一种包含倾斜吊索和变截面主缆的悬索-斜拉协作体系 |
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| 申请号 | CN201310110724.7 | 申请日 | 2013-04-01 | 公开(公告)号 | CN103174087B | 公开(公告)日 | 2016-02-03 |
| 申请人 | 苏传海; 范婷婷; | 发明人 | 苏传海; 范婷婷; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种悬索-斜拉协作体系，其悬吊子体系采用了倾斜布置的吊索5，与布置在主塔2附近的斜拉索4一起，均匀连续的为主梁1提供弹性支承，从而在根源上解决了罗勃林、狄辛格体系因具有明显的内 力 和 变形 不连续现象而基本无法实施的问题。本发明还结合主缆3内力分布的新规律，将表面附近的部分索股锚固在与斜吊索连接的索夹上，来增强索夹抗滑力，并使主缆在从主塔向两侧延伸时其横截面积逐渐缩小，主缆末端轴力与主塔压力大幅减小，吊索 水 平分力产生的主梁轴压力与锚固在索夹上的主缆丝股轴力的水平分力形成新力偶，增强 桥梁 将荷载向主塔转移的能力。该体系力学性能合理明确、经济性好、环境适应性突出，适于连续跨越宽阔水域。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种悬索-斜拉协作体系，包括主梁、主塔、主缆、斜拉索、吊索和索夹；其中，斜拉索下端与主梁连接、上端与主塔连接，吊杆下端与主梁连接、上端与索夹连接，主缆从索夹中通过；其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种包含倾斜吊索和变截面主缆的悬索-斜拉协作体系技术领域背景技术[0002] 目前，在桥梁结构领域已有的悬索-斜拉协作体系有罗勃林体系和狄辛格体系。 [0003] 在罗勃林体系中，吊索在纵桥向竖直立面内的布置方式与常规悬索桥相同，即全部竖直布置；只是在边跨和主跨中与边跨对称的每根吊索处，增加布置斜拉索，起加强作用，斜拉索只是一种辅助构件，在设计中不把斜拉索和悬索作为同等重要的受力构件考虑。 [0004] 德国著名桥梁设计师狄辛格在1949年发表了一篇具有开拓性的论文，提出要使斜拉索与悬吊体系能有效结合以达到提高刚度和动力稳定性的目的，一个先决条件是必须对斜拉索施加相当程度的初张力。他在论文中还指责罗勃林体系中的斜拉索是完全无效的。在该论文中他还提出了取消罗勃林体系中与斜拉索重叠布置的竖直吊索，仅在无斜拉索区段布置竖直吊索的悬索-斜拉协作体系，即狄辛格体系(参见图2)。 [0005] 一个多世纪以来，世界各地的学者一直都在努力探索这种适宜于大跨径、尤其是特大跨径的斜拉-悬索体系，多次提出实桥设计方案，但除了最初由罗勃林设计施工的两座桥外，均未能实施。其原因，就结构体系而言，一般认为主要存在以下四个问题：其一，斜拉、悬吊交接区域的主梁刚度间断性，斜拉部分刚度大，悬吊部分刚度小；其二，斜拉、悬吊交接区域的主梁内力间断性，斜拉部分是受压构件，悬吊部分是纯弯构件；其三，斜拉索和吊索的受力不明确；其四，斜拉与悬吊交接区域的吊索可能出现压力并退出工作，且应力幅大，存在疲劳问题。 [0006] 无论罗勃林体系还是狄辛格体系，均采用了悬索桥的悬索技术。