第六章悬索桥一、概述悬索桥的起源很早，但真正的发展是在本世纪。

悬索桥发展高峰是在本世纪20年代，其数量达到顶峰。

到30年代，悬索桥首次突破1000米跨径记录。

下混凝土加劲箱梁悬索桥，跨径组合为154m+452m+154m。

汕头海湾大桥于1991年图1 汕头海湾大桥由承受拉力的悬索作为主要承重构件的桥梁称为悬索桥或吊桥。

它与由主梁和拉索共同作为主要承重结构的斜拉桥是不同的。

如图2所示，悬索桥是用悬挂在两边桥塔上的强大缆索作为主要承重结构。

在竖向荷载作用下，通过吊杆使缆索承受很大的拉力，而缆索则需要在两岸桥台后方修筑非常强大的锚碇结构。

所以悬索桥是由缆索、桥塔、吊杆、加劲梁、桥面和锚碇组成。

悬索桥具有合理的受力形式，由于缆索只受拉，而无弯曲和疲劳，所以可以采用高强度钢丝编制。

悬索桥以其结构重量轻、建筑高度小成为目前所有桥梁体系中跨越能力最大的桥型。

通常当跨径超过600m以上，悬索桥方案是最经济合理的。

二、主要尺寸悬索桥的主要尺寸，是指吊桥的跨径、矢高、塔高、吊杆间距、锚索的倾角、图3 悬索桥结构示意图（一）跨径布置悬索桥的跨径要根据地形和地质条件选定桥塔和桥台位置，然后确定悬索桥的跨径。

如图所示，桥塔通常将悬索桥划分为三跨，即中跨和两个边跨。

边跨长度视经济条件和锚固位置来确定，一般边跨与中跨之比为1/2～1/4。

当边跨与中跨之比小于1/4，而边跨的跨径又较小时，边跨可以不设吊杆。

（二）主缆索矢高及塔高中跨主缆索矢高f，与拱桥一样，常以矢跨比f/l来表示。

从受力角度考虑，矢跨比愈大，主缆索的拉力愈小，可以节省钢材，但桥塔高度和悬索长度均有增加。

从理论分析来看，选择矢跨比为1/6～1/7最有利。

但在工程实际中，为了减小桥塔高度，常用偏小的矢跨比，如欧美各国取用1/9～1/12，我国取用1/9～1/10。

（三）吊杆间距吊杆间距直接涉及到桥面构造和材料用量。

跨径在80m到200m范围内，吊杆间距一般取5～8m。

跨径增大，吊杆间距也应增大。

（四）锚索倾角确定锚索倾角的原则是：为了使主索与锚索的拉力相等或接近，锚索的倾角1ϕ和主索在桥塔处的水平倾角0ϕ应相等或相接近。

主索在桥塔处水平倾角0ϕ可由下式计算，以桥塔支承点为坐标原点的主索曲线方程为：2)(4lx l fx y -= 由其导数得：lftg 40=ϕ根据刚度和经济条件，锚索倾角常采用30︒～40︒。

（五）加劲梁吊杆的加劲梁的梁高，主要根据刚度条件和材料用量最少来确定。

为了保证悬索桥在跨径四分点处必要的刚度要求（悬索桥跨径的四分点处挠度最大），加劲梁的梁高应为l/40～l/60到l/120。

三、构造形式（一）主索支承方式悬索在温度变化和荷载作用下，要产生伸长或缩短，所以悬索在塔顶处要保证有水平移动的可能，否则桥塔将承受很大的水平力。

为了满足这一要求，根据桥塔的形式，主索与桥塔支承存在三种形式：（1）在中、小跨径的悬索桥中，在刚性桥塔顶上设活动的索鞍，以满足悬索水平移动的要求；（2）主索在塔顶固定，在塔脚设置铰，塔柱以微小的摆动来满足悬索水平移动的要求；（3）采用柔性桥塔，主索在塔顶能转动，而不能水平移动，搭脚与墩固结。

