[0001] 本发明涉及桥梁工程领域，尤其涉及一种借助结构自重力的自适应悬索桥结构及其施工方法。

[0002] 悬索桥作为桥梁结构中的可实现最大跨越能力的桥梁结构形式，被世界各国桥梁工程师用来解决大跨径桥梁设计方案首选。悬索桥受力形式是通过吊杆将桥面系荷载和使用荷载传递给主缆，然后主缆将力通过锚碇和桥墩传递到基础。悬索桥结构形式通常包括自锚式和地锚式。如图3所示，图中Fz为主缆力；Fz1为主缆力竖向分量；Fz2为主梁轴压力(主缆力水平分量)；Fm为锚碇力；Ft为桥塔轴向力；Fg为吊杆力；Fb为边墩支撑力；Fd为地锚力；Fd1为地锚力水平分量；Fd2为地锚力竖向分量，传统地锚悬索桥对地质条件要求高，锚碇体积庞大，使悬索桥经济性能下降；土体存在徐变滑移，威胁上部结构安全，超厚层软基的力学性能甚至导致悬索桥方案无法成立，且地锚式悬索桥为了平衡主缆中巨大的水平力，往往需要修建大体积的锚碇，对地基条件要求较高，并且只能被动地适应地基环境。而取消锚碇、将主缆锚固在主梁两端的自锚式悬索桥，其通过主梁端作为主缆锚固点，可视为自平衡体系，如图4所示，图中Fz为主缆力；Fz1为主缆力竖向分量；Fz2为主梁轴压力(主缆力水平分量)；Fm为锚碇力；Ft为桥塔轴向力；Fg为吊杆力；Fb为边墩支撑力，可在软土地基地区修建，但主梁将承受主缆传来的巨大轴向压力，其跨径因此而受到限制，且施工方法也受到“先梁后缆”的施工顺序的限制。

[0003] 针对两类传统悬索桥应用上的局限性，为了提高大跨度桥梁结构对各种基础条件的适应性和“韧性”，软土地基自适应锚碇悬索桥这一新型结构体系的概念应运而生。该桥型是在自锚式悬索桥的结构基础上增设体量较小的地锚，同时用锚索连接地锚和梁端，通过张拉锚索调节主梁的受力状态，可以视作是对传统悬索桥的一种改进。增设的地锚可以作为辅助施工的结构措施，也可以作为永久结构的组成部分，通过调节锚索索力控制主梁的受力状态，提高了悬索桥设计和施工的灵活性。

[0004] 虽然这一结构的优点较大，但却没能普遍接受或采用，究其原因是因为如图5中所示，地锚力最终保留多少与使用过程中主梁受压应力状态相关。地锚力过大会导致主梁失去自锚式悬索桥中对主梁施加预压应力的效果，极端状态就是地锚悬索桥，而这自然也导致地锚需要做得特别复杂和不经济，也无法在软土地质条件下使用。如果锚索力保留过小，极端状态就是自锚式悬索桥，关键是主缆力不足以实施主梁架设作用。在这两种状态之间存在一个平衡点就是：地锚力在施工阶段，需要能保证主梁架设用力，后期保留一定地锚力用于改善主梁受力的同时，又不至于由于约束主梁而产生较大漂浮式体系的位移，导致主梁在使用荷载作用下，尤其是移动荷载作用下出现过大拉应力，而现有技术中并不具有一种结构可使悬索桥能够处于上述平衡点的状态，从而无法保证悬索桥处于一个合理受力平衡的状态。

[0005] 针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种借助结构自重力的自适应悬索桥结构及其施工方法，解决了现有技术中软土地基自适应锚碇悬索桥如何在施工阶段能保证地锚力满足主梁的架设用力，而后期保留的地锚力的同时，又可适应主梁产生漂浮式体系的位移导致梁体受力不利的技术问题。

[0006] 第一方面，本发明公开了一种借助结构自重力的自适应悬索桥结构，包括桥塔、主梁、拉结于主梁与桥塔之间的主缆，该主梁的两端设有主梁锚跨，该主梁锚跨的相对外端分别设有锚碇，该锚碇与该主梁锚跨之间连接有调节组件，该调节组件包括可转动安装于该主梁锚跨上的下转轴、位于该下转轴上方的上转轴、以及锚索，该主缆的端部与该上转轴固定，该锚索的第一端与该锚碇固定，该锚索的第二端缠绕该上转轴后再缠绕该下转轴后与该上转轴固定，该上转轴相对下转轴为悬挂式动滑轮。

[0007] 本发明的借助结构自重力的自适应悬索桥结构进一步改进在于，该上转轴的断面呈凸轮状。

[0008] 本发明的借助结构自重力的自适应悬索桥结构进一步改进在于，该下转轴的断面呈凸轮状。

[0009] 本发明的借助结构自重力的自适应悬索桥结构进一步改进在于，该主梁锚跨的相对外端位置设有横梁，该横梁上设有供该调节组件安装的主缆锚室。

[0010] 本发明的借助结构自重力的自适应悬索桥结构进一步改进在于，该调节组件的数量为两个，该主缆的数量为两根，两个该调节组件平行设置，且两个该调节组件一一对应与两根该主缆固定。

