。

5.如权利要求1所述的Y型主梁的大跨度桥梁结构，其特征在于：相邻两个所述主梁之间的角度介于45度和160度之间。

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