悬索也称主缆，是悬索结构的主要承重构件，现代大跨度悬索结构的主缆采用PPWS法(预制平行钢丝索股法)制作，它首先将一定数量的高强度钢丝平行排列，预先制成索股，预制索股的两端带有热铸锚具，然后通过施工猫道进行索股架设，待全部索股架设完毕后，进行紧缆作业，使主缆的横截面接近圆形，空隙率减小到18％～20％，接着安装索夹和吊索，最后进行缠丝防护作业。索股两端的锚具一般都锚固在设于锚碇中的锚固系统中，索股中部不可中断或接长，索股长度与主缆长度相同。 [0007] 索夹是主缆和吊索连接的关键部位，现代大跨度悬索结构的索夹用铸钢制造，采用圆环形截面，孔径尺寸略小于紧缆后的主缆直径，索夹处主缆截面的空隙率一般为16％～18％。在构造形式上，索夹一般采用左右两半式、或上下两半式，各有两排栓孔，用高强螺栓连接。索夹在下端设有吊耳、或在上端设有圆槽，吊索通过销轴与吊耳连接、或骑跨在圆槽内。在纵桥向竖直立面中，主缆形态介于悬链线和二次抛物线之间，吊索均保持竖直(英国赛文桥等悬索桥，在一个吊点上布置有两根倾斜方向相反、倾角大小相同的吊索，其静力效果与一根竖直吊索相同，如此设计目的是增强体系抵抗纵向运动的阻尼，而非改善静力传力途径)；索夹靠近主塔时，沿主缆切线方向的下滑力最大，向跨中递减，因此，在主缆接近水平的跨中节点处的索夹要短些，螺栓少些，在主缆倾斜度大的靠近主塔处的节点则相反。 [0008] 上述悬索和悬索用锚夹具，具有以下两个特征：其一，整根主缆的横截面积保持不变，若不计主缆因局部应力而损失的抗拉强度，则整根主缆的抗拉强度是保持不变的；其二，完全依靠索夹内壁与主缆表面的紧固摩擦力来防止索夹下滑。 [0009] 鉴于目前悬索结构在纵桥向立面内主缆与吊索的夹角较大，且采用较小的主缆垂跨比，使用上述技术并不存在十分突出的问题。然而，本发明所述的一种悬索-斜拉协作体系，在纵桥向立面内的每个悬吊点上，只布置有单向倾斜的吊索，主缆与吊索的夹角相对较小，不得不面对以下两个突出存在的问题：其一，主缆内力具有明显不同，离主塔近的主缆轴力大、离主塔远的主缆轴力小，采用目前的悬索技术，存在较严重的浪费问题；其二，斜吊索轴力沿索夹处主缆切线反向的分力显著增大了索夹下滑力，采用目前的悬索用锚夹具技术，存在索夹设计困难的问题。 发明内容[0010] 本发明需要解决的技术问题是，目前的悬索-斜拉协作体系，斜拉与悬吊交接区域的变形和内力存在明显不连续，导致结构安全性差，基本无法实施。本发明以狄辛格体系为基础，力图解决上述问题，提供一种安全可靠、可施工、可维护、经济性好、适用于大跨特别是超大跨桥梁的悬索-斜拉协作体系。 [0011] 为此，本发明采取的技术方案是：一种悬索-斜拉协作体系，包括主梁1、主塔2、主缆3、斜拉索4、吊索5和索夹9(参见图1)；其中，斜拉索下端与主梁连接、上端与主塔连接，吊索下端与主梁连接、上端与索夹连接，主缆从索夹中通过；其特征在于： [0012] 在纵桥向立面内，位于同一个边跨或半中跨内的斜拉索和吊索的投影是倾斜的，其倾斜方向一致、倾斜角度相同或连续变化； [0013] 位于同一个边跨或半中跨内的主缆的横截面积不一致，具有较大面积的主缆横截面距离与该边跨或半边跨相邻的主塔较近。 [0014] 上述方案具有以下优点： [0015] 其一，斜拉与悬吊交接区域的刚度和内力连续，结构安全可靠。上述体系中，主缆3上索夹9的水平间距大致相同，吊索5上端随主缆3而具有变形连续性，长度变化也具有连续性。