畢業(yè)設計1第一章緒論1.1懸索橋的分類、構造及主要特點1.1.1分類懸索橋按有無加勁梁可分為無加勁梁和有加勁梁懸索橋兩種?，F(xiàn)代大跨度懸索橋都是有加勁梁的，根據已建和在建大跨度懸索橋的結構形式，懸索橋有以下幾種：1.1.1.1美國式懸索橋其基本特征式采用豎直吊索，并用鋼桁架作為加勁梁。這種形式的懸索橋絕大部分為三跨地錨式。加勁梁是不連續(xù)的，在主塔處有伸縮縫，橋面為鋼筋混凝土橋面，主塔為鋼結構。其優(yōu)點是可以通過增加桁架高度來保證橋梁有足夠的剛度，且便于實現(xiàn)雙層通車。1.1.1.2英式懸索橋60年代英國提出了新型的懸索橋，突破了懸索橋的傳統(tǒng)形式。英國式懸索橋的基本特征是采用呈三角形的斜吊索和高度較小的流線型扁平翼狀鋼箱梁作為加勁梁。除此之外，這種形式的懸索橋采用連續(xù)的鋼箱梁作為加勁梁，橋塔處設有伸縮縫，用混凝土橋塔代替鋼橋塔。有的還將主纜與加勁梁在主跨中點處固結。英式懸索橋的優(yōu)點是鋼箱加勁梁可減輕恒載，因而減小了主纜的截面，降低了用鋼量總造價。1.1.1.3日式懸索橋日本的懸索橋出現(xiàn)在20世紀70年代以后，國際上懸索橋的技術發(fā)展已日臻完善，日本結合自己的國情，吸收了世界上先進的技術，形成了日式流派，其主要特征是：主纜一律采用預制束股法架設成纜。加勁梁主要沿襲美式鋼桁梁形式，少數公路橋也開始采用英式流線形箱梁結構。吊索沿用美式豎向4股騎掛式鋼絲繩。橋塔采用鋼結構，主要采用焊接，少數用栓接。鞍座采用鑄焊混合式，主纜采用預應力錨固系統(tǒng)。1.1.1.4混合式懸索橋其特點是采用豎直吊索和流線型鋼箱梁作為加勁梁。混合式懸索橋的出現(xiàn)，顯示了鋼箱加勁梁的優(yōu)越性，同時避免了采用有爭議的斜吊索。1.1.2主要構造畢業(yè)設計2現(xiàn)代懸索橋通常有橋塔、錨碇、主纜、吊索、加勁梁及鞍座等主要部分組成。1.1.2.1橋塔橋塔是支撐主纜的重要構件。懸索橋的活載和恒載(包括橋面、加勁梁、吊索、主纜及其附屬構件，如鞍座和索夾等的重量)以及加勁梁主承在塔身上的反力，都將通過橋塔傳遞到下部分的塔墩和基礎。橋塔采用鋼結構，隨著預應力混凝土和爬模技術的發(fā)展，造價經濟的混凝土橋塔將有發(fā)展的趨勢。1.1.2.2錨碇錨碇是主纜的錨固體。錨碇將主纜的拉力傳遞給地基基礎。通常采用的有重力式錨碇和隧洞式錨碇。重力式錨碇依靠巨大自重來抵抗主纜的垂直分力，水平分力則由錨碇與地基間的摩擦力或嵌固力來抵抗。隧洞式錨碇則是將主纜中的拉力直接傳遞給周圍的基巖。1.1.2.3主纜主纜是懸索橋的主要承重構件。除承受自身恒載外，主纜本身又通過索夾和吊索承受活載和加勁梁(包括橋面)的恒載。除此之外，主纜還承擔一部分橫向風載，并將它直接傳遞到橋塔頂部。主纜有鋼絲繩和平行線鋼纜等，由于平行線鋼纜彈性模量高，空隙率低抗銹性能好，因此大跨度懸索橋的主纜都采用這種形式?，F(xiàn)代懸索橋的主纜多采用直徑5mm的高強度鍍鋅鋼絲組成，設計中一般將主纜設計成二次拋物線的形狀。1.1.2.4吊索吊索也稱吊桿。是將活載和加勁梁的恒載傳遞到主纜的構件。吊索的布置形式有垂直式和傾斜式等。其上端與索夾相連，下端與加勁梁連接。吊索宜用有繩蕊的鋼絲繩制作，其組成可以是一根、二根或四根一組。1.1.2.5加勁梁加勁梁的主要功能是提供橋面和防止橋面發(fā)生過大的撓曲變形和扭曲變形。加勁梁是承受風荷載和其他橫向水平力的主要構件，長大懸索橋的加勁梁均為鋼結構，一般采用桁架梁形式和箱梁形式。目前看來預應力混凝土加勁梁僅適用于跨徑500m以下的懸索橋。在長大懸索橋設計中，加勁梁寬度與主跨徑的比例，即寬跨比將是一個涉及風動穩(wěn)定的突出問題。由于板梁作加勁梁抗風穩(wěn)定性很差，因此現(xiàn)在已不再用板梁作為長大懸索橋加勁梁了。1.1.2.6鞍座畢業(yè)設計3鞍座是支承主纜的重要構件，通過它可以使主纜中的拉力以垂直力和不平衡水平力的方式均勻地傳到塔頂式錨碇的支架處。