斜拉桥构造与计算图文解读

斜拉桥的发展大致经历了以下三个阶段：

第一阶段：稀索布置，主梁较高，主梁以受弯为主，拉索更换不方便。

第二阶段：中密索布置，主梁较矮，主梁承受较大轴力和弯矩。

第三阶段：密索布置，主梁更矮，并广泛采用梁板式开口断面，主梁承受轴力为主，弯矩为辅。

斜拉桥主要由主梁、索塔和斜拉索三大部分成：     

主梁 一般采用混凝土结构、钢－混凝土组合结构、钢结构或钢和混凝土混合结构；     

索塔－ 采用混凝土、钢－混凝土组合或钢结构；大部分采用混凝土结构；    

斜拉索－ 则采用高强材料（高强钢丝或钢绞线）制成。

一、斜拉桥总体布置

斜拉桥中荷载传递路径是：斜拉索的两端分别锚固在主梁和索塔上，将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传至地基 （如图）。

因而主梁在斜拉索的各点支承作用下，呈多跨弹性支承的连续梁受力，梁内弯矩大大地降低，使主梁尺寸大幅度减小（梁高一般为跨度的1/50～1/200，甚至更小），减轻了结构自重，大幅度地增大了桥梁的跨越能力。 

三跨连续梁和三跨斜拉桥的恒载内力对比

从图中可以看出，由于斜拉索的支承作用，使主梁恒载弯矩显著减小。

斜拉索对主梁的多点弹性支承作用，只有在拉索始终处于拉紧状态时才能得到充分发挥。

因此在主梁承受荷载之前必须对斜拉索进行预张拉。预张拉力可以给主梁一个初始支承力，以调整主梁初始内力，使主梁受力状况更趋均匀合理，并提高斜拉索的刚度 。      

此外，斜拉索轴力产生的水平分力对主梁施加了预压力，从而可以增强主梁的抗裂性能，节约主梁中预应力钢材的用量（钢梁的稳定性问题）。

斜拉桥属高次超静定结构，与其他体系桥梁相比，包含着更多的设计变量，全桥总的技术经济合理性不易简单地由结构体积小、重量轻、或者满应力等概念准确地表示出来，这就使选定桥型方案和寻求合理设计带来一定困难。

孔跨布局：

双塔三跨式：由于它的主跨跨径较大，一般适用于跨越较大的河流。

活载作用在主跨时，尾索受拉，而作用在跨中时尾索的σ最大；活载作用在边跨时，尾索松弛。这其中就存在着△σ，允许 △σ≤220MPa。

边主跨之比应小于0.5，边跨较小时，边跨主梁的刚度较大，边跨拉索较短，刚度也就相对较大，因而此时边跨对索塔的锚固作用就大，即边跨小则主跨的刚度就大。

对于活载比重较小的公路和城市桥梁，合理的边主跨之比为0.40～0.45,而对于活载比重大的铁路桥梁，边主跨之比宜为0.20～0.25，同样道理，钢斜拉桥的边跨应比相同跨径混凝土斜拉桥的跨径小。 

独塔双跨式：由于它的主孔跨径一般比双塔三跨式的主孔跨径小，适用于跨越中小河流和城市通道。

独塔斜拉桥

独塔双跨式斜拉桥的主跨跨径L2与边跨跨径L1之间的比例关系一般为:

L1=（0.5～0.8）L2

多数接近于: L1=0.66L2

两跨相等时，由于失去了边跨及端锚索对主跨变形的约束作用，因而这种形式较少采用。

三塔四跨式和多塔多跨式：

由于多塔多跨式斜拉桥与悬索桥的中间塔塔顶没有端锚索来有效地限制它的变位，因此，已经是柔性结构的斜拉桥或悬索桥采用多塔多跨式将使结构柔性进一步增大，可能导致变形过大。 