当吊索5上端距主塔2较近时，其上端主缆3的变形量小，对吊索5的约束刚度大，而吊索自身较长，因垂度效应而损失的刚度较多；当吊索5上端距主塔2较远时，其上端主缆3的变形量大，对吊索5的约束刚度小，而吊索5自身长度小，因垂度效应而损失的刚度较少。考察斜拉-悬吊交接区域的斜拉索4和吊索5，由于倾角和布置间距连续，其轴力相当，吊索4与斜拉索5的长度相差不大，其垂度效应接近相等；交接区域吊索5上端处的主缆3靠近主塔2，其变形量小，刚度大，可以近似认为同斜拉索上端的支承刚度是相等的，这与狄辛格体系相比，具有显著不同；综上，可以认为交接区域的斜拉索4和吊索5为主梁1提供的支承刚度是相等或连续变化的。主梁1内力的连续性方面，则大致与斜拉桥相同，是显而易见的。 [0016] 其二，传力途径合理，用钢量小。上述体系中吊索5倾斜布置，具有水平分力，还起着将主缆3轴拉力部分水平分力传递给主梁1、使主梁1具有轴压力的作用，主塔两侧相应位置的吊索5在主梁1中产生的轴压力互相平衡，具有自平衡的特点；与自锚式悬索桥不同的是，本发明中吊索5将主缆3轴力的部分水平分力传递给主梁1的方法，是分散传递的，而不是集中在主梁1端部传递。分散的传力方法，不但可以缩短水平力在主梁1中的传递路径的长度、减小主梁用钢量，而且使得主缆3轴力水平“提前”降低了，可以适时减小主缆3的横截面积，进一步减小用钢量。 [0017] 其三，主缆3和主塔2的轴力小，主塔2基础对地质条件的要求低。即使与目前最节省主缆3材料的狄辛格体系相比，本发明所需的最大主缆3横截面积也是更小的。这可以通过比较半中跨的力矩平衡方程来说明：主梁1荷载悬吊部分相对于塔顶鞍座的不平衡力矩大小不变，狄辛格体系完全由跨中主缆3较大的水平轴力来平衡、本发明则由跨中主缆3较小的水平轴力和由吊索传递给主梁的水平力来共同平衡，由于主梁1轴力的力臂更大，故所需的轴力更小，由此可知鞍座处主缆的水平分力更小，即主缆3的最大横截面积更小。主缆3最大轴力更小，同时意味着主塔2轴力水平更低、主塔2基础对地质条件的要求更低。 [0018] 其四，可以取消锚碇、或明显减小锚碇规模，可以布置在难以建设大型锚碇的环境中。通过与自锚式悬索桥进行类比,这个优点显而易见。本发明不但采用了具有自锚特征的斜拉子体系、减小了需要悬吊承载的荷载总量；而且在悬吊子体系中采用了倾斜布置的吊索5，这些吊索5分散、对称地将主缆3轴力传递给主梁1，具有额外的自锚特征，主缆3端部的轴力规模比自锚式悬索桥小很多，可以方便的锚固到设于主梁1端部附近的锚跨、辅塔6等结构、或小规模的锚碇上。这个优点对于建设水深较大、或所需通航净空较大的跨海峡桥梁，无疑具有非常重要的意义。 [0019] 此外，如果与目前已有的斜拉桥、悬索桥、自锚式悬索桥相比较，本发明还具有以下优点：斜拉索最大长度缩短、其局部振动问题改善；最长斜拉索与主梁之间的夹角增加、斜拉索承载效率明显提升；全桥整体刚度较大、抗风稳定性增强；可以采用缆载吊机或牵索挂篮进行主梁悬臂施工；施工状态主塔顶部受主缆约束、施工稳定性好；主塔中部具有斜拉索、主塔纵向稳定性增强。 [0020] 可见，本发明的综合优势是不言而喻的。 [0021] 需要指出的是，根据目前的主缆3制作技术，并不能让主缆3在一个边跨或半个中跨范围内发生横截面积改变。同时，由于倾斜的吊索5比竖直的吊索5的轴力更大，且其与主缆3之间的夹角也更小，导致索夹9的抗滑设计变得非常棘手。