主索支承方式图（二）主缆索（简称主索）主缆索是悬索桥承受拉力的最重要的承重构件。

现代悬索桥主索采用平行丝缆（PWS ），每缆用熔镀锌冷拔φ5～φ5.38mm 的高强钢丝束组成，每束常为127丝。

镀锌丝强度一般为1500～1750Mpa ，安全系数为2.5～3.0。

江阴长江大桥，每根主缆179束，每束含127根镀锌高强钢丝，竖向排列成（三）锚碇锚碇是悬索桥的重要的支承结构，其锚固构造非常重要。

当桥头两岸有坚固的岩石时，可直接锚固在岩石中。

如图为重庆朝阳大桥的锚固构造，锚索通过纵坡倾角为28，长为15米的猫洞，锚于钢筋混凝土锚碇板上，而锚碇板则支承在岩石上。

当桥头两岸为松散土壤时，通常是锚固在石砌的或混凝土的实体桥台中。

如图所示。

四、悬索桥的计算（一）柔性悬索桥的计算特点柔性悬索桥在荷载作用下，悬索形状将随荷载位置的变化而改变。

所以除了计算悬索内力外，还要计算悬索挠度，以控制最大挠度值，保证车辆正常运营。

（二）刚性悬索桥的计算特点刚性悬索桥在荷载作用下，悬索与加劲梁共同受力，属于超静定结构。

在计算内力有两种方法：（1）弹性理论方法，不考虑结构体系变形对内力的影响，按一般结构力学方法计算；（2）挠度理论方法，要考虑结构体系变形对内力的影响，不能采用一般结构力学计算。

