大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系及其優(yōu)化及創(chuàng)新

1、什么是結(jié)構(gòu)體系？海諾恩格爾“結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載的傳遞方式以及為保持結(jié)構(gòu)內(nèi)部平衡而形成的內(nèi)力狀態(tài)”國內(nèi)學(xué)者“結(jié)構(gòu)主要的受力系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)受力形態(tài)結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)形式(a) 拱(b) 曲梁(c) 彎梁結(jié)構(gòu)受力形態(tài)外界對結(jié)構(gòu)體系的約束主要受力構(gòu)件間的受力分配結(jié)構(gòu)形式梁橋單跨多跨拱橋上乘式中乘式下乘式單承重面斜靠拱連拱斜拉橋獨塔斜拉橋雙塔斜拉橋多塔斜拉橋獨柱斜拉橋雙柱斜拉橋三柱斜拉橋懸索橋獨塔懸索橋雙塔懸索橋多塔懸索橋獨柱懸索橋雙柱懸索橋三柱懸索橋組合體系梁拱組合斜拉-懸索協(xié)作體系梁橋外部約束簡支梁連續(xù)梁固端梁內(nèi)部連接連續(xù)梁T形剛構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)受力分配等截面梁變截面梁拱橋外部約束無鉸拱兩鉸拱無推

2、力拱內(nèi)部連接拱梁固結(jié)拱梁鉸接拱梁自由受力分配剛拱柔梁剛梁柔拱剛拱剛梁斜拉橋外部約束自錨式地錨式部分地錨內(nèi)部連接全飄浮半飄浮塔梁墩固結(jié)塔梁固結(jié)塔墩鉸接受力分配普通斜拉橋矮塔斜拉橋懸索橋外部約束自錨式地錨式內(nèi)部連接雙跨簡支雙跨連續(xù)三跨簡支三跨連續(xù)受力分配剛塔柔塔第一層次第二層次第三層次橋梁梁式橋三跨連續(xù)梁多跨連續(xù)梁外部約束：簡支梁，連續(xù)梁，固端梁；內(nèi)部連接：連續(xù)梁，T形剛構(gòu)，連續(xù)剛構(gòu)剛度分配：等截面梁，變截面梁；拱式橋上承式中承式下承式單承重面斜靠拱連拱外部約束：無鉸拱，兩鉸拱，無推力拱 內(nèi)部連接：雙鉸拱，三鉸拱；拱梁固結(jié)，拱梁鉸接，拱梁自由；剛度分配：剛拱柔梁，剛梁柔拱，剛拱剛梁；等截面拱，變截

3、面拱斜拉橋獨塔斜拉橋雙塔斜拉橋多塔斜拉橋獨柱斜拉橋雙柱斜拉橋三柱斜拉橋外部約束：自錨斜拉橋，地錨斜拉橋，部分地錨斜拉橋內(nèi)部連接：全飄浮體系，半飄浮（支承）體系，塔梁墩固結(jié)體系，塔梁固結(jié)、塔墩鉸接體系剛度分配：普通斜拉橋，矮塔斜拉橋懸索橋單塔懸索橋雙塔懸索橋多塔懸索橋獨柱懸索橋雙柱懸索橋三柱懸索橋外部約束：自錨懸索橋，地錨懸索橋內(nèi)部連接：雙跨簡支懸索橋，雙跨連續(xù)懸索橋，三跨簡支懸索橋，三跨連續(xù)懸索橋剛度分配：剛塔懸索橋，柔塔懸索橋組合體系連續(xù)剛構(gòu)梁拱組合斜拉懸吊協(xié)作體系房屋 適用于大跨度的體系？ 梁橋受力特點豎向荷載作用下無水平反力同跨經(jīng)下，梁橋內(nèi)彎矩最大需用抗彎、抗拉能力強的材料建造傳力路徑最