为此，本发明采取的技术方案是：根据前述技术方案所述的一种悬索-斜拉协作体系，包括主缆3和索夹9，该主缆包括许多紧密排列的索股(参见图5)，其特征在于：还包括索股锚具(参见图5)，该索股锚具与索夹位置较低的端部连接、并与主缆表面接触； [0022] 靠近主缆表面的部分索股14从主缆横截面中弯出，通过索股锚具锚固在该索夹的端部附近。 [0023] 上述技术方案的优点是：位于索夹9上侧的主缆3c和位于索夹下侧的主缆3d因包含了不同数量的索股，而具有不同的横截面积，索夹上侧主缆3c的横截面积更大，抗拉能力更强。它能够很好的适应本发明所述的采用倾斜吊索5的悬索结构中的主缆3轴力分布特点，起到减少用钢量的作用。同时，锚固在索夹9下侧端面附近的索股14的抗拉能力，正好可以为索夹9抗滑提供可靠保障。 [0024] 然而，鉴于索夹壁的厚度一般只有几十毫米，利用现有的桥梁钢束锚固技术不能实现索股端部在索夹附近的锚固。为此，本发明采取的技术方案是：根据前述技术方案所述的一种悬索-斜拉协作体系，包括索股锚具，其特征在于： [0025] 该索股锚具包含传力件10(参见图3)和定位连接件11，其中，定位连接件与传力件和索夹相连接(参见图5)； [0026] 该传力件包括通过孔18、受力面15、主支承面16和辅支承面17； [0027] 该通过孔是位于传力件中的一个贯穿孔道，其轴线是一条直线或光滑曲线； [0028] 该受力面、主支承面和辅支承面均为传力件的一个表面，其中受力面与主支承面没有共同边，辅支承面与主支承面有共同边； [0029] 该通过孔的一个出口位于受力面上，另一个出口位于辅支承面与主支承面的共同边附近； [0030] 连接通过孔轴线的两个端点的直线，与连接受力面形心和主支承面形心的直线，具有既不重合、也不平行的几何关系。 [0031] 上述技术方案的优点是：制作和施工难度小。它继承了成熟的传统索夹9制造工艺，没有增加作为主体部分的索夹9的制造难度；所作的改变仅仅是增加一些索股锚具，索股锚具与传统索夹9的连接方式简单有效。还可以将索夹9下端面加工为大半径的凹形圆弧面，与索夹9下端面接触的索股锚具的端部则相应地加工成半径相同的凸形圆弧面，从而进一步增强索股锚具与索夹9端面之间连接的可靠性。 [0032] 需要指出的是，目前的索股锚具为热铸锚具，其几何尺寸较大，且其端部承力面、锥形承力面的合力方向一致，均位于索股端部轴线上；鉴于索夹壁厚明显小于索股热铸锚具的尺寸，无法实现其在索夹端面上锚固。为此，本发明的解决方案是：将那些需要弯出锚固到索夹9上的索股14布置在主缆3横截面外围以方便弯出，并采用小型化的预制索股、或采用镀锌钢绞线，这些索股14架设时其端部不带热铸锚具，采用锥形锚或夹片来将其端部锚固到索夹附近，以减小索股锚具的几何尺寸。而那些仍然保持与主缆3长度相当的索股，则布置在主缆3横截面的中央，其预制索股的尺寸和端部的锚固方式，仍然可以沿用目前的技术。索股14的弯出需要一定的几何空间，以避免在索股14中产生难以承受的弯曲应力，为将其所需的几何空间减小到与索夹壁厚度相似的范围内，只宜采用一次弯折的方法，即弯出的索股14端部与主缆3轴线不平行。由于索夹9端部截面与主缆3轴线垂直，因此弯出的索股14轴力除了有一部分可以传递到索夹9端面上以外，还有一部分需要传递到主缆3的表面。 [0033] 传统的索股锚具，是无法实现上述传力要求的，本发明采取的技术方案中涉及一种传力件，用来代替传统锚具的锚杯等传力结构，将被锚固索股轴力传递到索夹及主缆上。