（三）加劲梁的计算由于加劲钢梁是在架好的悬索下吊装就位，所以全部恒载由悬索承担，加劲梁之承受活载作用。

因此，加劲梁的计算只需计算加劲梁在活载作用下的各杆件的内力。

（四）挠度计算当加劲梁为简支梁时，在任何荷载作用下，其加劲梁的挠度为荷载产生的向下挠度与吊杆力产生的向上变形之差。

（五）风荷载计算风荷载对悬索桥的作用可以分为静力作用和动力作用两种情况。

这里主要介绍静力作用。

静力作用，即将作用下悬索桥的风力作为横向荷载来处理。

因此，在具体计算中，主要是确定风力在悬索桥中的分配（即悬索、加劲梁等）。

（六）动力计算吊桥的动力作用，包括车辆荷载作用下的竖向强迫振动和风荷载作用的振动稳定问题。

这些计算有：1 车辆荷载作用下的强迫振动以动力系数μ来计入车辆强迫振动的不利影响。

2 悬索桥的空气动力稳定性略第七章钢管混凝土拱桥一、概述钢管混凝土结构是在劲性钢筋混凝土结构，螺旋配筋混凝土结构以及钢管结构的基础上演变和发展起来的。

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，通常不再配筋。

钢管混凝土截面型式有圆钢管、方钢管和多边形钢管三种，目前广泛采用圆钢管混凝土。

如图所示，当钢管混凝土构件在轴力N 作用下，钢管和混凝土均发生纵向压缩应变。

由于泊松效应，纵向应变又引起钢管和混凝土的横向（径向）变形。

试验表明，在高应力状态下，混凝土的泊松比由1/6增加到1/2，并随混凝土内部裂缝的展开，泊松比超过1/2。

钢材的泊松比一般则为1/3。

由此，混凝土的径向变形大于钢管的径向变形，则钢管限制了混凝土的径向变形。

根据变形协调关系，在钢管内产生环向拉应力，而混凝土受到径向和环向的压力作用。

这也就是说，钢管与混凝土之间存在着相互作用的紧箍力p ，使混凝土处于三向受压状态。

钢管混凝土具有如下几个特点： （1）构件承载力大幅度提高借助于钢管约束混凝土径向变形，对混凝土形成套箍作用，使混凝土处于三向受力，提高了混凝土的抗压强度。

约束混凝土抗压强度试验公式为：r a R R σ40+=（2）具有良好的塑性和韧性钢管混凝土构件的破坏是由钢管材料屈服决定，所以其混凝土的脆性得到很大的改善。

使混凝土受压脆性破坏转化为钢材屈服的塑性破坏。

（3）经济效果显著钢管混凝土因其承载力能力高，缩小了构件截面尺寸，降低了构件自重，节省了结构用钢量和施工用钢量。

（4）施工简单、工期短钢管混凝土在施工中，利用空心钢管作为劲性骨架或模板，施工简便。

钢管混凝土构件主要用作为受压构件，所以这种构件目前在桥梁工程中主要应用于以受压为主的拱式桥梁结构。

在具体应用中存在两种形式：（1）钢管混凝土拱桥在钢管混凝土拱桥中，钢管混凝土是在钢管内灌注混凝土，即钢管与核心混凝土共同作为结构的主要受力构件。

钢管表面外露，通过涂层进行防锈和外观处理。

我国已建成的这类桥梁有：四川旺苍东河大桥，跨径为115m 的下承式预应力系杆钢管混凝土拱桥，于1990年建成；广东高明大桥，跨径为100 m 的中承式钢管混凝土拱桥，于1991年建成； 浙江新安江大桥，跨径为120 m 的中承式钢管混凝土拱桥，于1993年建成； 广东南海三山西桥，跨径为200m 的自锚式钢管混凝土拱桥，于1995年建成；广西三岸邕江大桥，跨径为270m 的自锚式钢管混凝土拱桥，于1998年建成；广州丫髻沙大桥，跨径为76 m +360 m+76 m 的自锚中承式钢管混凝土拱桥，于2000年建成。

丫髻沙大桥示意图（2）钢管混凝土劲性骨架拱桥在钢管混凝土劲性骨架拱桥中，钢管混凝土是在钢管内灌注混凝土后，再挂模板外包混凝土形成断面。

钢管表面不外露，由混凝土包裹。

我国已建成的这类桥梁有：主跨为117.8m的四川内江新龙坳箱肋拱桥，1994年建成；主跨为310.1m的广西邕宁邕江箱肋拱桥，1996年建成；主跨为130.0m的江西德兴太白刚架拱桥，1996年建成；主跨为170.0m的四川盐源金河雅砻江大桥，1996年建成；主跨为160.0m的攀枝花金沙江箱肋拱桥，1995年建成；四川万县钢筋混凝土拱桥示意图二、拱桥设计1 结构型式钢管混凝土拱桥的结构型式有上承式拱桥、中承式拱桥、下承式拱桥三种，中承式拱桥和下承式拱桥还按是否设有系杆，划分为：中承式拱桥、中承式系杆拱桥下承式拱桥、下承式系杆拱桥2主拱断面形式（1）肋拱钢管混凝土拱桥中，肋拱桥数量最多。

常用截面形式主要有单圆式和哑铃式。

但也有扁圆式，如浙江义乌的篁圆桥；箱形式，如广东中山二桥。

集束钢管式，如四川峡门口乌江大桥。

（2）桁拱桥桁拱桥是指主拱圈由多根圆钢管混凝土用缀条联系组成，有双肢、三肢和多肢的桁式截面、横哑铃式截面和多肢与横哑铃混合的桁式截面，如下图所示。

这种桁拱桥的主拱圈自重轻，截面抗弯效率高，跨越能力强，跨径一般在100米以上。

黑龙江依兰牡丹江大桥，净跨径100米中承式拱桥，采用三肢桁式截面，取消中间风撑；广东南海三山西桥，跨径为200m的自锚式钢管混凝土拱桥，拱圈采用双哑铃或四枝肢桁式截面；广州丫髻沙大桥，跨径为76 m +360 m+76 m的自锚中承式钢管混凝土拱桥，拱圈为六枝肢桁式截面；河南安阳文峰路立交桥，跨径150m，主拱圈为混合桁式截面；三、设计计算方法钢管混凝土拱桥设计计算的内容主要有：1．内力计算（1）荷载横向分布计算双肋拱：采用杠杆原理法多肋拱：采用弹性支承连续横梁法（2）复合材料的应力计算选择合适的三向受力的钢管和混凝土的本构关系，进行材料非线性分析。

（3）恒载应力计算因钢管混凝土拱桥中恒载加载是分阶段进行的，其计算方法有应力叠加法和内力叠加法两种。

内力叠加法计算偏于不安全，而应力叠加法则偏于保守。

目前采用折衷方法是：施工阶段采用应力叠加法，成桥后采用内力叠加法。

2．承载能力验算拱是压弯结构，承载力验算有稳定验算和强度验算。

钢管混凝土拱的稳定问题有第一类稳定问题和第二类稳定问题。

失稳模态有平面内失稳和平面外失稳，受力阶段分施工阶段和使用阶段。

在施工阶段，以面外第一类稳定问题为突出，可用求特征值的方法求临界荷载。

拱的面内第二类稳定问题计算非常复杂。

3．温度应力计算拱的温度应力计算，关键是非线性温度场的确定。

环境温度对钢管混凝土的极限承载能力的影响，温升时钢管紧箍力下降，极限承载力也下降，反之亦然。