[0011] 第二方面，本发明还提供了一种如上所述的借助结构自重力的自适应悬索桥结构的施工方法，包括如下步骤：施工桥塔和锚碇；于该桥塔上安装主缆；于该主缆下方施工主梁，该主梁的梁端设有主梁锚跨，将该主缆的端部与该上转轴固定，该主梁锚跨上可转动安装下转轴，上转轴相对下转轴为悬挂式动滑轮，通过锚索的第一端与该锚碇固定，通过该锚索的第二端缠绕该上转轴后再缠绕该下转轴后与该上转轴固定。

[0012] 本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明通过调节组件的滑轮原理实现更小的锚碇体积而获得更大的地锚力，并利用主梁锚跨的自重共同提供地锚力，解决了现有技术中软土地基自适应锚碇悬索桥如何在施工阶段能保证地锚力满足主梁的架设用力，而后期保留的地锚力的同时，又可减少主梁产生漂浮式体系的位移时导致梁体不利受力的技术问题。本发明通过将梁端部的自重结合配重的设计到需要的荷载时，就可以即实现了梁体一部分预压应力(自锚式的特点)，而不是地锚力等于主缆索力的全部，降低了地锚力，同时还可去掉边墩的设置，减少了工程整体成本。附图说明

[0013] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0014] 图1为本发明的借助结构自重力的自适应悬索桥结构的立体图。

[0015] 图2为本发明的借助结构自重力的自适应悬索桥结构的受力分析示意图。

[0016] 图3为现有技术中自锚式悬索桥受力情况示意图。

[0017] 图4为现有技术中地锚式悬索桥受力情况示意图。

[0018] 图5为现有技术中自适应锚碇悬索桥受力情况示意图。

[0019] 图6为现有技术中主梁与锚碇受力平衡状态立体图。

[0020] 图中：1‑主梁锚跨；2‑横梁；3‑主缆；4‑锚碇；5‑上转轴；6‑下转轴；7‑锚索；8‑主缆锚室；Fz‑主缆力；Fz1‑主缆力竖向分量；Fz2‑主梁轴压力(主缆力水平分量)；Fm‑锚碇力；Ft‑桥塔轴向力；Fg‑吊杆力；Fb‑边墩支撑力；Fd‑地锚力；Fd1‑地锚力水平分量；Fd2‑地锚力竖向分量；G‑主梁的自重力与横梁配重合力。

[0021] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0022] 如图1和图2所示，本发明提供了一种借助结构自重力的自适应悬索桥结构，包括桥塔、主梁、拉结于主梁与桥塔之间的主缆3，该主梁的两端设有主梁锚跨1，该主梁锚跨1的相对外端分别设有锚碇4，该锚碇4与该主梁锚跨1之间连接有调节组件，该调节组件包括可转动安装于该主梁锚跨1上的下转轴6、位于该下转轴6上方的上转轴5、以及锚索7，该主缆3的端部与该上转轴5固定，该锚索7的第一端与该锚碇4固定，该锚索7的第二端缠绕该上转轴5后再缠绕该下转轴6后与该上转轴5固定，该上转轴5相对下转轴6为悬挂式动滑轮。

[0023] 具体的，分析在桥梁使用阶段的工况，端部的锚碇4力约束对主梁存在不同作用组合条件下，梁可能伸长(如升温)或梁可能缩短(如漂浮体系中跨布载后下挠导致梁体向中跨移动)。不同组合条件下这一变化范围较大，按现有的设计理论，地锚力在施工完成后，通过保留部分主缆3与锚碇4间的作用，或者在端横梁2与地锚间设置专用锚索7来实施，当锚碇4固定，与锚碇4间的锚索长度固定，则相应地锚力是一定的，这对结构设计需要适应前述不同工况或作用组合的变化来讲十分困难。而采用本发明的结构，如图2所示，其中下转轴6作为主梁的自重力与横梁2配重合力G的传力点，而上转轴5作为主缆3的锚固点，在锚索7通过缠绕下转轴6后再通过上转轴5缠绕到锚碇4处，从动滑轮原理可知，锚碇4力可以只需要主梁自重的G/2，而主缆3力却可达到3G/2。由动滑轮原理可知，当上转轴5和下转轴6采用圆轴时，Fm和Fz存在3倍的关系，即在施工阶段采用与Fz相等的力进行施工，以保证地锚力满足主梁的架设用力，而在结构完全安装完成后，则只需要保留主梁锚跨自重的G/2的地锚力Fm，该地锚力Fm小于施工时的地锚力，也就是说，施工时所需的锚力在后期安装完成结构后，可以释放△F＝Fz‑Fm的力，其中产生的水平分量就是给主梁轴向受力，这些力直接与主梁自重G相关。基于上述力的平稳，通过将梁端部自重结合配重的设计到需要的荷载时，就可以即实现了梁体一部分预压应力(自锚式的特点)，而不是主缆3索力的全部，又降低了地锚力，同时还可去掉了边墩。