鉴于索股锚固处应力水平很低，因此取消了加工精度要求高的锚板，进一步降低锚固成本。 [0034] 上述方案的优点是：其传力途径明确，将弯出索股14轴力沿主缆3切线方向的分力传递到索夹9端部、沿主缆3法线方向的分力传递到主缆3表面；其构造尺寸只与索夹9壁厚和索股14直径相关，与所处的空间位置无关，因此其规格一致性很好，无需大量模具，能有效降低成本；另一方面，其单件重量轻，构造简单，安装方便。附图说明 [0035] 图1：本发明涉及的一种悬索-斜拉协作体系示意图； [0036] 图2：目前已有的一种悬索-斜拉协作体系(狄辛格体系)示意图； [0037] 图3：本发明涉及的一种传力件示意图； [0038] 图4：本发明涉及的一种索股锚具示意图； [0039] 图5：本发明涉及的一种悬索结构的主缆、索夹和索股锚具连接示意图。 具体实施方式[0040] 在所附的图中，以一种非限制性的方法，说明了本发明所涉及的一种用于索股锚具的传力件的一个实施例(参见图3)，它包括传力件10、端部有锥形锚孔19的索股通过孔18、受力面15、主支承面16和辅支承面17。传力件10的外形轮廓大致为六面体，受力面 15、主支承面16和辅支承面17均为传力件10的一个表面；其中受力面15与主支承面16没有共同边、并且没有平行关系，辅支承面17与主支承面16有共同边。通过孔18是位于传力件10中的一个贯穿孔道，一个出口位于受力面15上，另一个出口位于辅支承面17与主支承面16的共同边附近；通过孔18的轴线是由一段直线和一段圆弧连接而成的一条光滑曲线，其中接近受力面15的端部为一段直线，该直线段垂直于受力面15；传力件10的横截面形状及通过孔18在传力件横截面上的位置都具有对称性，连接通过孔18轴线两个端点的直线，与连接受力面15形心和主支承面16形心的直线，共面相交。显然，当索股从通过孔18中穿出锚固在受力面15上时，传力件10的主支承面16和辅支承面17上各有一个支承力，共同平衡由索股端部传递给传力件受力面15的力，从而使传力件10维持平衡。 [0041] 在所附的图中，以一种非限制性的方法，说明了本发明所涉及的一种索股锚具的一个实施例(参见图4)，它包括传力件10、夹片12和防退出装置13。其中，传力件10的通过孔在传力件受力面的出口附近包含有锥形孔，夹片12位于锥形孔及从通过孔中穿出的索股14表面之间，防退出装置13与传力件10通过螺栓连接，具有阻止夹片12从锥形孔中退出的作用。实施步骤是：将索股14穿入传力件10通过孔，将夹片12塞入通过孔末端的锥形孔内并顶紧，再将防退出装置13用螺栓连接在传力件10上，防止夹片退出。 [0042] 在所附的图中，以一种非限制性的方法，说明了本发明所涉及的一种悬索结构的一个实施例(参见图5)，它包括主缆3、索夹9；其中，主缆3为一根，而索夹9则有多个；主缆3包括许多紧密排列的索股，主缆3从索夹9中通过；所附的图5集中展示了一个索夹9与主缆3的连接方法，其余的索夹9与主缆3的连接方法要么于此相同，要么与目前的连接方法相同。它还包括索股锚具，索股锚具与索夹9位置较低的端部连接、并紧贴在主缆3表面上；主缆索股的长度尺寸具有多种规格，靠近主缆3表面的一些索股14的长度较小，其端部从主缆3中弯出，被索股锚具锚固在索夹9的端部附近；索夹9上端附近的主缆3c与索夹9下端附近的主缆3d包含的索股的数量不同，具有不同的横截面积。 [0043] 在上述实施例中，索夹9还与吊索5连接，吊索5轴力沿索夹9处主缆3切线方向的分力的方向，指向主缆位置较低的一端3d，使索夹9受到很大的沿主缆3表面向下滑动的力。由于有部分主缆索股14被弯出锚固在了与索夹9下端连接的索股锚具上，使索夹9无法向下滑动，从而起到阻止索夹9沿主缆3表面向下滑动的作用，索夹9抗滑的传力途径明确而可靠。 [0044] 在上述实施例中，实施步骤为： [0045] 1.将两半式索夹9套在主缆3表面标定的位置上，初次拧紧索夹连接螺栓； [0046] 2.将待锚固的索股14从主缆3表面弯出，穿入索股锚具传力件10的通过孔中，移动索股锚具传力件10，使其主支承面16与索夹9下端面连接，安装定位连接件11，使传力件定位在索夹9端部圆周的正确位置上，并防止其在重力作用下滑落； [0047] 3.将夹片12安装在索股14和传力件通过孔端部的锥形面之间，顶紧夹片12； [0048] 4.安装与索夹9连接的吊索5； [0049] 5.安装与吊索5连接的主梁单元，使吊索5中产生轴力，吊索5带动索夹9和索股锚具沿主缆3切线方向的弹性变形或少量刚体位移，使索股14的端部跟随其端部的索股锚具一起发生沿主缆3切线方向的位移、使索股14因发生弹性变形而被张拉，产生拉力，该拉力与索夹紧固摩擦力一起抵抗吊索5轴力导致的索夹9下滑力； [0050] 6.第二次拧紧两半式索夹的连接螺栓； [0051] 7.在完成铺装层等桥面设施的安装之后，第三次拧紧两半式索夹的连接螺栓； [0052] 8.在交付验收之前，最后一次拧紧两半式索夹的连接螺栓，并安装索股锚具中的防退出装置13。 [0053] 在所附的图中，以一种非限制性的方法，说明了本发明所涉及的一种悬索-斜拉协作体系的一个实施例(参见图1)，它包括主梁1、主塔2、主缆3、斜拉索4、吊索5和辅塔6。其中，缆索3悬挂在主塔2上，其端部由辅塔6锚固；主梁1与主塔2和辅塔6相交处设有支座；斜拉索4和吊索5的下端与主梁1连接，斜拉索4和吊索5下端在主梁1上为等间距布置；斜拉索4的上端与主塔2连接；吊索5的上端通过索夹9与缆索3连接；在每个边跨或半中跨范围的斜拉索4和吊索5的倾斜方向一致、倾斜角度相同。主缆3包含有许多紧密排列的索股，其中些索股的长度与主缆3长度相等，它们位于主缆3横截面的中部；另一些的长度比主缆3短，它们位于主缆3横截面的外部；主缆3横截面积最大的一段的中央与主塔中心线对齐。用于连接吊索5和主缆3的索夹9与主缆3紧密连接，索夹9位置较低的端部还连接有索股锚具；主缆3从索夹9中通过时，其外表面附近的较短的索股14从主缆3中弯出并锚固在索股锚具中，从而使主缆3的横截面积经历了次数与吊索5数量相同的变化，另一方面索夹9的抗滑能力也有了可靠保障。 [0054] 在上述实施例中，实施步骤为： [0055] 1.进行主塔2和辅塔6施工； [0056] 2.在主塔和辅塔间搭设施工猫道，通过猫道完成主缆3架设； [0057] 3.在猫道内进行主缆3的紧缆作业； [0058] 4.安装索夹9，将短索股14端部从主缆3中弯出，安装索股锚具，顶紧夹片12； [0059] 5.在缆索上安装缆载吊机，利用缆载吊机从主塔2两侧附近开始，对称悬臂施工主梁1单元，并对称安装斜拉索4或吊索，直至全桥合拢； [0060] 6.施工桥面工程； [0061] 7.拆除猫道，全桥施工完毕。 |
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