三塔四跨悬索桥的静力性能研究

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1、三塔四跨悬索桥的静力性能研究第1章绪论1.1引言悬索桥，亦称为吊桥，是以缆索作为主要承重构件的一种桥型。其主要的结构包括主缆、吊索、锚碇、索塔和主梁等。悬索桥的受力特征为：荷载通过吊索传递给主缆，再由主缆传递给锚碇和索塔，最后由锚碇和索塔传递给基础，其传力途径明确、简洁。根据其受力特征可知，悬索桥的主要承重构件只受到拉力，故而其材料的利用率比较高。而近代悬索桥更是由于主缆采用了高强钢丝，因此其跨越能力大幅增大，成本大幅降低。正是因为悬索桥的受力明确，跨越能力大，材料的利用率高和造价比较低等特点以及其线形流畅美观，施工安全快捷，不易受到地形、航道和季节的影响等优势，悬索桥成为了大

2、跨径桥梁设计方案中的首选。实践证明，当桥梁跨度大于1200m时，悬索桥方案具有绝对的竞争力。目前世界上单跨最大的悬索桥是日本的名石海峡大桥，主跨达到1991m；我国最大跨度的悬索桥是舟山西堠门大桥，主跨达到1650m。近些年来，随着国民经济的快速发展，以及其对交通发展的需求，大型跨江和跨海工程成为桥梁建设中的一个新热点，因此在一些大跨度桥梁方案比选中，多塔多跨悬索桥被提出来，甚至在一些工程实践中已付诸实施。研究表明，在特殊的情况下，当地条件可能更加适合于建造多于两个桥塔的多塔悬索桥，若其跨度达2000~3000m，也是经济的[1]。由于人们对事物认知是个循序渐进的过程，在多塔多

3、跨悬索桥中，三塔双跨悬索桥方案目前更加能够受到桥梁设计师们的青睐。在跨度相同的情况下，与传统的双塔悬索桥相比较，三塔悬索桥可以大大地减小主跨跨径，大幅减小主缆拉力和锚碇规模，使造桥的综合成本大大降低，因此其在大跨度桥梁建设中具有足够的竞争力。悬索桥的划分一般根据主缆锚固方式或者悬吊跨数方面进行。按照主缆的锚固方式可以分为：地锚式悬索桥，即主缆通过重力式锚碇或岩隧式锚碇将荷载产生的拉力传至大地来达到全桥的受力平衡，这是大跨度悬索桥的最佳受力模式，通常意义上的绝大多数悬索桥都是此类。自锚式悬索桥，其主缆直接锚固在边跨两端的加劲梁上，主缆的水平拉力由加劲梁提供的轴压力自相平衡，因而不

4、需要另设锚碇，这种桥型对于地形地质状况的适应性较强，结构造型美观，经济性较好，是中小跨径桥梁极具竞争力的桥型。按照悬吊跨数分类，大致可以分为单跨、三跨、四跨或五跨等多跨悬索桥，其中以单跨和三跨悬索桥最为常见。单跨悬索桥常常用于高山峡谷地区，两岸地势较高，采用桥墩支承边跨更为经济，或者出现道路的平曲线布置不得不进入大桥边跨的情况[2]。1.2悬索桥的发展国外现代悬索桥的发展后期根据其建造风格的特点以及地域可以大致分为三类：欧洲悬索桥、美国悬索桥和日本悬索桥。1959年在法国建成的主跨为608m的坦卡维尔桥，加劲桁架梁连续，主缆和加劲梁在跨中固结，桥塔处采用混凝土材料。英国在196

5、4年和1966年先后在苏格兰和布里斯托尔建成主跨分别为1006m和988m的福斯公路桥和塞文桥。福斯公路桥钢主塔用具有加劲肋条的大型钢板焊接而成，桥面是正交异性板，塞文桥采用了扁平流线型箱梁的构思，无疑是一种进步[4]。1970年丹麦建成主跨600m的小贝尔特桥，是世界上第二座采用流线型扁平钢箱梁的悬索桥。土耳其于1973年建成主跨为1074m博斯普鲁斯一桥，设计构思与塞文桥基本相同，但属于单跨悬索桥，边跨的加劲梁支承在若干辅助墩之上。1883年在纽约修建的主跨488m的布鲁克林桥是美国乃至世界上第一座大跨度的现代悬索桥。该桥还另外增加了一些加劲用的斜拉索，严格意义上讲，属于混

6、合体系的缆索承重桥。1937年建成的并象征着旧金山城市标志的金门大桥，主跨1280m，曾保持世界最大桥跨记录达27年之久。1964年在纽约海湾建成了主跨超金门大桥18m的维拉扎诺海峡桥，此桥的世界第一大桥跨的记录也保持了17年[2][3]。第2章悬索桥结构分析的基本理论和方法2.1悬索桥的静力结构分析理论悬索桥在静力荷载作用下的结构行为是决定悬索桥结构设计的最主要依据，因此关于静力分析理论和方法的研究就成了悬索桥理论研究中最重要和最基本的部分。由于计算分析工具的限制，在20世纪60年代以前，对所有结构的分析都是平面的解析分析。根据悬索桥成桥阶段不同方向的荷载：竖向荷载、横向荷载

7、、偏心荷载，采用不同的计算方法和模型进行分析。在19世纪以前，悬索桥还没有任何力学分析方法。直到1823年法国的Navier才总结发表了无加劲梁悬索桥的计算理论，后在1858年，英国的Rankine提出了有加劲梁悬索桥的计算理论，这些理论最后经Steinman整理成弹性理论的标准形式[49]。该理论认为，缆索承受自重及全部桥面恒载，它的几何形状是二次抛物线，这一线形不因后来作用于桥面上的活载而发生任何变化。根据这一理论，在计算加劲梁由于活载所产生的弯矩M时，其计算模型与活载作用之前是相同的，