斜拉桥的变形

(a)三塔四跨式斜拉桥的变形 ；(b) 双塔三跨式斜拉桥的变形 

辅助墩和边引跨：

a) 设引跨；b) 设辅助墩

活载往往在边跨梁端附近区域产生很大的正弯矩，并导致梁体转动，伸缩缝易受损，在此情况下，可以通过加长边梁以形成引跨或设置辅助墩的方法予以解决，同时，设辅助墩可以减小拉索应力变幅，提高主跨刚度，又能缓和端支点负反力，是大跨度斜拉桥中常用的方法。

另外，设置辅助墩也便于斜拉桥的悬臂施工，即双悬臂施工到辅助墩处的时候就相当于单悬臂施工，其摆动小，较安全。

索塔布置：

1 索塔的形式

索塔是表达斜拉桥个性和视觉效果的主要结构物，因而对于索塔的美学设计应予足够的重视。 

索塔设计必须适合于拉索的布置，传力应简单明确，在恒载作用下，索塔应尽可能处于轴心受压状态。 

纵桥向：

（a）为单柱式主塔，其构造简单；

（b）为A字型

（c）为倒Y型，它们在顺桥向刚度大，有利于承受索塔两侧斜拉索的不平衡拉力；A字型还可减小主梁在该点处的负弯矩。 

横桥向：

索塔横桥方向的布置方式，可分为独柱型、双柱型、门型或H型、A型、宝石型或倒Y型等，如图所示。

索塔纵横向布置均呈独柱型的索塔，仅适用于单索面斜拉桥。当需要加强横桥向抗风刚度时，则可以配合采用图中g或h的型式。图 b~d一般适用于双平面索的情况；图e、f和i一般适用于双斜索面的斜拉桥上。

塔的高跨比：

一般来说，索的水平倾角α不应小于20°，否则拉索提供的竖直力小，总拉力大，相应索的用钢量大，同时垂度影响也大。

拉索布置：

索面位置：索面位置一般有图4-1-11所示的3种类型，即

（a）单索面，（b）竖向双索面和（c）斜向双索面、多索面

单索面：从力学抗扭刚度较大的箱形截面。其优点是角度来看，拉索对抗扭不起作用。因此，主梁应采用桥面上视野开阔。    

竖向双索面：作用于桥梁上的扭矩可由拉索的轴力来抵抗，主梁可采用较小抗扭刚度的截面。其抗风能力相对较弱。    

斜向双索面，它对桥面梁体抵抗风力扭振特别有利（斜向双索面限制了主梁的横向摆动）。倾斜的双索面应采用倒Y型、A型或双子型索塔。若跨径过小，考虑视野问题，不宜采用。一般在跨径大于600m时采用，或者是不能达到抗风要求的时候采用。

索面形状主要有如图所示的3种基本类型，即（a）放射形，（b）竖琴形和（c）扇形。它们各自的特点如下： 

（a）辐射形布置的斜拉索沿主梁为均匀分布，而在索塔上则集中于塔顶一点。由于其斜拉索与水平面的平均交角较大，故斜拉索的垂直分力对主梁的支承效果也大，但塔顶上的锚固点构造复杂；   

（b）竖琴形布置中的斜拉索成平行排列，在索数少时显得比较简洁，并可简化斜拉索与索塔的连接构造，塔上锚固点分散，对索塔的受力有利，缺点是斜拉索的倾角较小，索的总拉力大，故钢索用量较多。   

（c）扇形布置的斜拉索是不相互平行的，它兼有上面两种布置方式的优点，在设计中获得广泛应用。

索距的布置，可以分为“稀索”与“密索”。

早期－稀索；现代－密索（计算机计算）

密索体系优点如下：

1、索距小，主梁弯矩小（主梁上索距一般混凝土梁是4-10m，钢梁是12-20m）；

2、索力较小，锚固点构造简单；

3、锚固点附近应力流变化小，补强范围小；

4、利于伸臂架设；

5、易于换索。

6、斜拉桥采用悬臂法架设时，索间距宜为5～15m。 

主要结构体系：

漂浮体系斜拉桥：特点是塔墩固结、塔梁分离。主梁除两端有支承外，其余全部用拉索悬吊，属于一种在纵向可稍作浮动的多跨弹性支承连续梁。

斜拉索是不能对梁提供有效的横向支承的，为了抵抗由于风力等引起主梁的横向水平位移，一般应在塔柱和主梁之间设置一种用来限制侧向变位的板式或聚四氟乙烯盆式橡胶支座，简称侧向限位支座。 