4、遠拱橋受力特點 承重結(jié)構(gòu)是拱圈或拱肋，豎向荷載作用下，橋墩和橋臺承受水平推力。 拱主要承受壓力，可充分發(fā)揮抗拉性能差而抗壓性能好的圬工材料的作用。 水平力產(chǎn)生的彎矩，基本抵消了在拱內(nèi)由荷載引起的彎矩。 故，不能用超高強材料做為主拱。斜拉橋受力特點由塔柱、主梁和斜拉索三部分組成；斜索對主梁提供多點彈性支承。主要受力構(gòu)件以受拉（拉索）、受壓（梁，橋塔）為主，可充分發(fā)揮材料作用。 塔柱、拉索和主梁構(gòu)成了穩(wěn)定的三角形，形成斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度。懸索橋受力特點 主纜作為主要承重結(jié)構(gòu)豎向荷載作用下，通過吊桿傳遞橋面荷載。主要受力構(gòu)件以受拉為主，可充分發(fā)揮其材料作用。 懸索橋?qū)偃嵝越Y(jié)構(gòu)，外載作用下力與變形之間呈

5、非線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)豎向剛度主要由重力提供。組合體系受力特點（以斜拉懸索協(xié)作體系為例） 綜合兩種體系受力特點。對兩種體系取長補短，提高懸索橋剛度，降低斜拉橋主梁壓力?？稍诓煌糠植捎貌煌牧?，能充分發(fā)揮材料作用。大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)體系拱式體系斜拉體系懸索體系組合體系什么是優(yōu)化純理論優(yōu)化設(shè)立目標函數(shù)（單個的）滿足約束條件求解目標函數(shù)極值min( )( )0( )0iiUf xg xxU為目標函數(shù)，x為設(shè)計變量，gi(x)、i(x)為約束條件。根據(jù)約束條件的存在與否，優(yōu)化理論分為有約束優(yōu)化和無約束優(yōu)化。數(shù)學(xué)規(guī)劃法最優(yōu)準則法仿生學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)件參數(shù)體系優(yōu)化的特點橋梁設(shè)計階段概念設(shè)計初步設(shè)計技術(shù)設(shè)計施工設(shè)計 關(guān)

6、注體系的形式和總體力學(xué)性能。 關(guān)注體系的參數(shù)特性和對體系力學(xué)性能的影響。 關(guān)注細節(jié)設(shè)計和結(jié)構(gòu)安全。 關(guān)注施工方法、施工步驟，工期等。優(yōu)劣評價體系受力性能造價構(gòu)造優(yōu)化 總體力學(xué)性能，動力性能，整體穩(wěn)定性 主要是結(jié)構(gòu)的材料用量和施工費用。 對局部構(gòu)造進行優(yōu)化，達到局部受力或其它性能合理化。河勢航運橋梁方案橋軸線選擇主跨跨徑分孔布局概念生成概念選擇概念設(shè)計設(shè)計原則設(shè)計流程圖選擇滿足橋梁功能、結(jié)構(gòu)、施工、耐久、環(huán)保、經(jīng)濟與美觀要求和設(shè)計原則的最佳設(shè)計。由概念設(shè)計來決定分孔布跨布跨確定后由體系的各種性能決定體系的選擇評判標準（相同的安全度）力學(xué)與經(jīng)濟性能耐久性橋跨布置的靈活性可施工性級結(jié)構(gòu)的剛度下面以纜

7、索承重橋為例，說明體系選擇的思考方法力學(xué)與經(jīng)濟性能圖圖1 1 具有全部受拉構(gòu)件的純纜索體系的基本形式具有全部受拉構(gòu)件的純纜索體系的基本形式懸索橋增設(shè)的加勁梁只起傳力作用，用鋼量一般為420580kg/m2，在2000m跨度內(nèi)用鋼量隨跨徑的變化不大 ；斜拉橋的加勁梁則代替了純纜索體系中的水平索受力），使拉索用鋼量大大降低，僅相當(dāng)于同跨徑懸索橋的60%左右；斜拉橋跨徑小于500m時，主梁軸力對鋼箱梁設(shè)計的影響不明顯，主梁的多功能性提高了斜拉橋的經(jīng)濟性能；在小于400m的跨徑范圍內(nèi)，主梁可以采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；在小于700m的跨徑范圍內(nèi)，可以采用結(jié)合梁，更能夠提高其經(jīng)濟性能；隨著跨徑的進一步增加，