鞍座可以分為塔頂鞍座，設置在橋塔頂部，將主纜荷載傳到塔上；錨固鞍座(亦稱擴展鞍座)設置在錨碇的支架處，主要目的是改變主纜索的方向，把主纜的鋼絲繩股在水平及豎直方向分散開來，并把它們引入各自錨固位置，為了減少塔頂鞍座處鋼絲的彎曲次應力，塔頂鞍座彎曲半徑一般為主纜主徑的8-12倍；而擴展鞍座必須按照鋼絲繩股的水平曲率半徑的3倍以上來確定鞍座的形狀。1.2懸索橋的發(fā)展概況1.2.1中國懸索橋的發(fā)展歷程中國近代懸索橋的發(fā)展。1938年，湖南一座公路懸索橋建成，該橋可通行10噸汽車，隨后又有一批懸索橋建成通車。新中國成立后，共建成70多座懸索橋，但其結構形式都比較簡潔，跨徑不太大，工程規(guī)模較小。進入20世紀90年代，中國現(xiàn)代懸索橋的建設揭開了新的歷史篇章，修建了一批結構復雜，造型美觀的大跨懸索橋。可以預見，隨著我國橋梁科研、設計、施工隊伍科技水平的不斷提高，跨越中國遼闊大地上的江河湖泊、海峽港灣的懸索橋會修建得更多更美。1.2.2歐洲懸索橋的發(fā)展歷程20世紀以前歐洲的懸索橋。國外懸索橋的修建歷史較中國晚了1000多年，據文獻史料記載，1734年薩克森的軍隊遠征但澤，途徑奧得河時，修建了西方第一座臨時性鐵索橋。1741年，英國建成一座鐵鏈懸索橋，跨度21.34m，使用了61年，毀壞于1802年。20世紀的歐洲懸索橋：歐洲懸索橋的建設繼續(xù)發(fā)展并有所創(chuàng)新。法國于1959年建成了主跨為680m的緹卡維爾懸索橋是發(fā)展中的一個新的里程碑。該橋的創(chuàng)新特點體現(xiàn)在第一次采用了扁平纖細，截面具有良好的抗風性能的全焊流線型鋼箱梁，打破了鋼桁架加勁梁一統(tǒng)天下的局面，另外，該橋還采用了斜吊索以提高橋梁的抗風阻尼。歐洲現(xiàn)代大跨度懸索橋的修建確定了混凝土橋塔，扁平流線型全焊加勁鋼箱梁懸索橋的優(yōu)勢。且此桁架式加勁梁節(jié)省工程投資費用10%左右。因此歐洲大部分懸索橋為英國人設計，所以形成了英國懸索橋風格。1.2.3美洲懸索橋的發(fā)展歷程美洲20世紀前的懸索橋。李約瑟認為是由中國人傳入美洲的。20世紀美國的懸畢業(yè)設計4索橋，20世紀中葉，美國大城市的興起，促進了大跨橋梁建設的發(fā)展，至今美國仍是世界上擁有懸索橋最多的國家。在科研、設計和施工技術上形成優(yōu)勢，是懸索橋成為唯一超過千米的成熟橋型，并形成美國流派的懸索橋風格。1.2.4日本懸索橋的建設日本近代懸索橋發(fā)展勢頭迅猛，后來居上，日本的懸索橋，大部分為鋼塔和鋼桁加勁梁，并且大多為公鐵兩用懸索橋。綜上所述，國內外懸索橋的建設一次次刷新了橋梁的跨徑記錄，并將在21世紀橋梁的建設中，繼續(xù)顯示出特大跨懸索橋的勃勃生機。1.3懸索橋的計算理論簡介1.3.1傳統(tǒng)的“彈性理論”簡介大纜支點位于塔頂，越過塔頂后，大纜兩端在地面附近進入錨碇。在主跨范圍內，其加勁梁的跨度是BL。在主跨之內，用許多豎向設置的吊索將纜和加勁梁連接起來。在纜的邊跨范圍，可設置若干個小跨度，因其在結構上同所說的懸索橋無關，這里不再分析。彈性理論是懸索橋最早的計算理論，它使用超靜定結構計算方法，將懸索橋的結構看作主纜與加勁梁的結合體，在計算中只考慮由荷載產生的新的構件之間的平衡，其特點是恒載與活載的內力計算方法沒有差別，也就是在計算活載內力時沒有計入恒載產生的初始內力，此理論已經對懸索橋的整體剛度作出貢獻。此理論是建立在不考慮荷載的產生會影響內力大小與方向的基礎之上。因此，彈性理論是基于變形非常微小而可以忽略的計算假設，只能滿足早期跨度較小且加勁梁剛度相對較大的懸索橋的使用。1.3.2撓度理論撓度理論認為主纜在恒載作用下取得平衡時的幾何形狀(二次拋物線)將因活載的作用而發(fā)生改變。主纜因活載作用而增加的拉力所引起的伸長量也應當在計算中加以考慮。