优点：主跨满载时，塔柱处的主梁截面无负弯矩峰值；由于主梁可以随塔柱的缩短而下降，所以温度、收缩和徐变次内力均较小。

密索体系中主梁各截面的变形和内力的变化较平缓，受力较均匀；地震时允许全梁纵向摆荡，作长周期运动，从而吸震消能。  

目前，大跨斜拉桥（主跨400米以上）多采用此种体系 

缺点：悬臂施工时，塔柱处主梁需临时固结，以抵抗施工过程中的不平衡弯矩和纵向剪力，由于施工不可能做到完全对称，成桥后解除临时固结时，主梁会发生纵向摆动，应予注意。可设置阻尼器。 

为了防止纵向飓风和地震荷载使漂浮体系斜拉桥产生过大的摆动，影响安全，十分有必要在斜拉桥塔上的梁底部位设置高阻尼的主梁水平弹性限位装置。

半飘浮体系：半漂浮体系的特点是塔墩固结，主梁在塔墩上设置竖向支承，成为具有多点弹性支承的三跨连续梁。可以是一个固定支座，三个活动支座；也可以是四个活动支座，但一般均设活动支座，以避免由于不对称约束而导致不均衡温度变位，水平位移将由斜拉索制约。

半漂浮体系若采用一般支座来处理则无明显    优点，因为当两跨满载时，塔柱处主梁有负弯矩尖     峰，温度、收缩、徐变次内力仍较大。

若在墩顶设置一种可以用来调节高度的支座或弹簧支承来替代从塔柱中心悬吊下来的拉索（一般称“零号索”），并在成桥时调整支座反力，以消除大部分收缩、徐变等的不利影响，这样就可以与漂浮体系相媲美，并且在经济和减小纵向漂移方面将会有一定好处。

塔梁固结体系：塔梁固结体系的特点是将塔梁固结并支承在墩上，斜拉索变为弹性支承。主梁的内力与挠度直接同主梁与索塔的弯曲刚度比值有关。这种体系的主梁一般只在一个塔柱处设置固定支座，而其余均为纵向可以活动的支座。

优点：显著减小主梁中央段的轴向拉力，且在索塔和主梁中的温度内力极小。

缺点：中孔满载时，主梁在墩顶处转角位移导致塔柱倾斜，使塔顶产生较大水平位移，显著增大主梁跨中挠度和边跨负弯矩；另外上部结构重量和活载反力都需由支座传给桥墩，需要设置很大吨位的支座。在大跨径斜拉桥中，这种支座甚至达到上万吨级，支座的设计制造及日后养护、更换困难。

刚构体系的特点是塔梁墩相互固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。   

优点：既免除了大型支座又能满足悬臂施工的稳定要求；结构的整体刚度比较好，主梁挠度又小。

缺点：主梁固结处负弯矩大，使固结处附近截面需要加大；再则为消除温度应力，应用于双塔斜拉桥中时要求墩身具有一定的柔性，常用于高墩的场合，以避免出现过大的附加内力。另外，这种体系比较适合于独塔斜拉桥。

T构体系--按主梁的连续方式: 有连续体系和T构体系。

T构体系与刚构体系区别:主梁跨中区域无轴拉力。

具体做法：

一是在斜拉桥主跨中央部分插入一小跨悬挂结构;