[0024] 优选的，要适应上述不同组合下的受力状态，显然需要增设特殊方式来解决，梁体在不同组合下伸缩变形量(顺桥向位移)并不大，接近于梁端伸缩缝活动范围，当该上转轴5和下转轴6的断面均呈凸轮状时，按动滑轮作用原理，上述G/2和3G/2的力会随凸轮半径的设置做到更精确地调节。基于前述自锚式图4和地锚式图3的结构受力图示，可以发现有一个力的作用没有充分考虑，也就是边墩支座反力。理想的状态是如图5所示，为边墩不受力，相应可以不设置边墩，但考虑到端部作用力平衡难以做到完全克服，因此在地锚式和自锚式悬索桥中均设置有边墩和支座。由于边墩支座的存在，尽管是受压式支座，对自锚式体系相当于抵消了部分主缆3竖向分量，对地锚式体系但却抵消了部分地锚力的竖向分量，使得需要更大的土压力来克服主缆3力的水平分量。上述问题对于边跨为斜拉式的自锚或地锚均是存在的，尤其是对于边跨长度短，主缆3到锚碇4处的水平角度较大时，会产生一方面主缆3索力大，一方面边墩又抵消了部分主缆3索力的问题，而现有技术中并没有可以同时解决上述问题，以及背景技术中所述的问题。本发明的结构根据主梁的应力变化存在一定的幅度，对应主梁相对锚碇4距离的伸长与缩短，则将上转轴5和下转轴6在锚索7缠绕断面设置成凸轮式，从而根据轮组的方式确定需要的水平力分量大小，以适应需要伸缩的长度。如图2所示，当主梁受到移动荷载或温度作用发生顺桥向变位时，由于上转轴5可发生转动，理论上主梁体受的轴向力不变，但由于下转轴6为凸轮状产生的半径差异，则会出现上转轴5左右半径的差，进而使锚索和主缆所产生的力的差值而带来的水平分量的差异，从而适应主梁梁体的轴向位移差，也就类似于桥梁伸缩缝一样的间隙差。因此，本发明是提出一种平衡式的受力体系，将边跨主梁自重利用起来提供地锚力，根据结构的变形可以自动调整地锚力大小，从而更好适应主梁的应力变化，也可减少边墩受力，甚至可以做到去除边墩和支座，从而实现经济型的结构设计。

[0025] 优选的，如图1和图6所示，该主梁锚跨1的相对外端位置设有横梁2，该横梁2上设有供该调节组件安装的主缆锚室8。现有技术中大跨径桥梁端部的横梁2较高且多为多隔板式的单箱多室结构，具有足够的安装和布置空间，则可直接将常规悬索桥主梁端部的横梁2设置成内带双转轴式的结构。

[0026] 优选的，如图1所示，该调节组件的数量为两个，该主缆3的数量为两根，两个该调节组件平行设置，且两个该调节组件一一对应与两根该主缆3固定。在实际设计过程中，应根据实际的受力情况进行调节组件与主缆3数量的设置，并尽量保证每根主缆3与调节组件均匀受力，以保持整体桥梁结构的稳定性。

[0027] 另一方面，本发明还提供了一种如上所述的借助结构自重力的自适应悬索桥结构的施工方法，包括如下步骤：施工桥塔和锚碇4；于该桥塔上安装主缆3；于该主缆3下方施工主梁，该主梁的梁端设有主梁锚跨1，将该主缆3的端部与该上转轴5固定，该主梁锚跨1上可转动安装下转轴6，上转轴5相对下转轴6为悬挂式动滑轮，通过锚索7的第一端与该锚碇4固定，通过该锚索7的第二端缠绕该上转轴5后再缠绕该下转轴6后与该上转轴5固定。本施工方法中，桥梁的主体结构的施工方法与现有技术相同，在此不再进行赘述，在主缆3与锚碇4的连接施工过程上进行了详细叙述，以达到本发明的效果。

[0028] 本发明通过调节组件的滑轮原理实现更小的锚碇体积而获得更大的地锚力，并利用主梁锚跨的自重共同提供地锚力，解决了现有技术中软土地基自适应锚碇悬索桥如何在施工阶段能保证地锚力满足主梁的架设用力，而后期保留的地锚力的同时，又可减少主梁产生漂浮式体系的位移睦导致梁体不利受力的技术问题。本发明通过将梁端部的自重结合配重的设计到需要的荷载时，就可以即实现了梁体一部分预压应力(自锚式的特点)，而不是地锚力等于主缆索力的全部，降低了地锚力，同时还可去除边墩的设置，减少了工程整体成本。

[0029] 本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。