碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥 |
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申请号 | CN202410287745.4 | 申请日 | 2024-03-13 | 公开(公告)号 | CN117966575A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
申请人 | 清华大学; | 发明人 | 冯鹏; 董礼; 王宇; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种 碳 纤维 复合材料 拉索超大跨径部分悬吊混合 斜拉桥 ,包括:主梁;第一桥塔和第二桥塔;第一索鞍和第二索鞍;第一锚碇和第二锚碇;第一背索和第二背索,第一背索的至少一部分为 碳纤维 复合材料,第一背索的下端与第一锚碇相连,第二背索的至少一部分为碳纤维复合材料,第二背索的下端与第二锚碇相连;多个第一拉索和多个第二拉索,多个第一拉索包括至少一个第一斜拉悬索和至少一个第一斜拉索,多个第二拉索包括至少一个第二斜拉悬索和至少一个第二斜拉索,第一斜拉悬索和第二斜拉悬索均为碳纤维复合材料拉索,第一斜拉悬索的上端与第一背索的上端相连且连接处 支撑 在第一索鞍上,第二斜拉悬索的上端与第二背索的上端相连且连接处支撑在第二索鞍上,第一斜拉索的上端与第一桥塔相连,第二斜拉索的上端与第二桥塔相连; 水 平索,水平索的两端分别与多个第一拉索中的至少一个的下端和多个第二拉索中的至少一个的下端相连;吊索,多个第一拉索和多个第二拉索中与水平索相连的下端通过吊索与主梁相连。根据本发明 实施例 的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥具有成本低、便于控制桥塔高度、跨径大、缆索抗剪要求低等优点。 | ||||||
权利要求 | 1.一种碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥,其特征在于,包括: |
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说明书全文 | 碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥技术领域背景技术[0002] 索支撑桥梁是超大跨径桥梁的典型代表。 [0004] 为此,相关技术中的部分悬索桥,将钢主缆替换为碳纤维复合材料(CFRP)主缆,碳纤维复合材料主缆相比钢主缆具有密度低、抗拉强度高的优点,有助于增加跨度能力,但碳 纤维复合材料主缆的剪切强度和冲击强度相对较低。 发明内容[0005] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出一种碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥,该碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬 吊混合斜拉桥具有成本低、便于控制桥塔高度、跨径大、缆索抗剪要求低等优点。 [0006] 为实现上述目的,根据本发明的实施例提出一种碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥,所述碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥包括:主梁;第 一桥塔和第二桥塔,所述第一桥塔和所述第二桥塔沿所述主梁的长度方向间隔设置,所述 主梁支撑在所述第一桥塔和所述第二桥塔上;第一索鞍和第二索鞍,所述第一索鞍设在所 述第一桥塔上端且所述第二索鞍设在所述第二桥塔上端;第一锚碇和第二锚碇,所述第一 锚碇和所述第二锚碇分别设在所述主梁跨度方向两侧的锚碇基础上;第一背索和第二背 索,所述第一背索的至少一部分为碳纤维复合材料,所述第一背索的下端与所述第一锚碇 相连,所述第二背索的至少一部分为碳纤维复合材料,所述第二背索的下端与所述第二锚 碇相连;多个第一拉索和多个第二拉索,多个所述第一拉索包括至少一个第一斜拉悬索和 至少一个第一斜拉索,多个所述第二拉索包括至少一个第二斜拉悬索和至少一个第二斜拉 索,所述第一斜拉悬索和所述第二斜拉悬索均为碳纤维复合材料拉索,所述第一斜拉悬索 的上端与所述第一背索的上端相连且连接处支撑在所述第一索鞍上,所述第二斜拉悬索的 上端与所述第二背索的上端相连且连接处支撑在所述第二索鞍上,所述第一斜拉索的上端 与所述第一桥塔相连,所述第二斜拉索的上端与所述第二桥塔相连;水平索,所述水平索的 两端分别与多个所述第一拉索中的至少一个的下端和多个所述第二拉索中的至少一个的 下端相连,多个所述第一拉索和多个所述第二拉索中未与所述水平索相连的下端与所述主 梁相连;吊索,多个所述第一拉索和多个所述第二拉索中与所述水平索相连的下端通过所 述吊索与所述主梁相连。 [0007] 根据本发明实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥,具有成本低、便于控制桥塔高度、跨径大、缆索抗剪要求低等优点。 [0008] 另外,根据本发明上述实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥还可以具有如下附加的技术特征: [0009] 根据本发明的一个实施例,所述第一背索为多个,所述第一锚碇为多个,多个所述第一背索的下端分别与多个所述第一锚碇相连且上端与所述第一斜拉悬索相连,所述第二 背索为多个,所述第二锚碇为多个,多个所述第二背索的下端分别与多个所述第二锚碇相 连且上端与所述第二斜拉悬索相连。 [0010] 根据本发明的一个实施例,所述第一背索和所述第二背索均包括多个子背索,多个所述子背索中的至少一个为碳纤维复合材料拉索且其余子背索为钢索。 [0011] 根据本发明的一个实施例,所述第一斜拉悬索为多个,多个所述第一斜拉悬索的上端与所述第一背索相连且下端沿所述主梁的长度方向间隔设置,所述第二斜拉悬索为多 个,多个所述第二斜拉悬索的上端与所述第二背索相连且下端沿所述主梁的长度方向间隔 设置,所述第一斜拉索为多个,多个所述第一斜拉索的上端沿所述第一桥塔的高度方向间 隔设置且下端沿所述主梁的长度方向间隔设置,所述第二斜拉索为多个,多个所述第一斜 拉索的上端沿所述第一桥塔的高度方向间隔设置且下端沿所述主梁的长度方向间隔设置, 所述水平索为多个,所述吊索为多个。 [0012] 根据本发明的一个实施例,每个所述水平索的两端分别与所述第一斜拉悬索的下端和所述第二斜拉悬索的下端相连。 [0013] 根据本发明的一个实施例,每个所述水平索的两端分别与所述第一斜拉索的下端和所述第二斜拉索的下端相连。 [0014] 根据本发明的一个实施例,多个所述水平索中的至少一个的两端分别与所述第一斜拉悬索的下端和所述第二斜拉悬索的下端相连且其余所述水平索的两端分别与所述第 一斜拉索的下端和所述第二斜拉索的下端相连。 [0015] 根据本发明的一个实施例,所述水平索为碳纤维复合材料拉索或钢索。 [0016] 根据本发明的一个实施例,多个所述第一斜拉索中邻近所述第一桥塔的一个或多个所述第一斜拉索为钢索且其余所述第一斜拉索为碳纤维复合材料拉索或钢索,多个所述 第二斜拉索中邻近所述第二桥塔的一个或多个所述第二斜拉索为钢索且其余所述第二斜 拉索为碳纤维复合材料拉索或钢索。 [0017] 根据本发明的一个实施例,所述碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥还包括多个桥墩,多个所述桥墩沿所述主梁的长度方向间隔设置,所述主梁支撑在多个 所述桥墩上。 [0019] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中: [0020] 图1是根据本发明一个具体实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥的结构示意图。 [0021] 图2是根据本发明多个具体实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥的局部结构示意图。 [0022] 图3是根据本发明一个具体实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥的结构示意图。 [0023] 图4是根据本发明一个具体实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥的施工过程示意图。 [0024] 附图标记:碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1、主梁10、第一桥塔21、第二桥塔22、第一索鞍31、第二索鞍32、第一锚碇41、第二锚碇42、第一背索51、子背索 511、第二背索52、第一斜拉悬索61、第二斜拉悬索62、第一斜拉索71、第二斜拉索72、水平索 80、吊索90、桥墩100。 具体实施方式[0025] 下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。 [0026] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,限 定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的 描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。 [0027] 在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可 以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语 在本发明中的具体含义。 [0028] 下面参考附图描述根据本发明实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1。 [0029] 如图1‑图4所示,根据本发明实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1包括主梁10、第一桥塔21、第二桥塔22、第一索鞍31、第二索鞍32、第一锚碇41、第 二锚碇42、第一背索51、第二背索52、多个第一拉索、多个第二拉索、水平索80和吊索90。 [0030] 第一桥塔21和第二桥塔22沿主梁10的长度方向间隔设置,主梁10支撑在第一桥塔21和第二桥塔22上。第一索鞍31设在第一桥塔21上端且第二索鞍32设在第二桥塔22上端 (上下方向如图中的箭头所示)。第一锚碇41和第二锚碇42分别设在主梁10跨度方向两侧的 锚碇基础上。第一背索51的至少一部分为碳纤维复合材料,第一背索51的下端与第一锚碇 41相连,第二背索52的至少一部分为碳纤维复合材料,第二背索52的下端与第二锚碇42相 连。多个所述第一拉索包括至少一个第一斜拉悬索61和至少一个第一斜拉索71,多个所述 第二拉索包括至少一个第二斜拉悬索62和至少一个第二斜拉索72,第一斜拉悬索61和第二 斜拉悬索62均为碳纤维复合材料拉索,第一斜拉悬索61的上端与第一背索51的上端相连且 连接处支撑在第一索鞍31上,第二斜拉悬索62的上端与第二背索52的上端相连且连接处支 撑在第二索鞍32上,第一斜拉索71的上端与第一桥塔21相连,第二斜拉索72的上端与第二 桥塔22相连。水平索80的两端分别与多个所述第一拉索中的至少一个的下端和多个所述第 二拉索中的至少一个的下端相连,多个所述第一拉索和多个所述第二拉索中未与水平索80 相连的下端与主梁10相连。多个所述第一拉索和多个所述第二拉索中与水平索80相连的下 端通过吊索90与主梁10相连。 [0031] 根据本发明实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1,通过设置多个第一拉索、多个第二拉索、水平索80和吊索90,利用水平索80的两端分别与多个所 述第一拉索中的至少一个的下端和多个所述第二拉索中的至少一个的下端相连,多个所述 第一拉索和多个所述第二拉索中与水平索80相连的下端通过吊索90与主梁10相连,可以利 用一部分拉索、水平索80和吊索90构成悬索形式,利用水平索80传递部分索力的水平分量, 通过索鞍在桥塔顶部转向后,锚固于边跨地锚,并且通过多个所述第一拉索和多个所述第 二拉索中未与水平索80相连的下端与主梁10相连,可以利用其余拉索构成斜拉形式,从而 使悬索形式和斜拉形式相结合,构造成悬吊与斜拉混合的缆索形式,结合了斜拉桥和悬索 桥的优点。 [0032] 此外,通过使第一背索51的至少一部分为碳纤维复合材料,第二背索52的至少一部分为碳纤维复合材料,第一斜拉悬索61和第二斜拉悬索62均为碳纤维复合材料拉索,可 以使重量影响较大的背索和斜拉悬索处由钢索替换为碳纤维复合材料拉索,相比相关技术 中完全采用钢索的技术方案,可以减轻对应拉索的重量,提高拉索的抗拉强度,降低建造成 本,由于碳纤维复合材料拉索和索鞍的应用,可以便于在跨度相同的情况下控制桥塔的高 度。 [0033] 由此,通过将碳纤维复合材料拉索应用于混合斜拉悬索桥的背索和斜拉悬索处,能够充分利用碳纤维复合材料的特性以及斜拉桥和悬索桥的优势,利用悬索和斜拉混合的 形式弥补碳纤维复合材料拉索抗剪方面的局限性。 [0034] 也就是说,碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1与相关技术中的矮塔斜拉桥相比,主梁压力更小,重量更轻,施工方便快速,与相关技术中的斜拉桥相比,桥 塔高度更低,主梁压力小,拉索非线性效应低,能够实现更大跨径,与相关技术中的悬索桥 相比,缆索自重更低,锚碇尺寸更小,跨径更大,与相关技术中的碳纤维索主缆悬索桥相比, 可以在缆索用量和结构性能相近的情况下,改善碳纤维主缆吊点抗剪问题。 [0035] 因此,根据本发明实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1具有成本低、便于控制桥塔高度、跨径大、缆索抗剪要求低等优点。 [0036] 下面参考附图描述根据本发明具体实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1。 [0037] 在本发明的一些具体实施例中,如图1‑图4所示,根据本发明实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1包括主梁10、第一桥塔21、第二桥塔22、第一索鞍 31、第二索鞍32、第一锚碇41、第二锚碇42、第一背索51、第二背索52、多个第一拉索、多个第 二拉索、水平索80和吊索90。 [0038] 具体地,第一背索51为多个,第一锚碇41为多个,多个第一背索51的下端分别与多个第一锚碇41相连且上端与第一斜拉悬索61相连,第二背索52为多个,第二锚碇42为多个, 多个第二背索52的下端分别与多个第二锚碇42相连且上端与第二斜拉悬索62相连。这样可 以便于将斜拉悬索的受力分散至多个背索和锚碇处,便于提高碳纤维复合材料拉索超大跨 径部分悬吊混合斜拉桥1的跨径。 [0039] 更为具体地,如图1所示,第一背索51和第二背索52均包括多个子背索511,多个子背索511中的至少一个为碳纤维复合材料拉索且其余子背索511为钢索。换言之,多个子背 索511可以均为碳纤维复合材料拉索,也可以一个或多个子背索511为碳纤维复合材料拉索 而其余子背索511为钢索。具体而言,子背索511并行排列。