二是以“剪力铰”代替悬挂结构,剪力铰的功能是只传弯矩、剪力，不传轴力。

部分地锚体系：按照斜拉索的锚固方式分类：自锚式、地锚式。斜拉桥多数是自锚体系。只有在主跨很大边跨很小时，少数斜拉桥才采用部分地锚体系。 

矮塔部分斜拉桥体系

按塔高分类：常规斜拉桥和矮塔部分斜拉桥

矮塔部分斜拉桥受力性能介于梁式桥和斜拉桥之间。 

在相同截面下，塔抗水平变位刚度与塔高h三次方成反比，塔高降低则塔身刚度迅速提高。但塔高降低后拉索水平倾角将减小，拉索对主梁的支撑作用减弱，而水平压力增大，相当于拉索对主梁施加了一个较大的体外预应力。矮塔部分斜拉桥由于拉索不能提供足够的支撑刚度，故要求主梁的刚度较大。因拉索只提供部分刚度，“部分斜拉桥”由此得名。

矮塔部分斜拉桥具有以下特点 ：

1、塔较矮。常规斜拉桥的塔高与跨度之比为1/4～1/5，而部分斜拉桥为1/8～1/12。

2、梁的无索区较长，没有端锚索。

3、边跨与主跨的比值较大，一般大于0.5。

4、梁高较大，高跨比为1/30～1/40，甚至做成变高度梁。

5、拉索对竖向恒活载的分担率小于30％，受力以梁为主，索为辅。

6、由于梁的刚度大，活载作用下斜拉索的应力变幅较小，可按体外预应力索设计。

二、斜拉桥构造

主梁的构造

当拉索间距较大时，主梁由弯矩控制设计。对于单索面斜拉桥，主梁由扭转控制设计。对于双索面密索体系，主梁设计主要应考虑轴压力因素以及整个桥的纵向弯曲。          

另外，应考虑到在减小活载的情况下主梁有足够的强度和刚度以更换拉索。并需考虑个别拉索偶然拉断或退出工作时结构仍具有足够的安全储备。

主梁的高跨比正常范围

对于双索面情形：1/100～1/150

对于单索面情形：1/50～1/100，且高宽比不宜小于1/10。（若高宽比过小其抗扭性能不能保证）

实体梁式和板式截面的主梁一般仅适用于双索面斜拉桥，因为这种截面具有构造简单和施工方便（制作时无内模，而箱形截面需内模）的优点。特别是当斜索在边主梁中锚固时，锚固构造非常简单，而且在索面内具有一定的抗弯刚度，在锚固点处可以避免产生大的横向力流。

梁高较矮时，截面空气阻力小，在空气动力性能方面是合理与有效的，特别当桥面宽度增大到整个截面近似于一块平板时。

组成索塔的主要构件是塔柱，另外还有塔柱之间的横梁或其他连结构件。

塔柱之间的横梁一般可分为承重横梁与非承重横梁。前者为设置主梁支座的受弯横梁，以及塔柱转折处的压杆横梁或拉杆横梁；后者为塔顶横梁和塔柱无转折的中间横梁。

实心体索塔一般适用于中小跨度的斜拉桥，对于小跨度可采用等截面，对于中等跨度以上的斜拉桥塔柱可采用空心截面。

矩形截面索塔的构造简单，其四角宜做成倒角或圆角，以利抗风。

H形截面索塔对抗风最为不利。

八角形截面有利于配置封闭式环向预应力筋，但构造稍复杂。

H形截面在立面上可以不使锚头外露，对美观有所改善，但同时造成了四个索面。对此问题可以采用两个索面（如下图）的H字截面塔解决。不过采用一种形式会造成桥塔受扭，用两种形式上下交叉设置可以避免桥塔受扭但不美观。

拉索的构造基本上分为整体安装的拉索和分散安装的拉索两大类。前者的代表为平行钢丝索配冷铸锚，后者的代表为平行钢绞线索配夹片锚。

三、斜拉桥的计算

主梁恒载弯矩可行域及调索后的恒载弯矩图

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知识点：斜拉桥构造与计算图文解读