用撓度理論計算所得內力比用彈性理論要小得多，根據懸索橋跨度大小，加勁梁的剛度大小，以及活載影響與恒載影響的比例，一般撓度理論的內力計算值比彈性理論減少2/1-10/1，因此，采用撓度理論來設計大跨懸索橋可比彈性理論大大節(jié)約材料。這也是相當長的一段時期內撓度理論在大跨度懸索橋設計計算中一直起主導作用的原因。畢業(yè)設計51.3.3有限位移理論當現(xiàn)代懸索橋的跨徑進一步增大時，加勁梁的剛度不斷相對減小。當加勁梁的高跨比不小于300/1時，采用線性撓度理論分析懸索橋產生的誤差將不容忽視，為此，有限位移理論開始應用于現(xiàn)代懸索橋的結構分析中，基于矩陣位移法的有限元技術更能適應解決復雜結構的受力分析。一些有代表性的研究成果逐漸完善和發(fā)展了有限位移理論，應用有限位移理論的矩陣法可以綜合考慮體系節(jié)點位移影響和軸力效應，把懸索橋結構分析方法統(tǒng)一到一般非線性有限元中，是目前大跨懸索橋分析計算中普遍采用的方法。1.4本文主要工作本文主要設計13m+68m+13m三跨柔性懸索橋，上部結構設計包括橋面系、橫梁、縱梁、主索、邊索、吊桿等。下部結構設計包括索塔、基礎、錨碇。在下面幾章詳細介紹和計算各部結構。畢業(yè)設計6第二章懸索結構設計2.1設計方案比選布置形式三跨(13m+68m+13m)失高7.158m垂跨比lf=5.91吊桿間距3.5m2.2橋面系的計算2.2.1橋面系構造橋面系采用I字鋼橫梁，I字鋼縱梁上加鋼板組成橫梁間距3.5m采用I36b縱梁間距0.35m采用I14橋面鋼板厚0.01m上加0.06m瀝青砼鋪裝縱梁共12根I14鋼，衡梁全橋共18根I36b鋼欄桿和緣石共寬0.4m縱梁跨徑為3.5m的多跨連續(xù)梁橫梁跨徑為4.9m的簡支梁470圖2-1橋面橫截面布置39049052037.593537.5畢業(yè)設計72.2.2橋面系縱、橫梁內力計算假定鋼橋面板寬為4.9m的簡支無限長板，縱橫梁構造如圖2-2采用鋼橋Pelikan-Esslinger法計算。即第一階段把縱梁作為橫梁剛性支承的多跨連續(xù)梁，第二階段考慮橫梁的彈性變形對多跨連續(xù)縱梁內力進行修正。2.2.2橋面系縱、橫梁內力計算2.2.2.1截面幾何特征值的計算(1)第一階段計算1第一階段計算時縱梁有效寬度考慮到車輪承受處橋面板要與縱肋共同工作，應計算縱肋的有效寬度，而縱肋的有效寬度與縱肋間距和縱肋的有效跨徑有關，也就是在計算有效寬度前應確定縱肋有效跨徑?？v肋的有效跨徑t，在第一階段中，認為縱肋是支承在橫肋上的剛性支承連續(xù)梁，這樣假設的情況下的有效跨徑可取彎矩部分的平均長度，其值一般為0.7倍的縱肋跨長即tt7.01又縱肋跨徑5.3tm(橫肋間距)，45.25.37.0tm，汽車-10級的后輪荷載著地寬度5.02gm，根據ag2428.135.05.0在鋼橋圖1.32(b)圖2-2縱、橫梁布置曲線上查得35035035037.537.5490I14350I36b935畢業(yè)設計8m595.035.07.1)(*0*0aaaa又由243.045.2595.01*0ta查鋼橋圖1.33得91.0*00aa；m54.0595.091.0)(*0*000aaaa由此可求出圖1-4a所示相應與第一階段的縱梁截面幾何特征值2第二階段計算時縱梁有效寬度在計算第二階段橫肋變形影響時，縱肋有效跨徑往往很大，故可近似采用1t；縱肋有效間距近似等于縱肋間距，m35.0*aa0*1ta查鋼橋圖1.33得099.1*0aa得縱肋在計算第二階段時有效寬度為m385.035.0099.1*00aaaa由上面的有效寬度，可求出圖2-3b所示相應于第二階段縱梁的截面幾何特征值3橫梁橋面鋼板有效寬度圖2-3a第一階段截面幾何特征54.14514畢業(yè)設計9圖2-3b第二階段截面幾何特征圖2-3c工字鋼工36b截面按縱