斜拉桥

斜拉桥

斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。

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。

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 。

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。

孔跨布局

1、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。

2、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。

3、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

4、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

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。 

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。 

（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。

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

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 g或h的型式。 b~d一般适用于双平面索的情况；e、f和i一般适用于双斜索面的斜拉桥上。

塔的高跨比

索塔的高度H决定着整个桥梁的刚度和经济性

拉索布置

索面位置

索面位置一般有图所示的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

    索面形状主要有如图4-1-12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： 

斜拉索立面布置方式

a)辐射形；    b)竖琴形；    c)扇形

（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

  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。 

斜拉桥的结构体系，可以有以下几种不同的划分方式：   

按照塔、梁、墩相互结合方式分类： 漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系和刚构体系。

按照主梁的连续方式，有连续体系和T构体系等。

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。

主梁的构造：

主梁的作用有三个方面：

（1）将恒、活载分散传给拉索。梁的刚度越小，则承担的弯矩越小；  

（2）与拉索及索塔一起成为整个桥梁的一部分，主梁承受的力主要是拉索的水平分力所形成的轴压力，因而需有足够的刚度防止压屈；  

（3）抵抗横向风载和地震荷载，并把这些力传给下部结构。

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。

不同材料主梁的适宜跨径    

斜拉桥主梁有下列四种不同的组成方式：

1、预应力混凝土梁，称为混凝土斜拉桥，经济跨径400m以下。

2、钢－混凝土组合梁，称为组合梁斜拉桥，经济跨径400～ 600m。    

3、全钢主梁，称为钢斜拉桥，经济跨径600m以上。

4、主跨为钢主梁或钢－混凝土组合梁，边跨为混凝土梁，称为混合式斜拉桥，经济跨径600m以上。

第二节  索塔

一、索塔构件组成：索塔在美学上起决定性作用：慎选形状、勾画尺寸比例、借助模型、后局部优化。

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。

二、混凝土塔的构造

    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

拉索的构造

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。

1、平行钢丝索配冷铸锚

2、平行钢绞线索配夹片锚

将平行钢丝索中的钢丝换成等截面的钢绞线即成为钢绞线索。

单根钢绞线索质量较轻，运输和安装方便，但锚头需现场防护，质量保证难度增大。。       

拉索的减振 

拉索的风致振动现象在各种跨径和类型的斜拉桥上普遍存在，拉索的振动易导致疲劳和外包破损。目前对斜拉桥的拉索采取的减振措施主要有以下几种：

（1）气动控制法 

（2）阻尼减振法

（3）改变拉索动力特性法 

1.气动控制法

        将斜拉索原来的光滑表面做成带有螺旋凸纹、条形凸纹、V形凹纹或圆形凹点的非光滑表面。拉索表面的凹凸纹能阻碍下雨时拉索水线的形成，从而防止雨振的发生。

2. 阻尼减振法

阻尼减振法的作用机理就是通过安装阻尼装置，提高拉索的阻尼比从而抑制拉索的振动。根据与拉索的相互关系，阻尼装置又可分为安放在套筒内的内置式阻尼器和附着于拉索之上的外置式阻尼器。 

3.改变拉索动力特性法

采用联结器（索夹）或辅助索将若干根索相互联结起来，辅助索可以采用直径比主要索小得多的索。

其作用机理是：通过联结，将长索转换成为相对较短的短索，使拉索的振动基频提高，从而抑制索的振动。

这对防止低频振动十分有效，同时也能降低雨振以及单根索振动发生的机率，但对通常以高阶形式出现的涡激振动抑制作用不明显。另外，辅助索易疲劳断裂，对桥梁景观有一定影响。

斜拉桥施工方法大体上可以归纳为：有支架施工法、顶推施工法、转体施工法和悬臂施工法（悬臂拼装和悬臂浇筑）。

斜拉桥的应用：公路斜拉桥、铁路斜拉桥

斜拉桥的优点：

梁体尺寸较小，桥梁的跨越能力较大；

受桥下净空和桥面标高的限制少；

抗风稳定性比悬索桥好；

不需悬索桥那样的集中锚碇构造；

便于悬臂施工。