这样可以便于提高背索和对应的 第一斜拉悬索、第二斜拉悬索的抗拉强度,并减轻背索和对应的第一斜拉悬索、第二斜拉悬 索的重量。 [0040] 可选地,如图1‑图4所示,第一斜拉悬索61为多个,多个第一斜拉悬索61的上端与第一背索51相连且下端沿主梁10的长度方向间隔设置,第二斜拉悬索62为多个,多个第二 斜拉悬索62的上端与第二背索52相连且下端沿主梁10的长度方向间隔设置,第一斜拉索71 为多个,多个第一斜拉索71的上端沿第一桥塔21的高度方向间隔设置且下端沿主梁10的长 度方向间隔设置,第二斜拉索72为多个,多个第一斜拉索71的上端沿第一桥塔21的高度方 向间隔设置且下端沿主梁10的长度方向间隔设置,水平索80为多个,吊索90为多个。具体而 言,多个水平索80可以贴合并行设置。这样可以利用多个斜拉悬索和多个斜拉索分散受力, 进一步便于提高碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1的跨度。 [0041] 水平索80所连接的拉索可以集中布置也可以分散布置,图2中示出了多种布置方式。 [0042] 在一些实施例中,如图1、图2中实施例a、图3和图4所示,每个水平索80的两端分别与第一斜拉悬索61的下端和第二斜拉悬索62的下端相连。具体而言,水平索80的数量可以 等于第一斜拉悬索61的数量且等于第二斜拉悬索62的数量。这样可以利用水平索80集中连 接斜拉悬索,并利用吊索90集中承担主梁10中部的受力。 [0043] 在一些实施例中,如图2中实施例d所示,每个水平索80的两端分别与第一斜拉索71的下端和第二斜拉索72的下端相连。这样可以利用水平索80集中连接斜拉索,利用吊索 90集中承担靠近桥塔处的受力。 [0044] 在一些实施例中,如图2中实施例b、c、e、f所示,多个水平索80中的至少一个的两端分别与第一斜拉索71的下端和第二斜拉悬索62的下端相连且其余水平索80的两端分别 与第一斜拉索71的下端和第二斜拉索72的下端相连。具体而言,水平索80可以集中连接拉 索,如图2中实施例b和c所示,以集中承担对应位置处的受力,也可以分散连接拉索,如图2 中实施例e和f所示,由此可以灵活布置水平索80和吊索90的受力位置,以分散承担受力,提 高受力均匀性。 [0045] 可选地,水平索80为碳纤维复合材料拉索或钢索。碳纤维复合材料拉索可以提高抗拉强度并减轻重量,钢索相对抗剪能力更强,可以根据对应位置受力情况进行选择。 [0046] 进一步地,多个第一斜拉索71中邻近第一桥塔21的一个或多个第一斜拉索71为钢索且其余第一斜拉索71为碳纤维复合材料拉索或钢索,多个第二斜拉索72中邻近第二桥塔 22的一个或多个第二斜拉索72为钢索且其余第二斜拉索72为碳纤维复合材料拉索或钢索。 由于靠近桥塔的斜拉索其重量的影响较小,将邻近桥塔的斜拉索选用钢索,可以在减小重 量影响的情况下提高抗剪能力。 [0047] 具体地,如图1‑图4所示,碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1还包括多个桥墩100,多个桥墩100沿所述主梁的长度方向间隔设置,主梁10支撑在多个桥墩 100上。这样可以利用桥墩100进一步支撑主梁10,提高结构刚度。 [0048] 具体而言,桥墩100包括边墩和辅助墩,边墩位于主梁的两端,辅助墩位于塔桥和边墩之间。 [0049] 如图3所示,以跨径L为3300米的4车道公路桥梁设计为例,每个桥塔两侧L4为780米范围内设置平行钢丝斜拉索,其余中跨部分L5为1740米的范围设置碳纤维复合材料斜拉 悬索、碳纤维复合材料水平索、钢吊索,与地锚相连的背索采用碳纤维复合材料索,桥塔与 邻近的桥墩间距L3为570米,两个桥墩间距L2为240米。经过设计优化后对比估算,与常规钢 主缆悬索桥相比,碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1方案造价下降45%, 碳排放量下降48%,扭弯转频率比上升165%,具有很好的造价、环保和动力性能,而且结构 刚度仍在许可范围内。 [0050] 如图4所示,碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1的主要施工步骤包括: [0051] 基础和桥塔施工; [0052] 斜拉部分悬臂施工; [0053] 斜拉和悬吊转换部分施工、相应水平索张拉及背索锚固; [0054] 中跨中心悬吊部分组装施工; [0055] 附属结构施工。 [0056] 根据本发明实施例的碳纤维复合材料拉索超大跨径部分悬吊混合斜拉桥1的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的,这里不再详细描述。 [0057] 在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结 构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的 示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特 点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 |