8、主梁軸力迅速增加，軸力引起的應(yīng)力成為加勁梁強度和穩(wěn)定性的控制因素，由此增大了主梁的用鋼量。如蘇通大橋近塔處加勁梁用鋼量超過800kg/m2，從而降低了斜拉橋的經(jīng)濟性能。橋塔的影響從受力上看，地錨懸索橋的塔上不平衡水平力靠塔頂水平變位來實現(xiàn)平衡。只要橋塔具有合適的柔度，便能使橋塔在較均勻的受壓狀態(tài)下工作；斜拉橋塔上不平衡水平力主要由橋塔承擔(dān)，并在塔內(nèi)產(chǎn)生巨大的彎矩，橋塔必須有很好的抗彎能力，因此其橫斷面尺寸較懸索橋大；從橋塔的高度來看，懸索橋塔頂與跨中的高差由矢跨比確定，合理的矢跨比一般為1/91/12；斜拉橋的高差則由最外索與主梁的夾角確定，一般最小取為20左右，相當(dāng)于矢跨比為1/61/5。；

9、可見，斜拉橋的塔高在相同跨度時為懸索橋塔高的1.52.0倍，加上其斷面尺寸較懸索橋大，因此其橋塔造價將高于懸索橋橋塔。錨碇的影響懸索橋主纜需由龐大的錨碇錨固，在陸地上重力式錨碇的造價一般占懸索橋造價的25%左右。如果錨碇需要建在水中，則造價還將大幅增加；斜拉橋的拉索直接分散錨固在梁上，形成自錨體系。在主跨小于約1100m的范圍內(nèi)，相同跨徑的斜拉橋性能優(yōu)于岸上錨碇懸索橋。但隨著跨度的增加，斜拉橋塔、梁的用材指標快速上升，斜拉橋和懸索橋的經(jīng)濟性對比將發(fā)生逆轉(zhuǎn)。從這個意義上看，斜拉橋的跨度適用范圍不是由其極限跨徑確定的，而是由其力學(xué)和經(jīng)濟性能確定的。單位造價隨跨徑變化橋跨布置的影響從布跨上看，懸索橋

10、邊跨布置的靈活性大，除三跨懸索橋外，還可以布置成單跨和雙跨，邊中跨比一般在0.20.5之間。而斜拉橋邊跨要平衡中跨，邊中跨比一般在0.350.5之間。對于主跨相同的兩種橋型而言，斜拉橋的總長度要增加。(a) 單跨懸索橋單跨懸索橋江陰長江大橋江陰長江大橋(b) 雙跨懸索橋雙跨懸索橋舟山西堠門大橋舟山西堠門大橋橋跨布置的影響當(dāng)跨越同一水域時，為了避免水中錨碇，必須增大懸索橋的跨度；而斜拉橋的主跨跨度則可根據(jù)通航要求而定，相對較小。例如，1964年通車的英國Forth懸索橋，為利用地形采用隧道式錨碇，將主跨增加到1006m；由于交通量的增長和主纜鋼絲的腐蝕問題，于2007年決定在Forth橋附近新建

11、一座橋梁代替舊橋，新建方案采用了雙向分孔通航的三塔四跨斜拉橋，跨度為325+650+650+325m，如圖4所示。斜拉橋方案既滿足了通航要求，又減小了主跨跨徑，從而降低了全橋造價。斜拉橋和懸索橋與其它纜索承重橋的比較隨著跨度的增大，要充分利用斜拉橋經(jīng)濟指標有利的一面，就要在結(jié)構(gòu)體系上作變化，通過降低斜拉橋索塔高度，改善其受力性能來降低塔的造價。這樣的體系就是部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系（圖5）。前者可有效降低主梁最大壓力，后者不僅可降低主塔高度，改善主塔受力，同時可以減小主梁壓力，改善總的經(jīng)濟性能。Lac(a) 部分地錨斜拉橋部分地錨斜拉橋(b) 斜斜拉懸吊協(xié)作體系拉懸吊協(xié)作體系斜拉橋和懸

12、索橋與其它纜索承重橋的比較部分地錨斜拉橋和斜拉懸吊協(xié)作體系的結(jié)構(gòu)剛度隨自錨斜拉梁段長度與主跨比例的改變而改變。由于懸索橋與其他體系在1400m附近形成競爭，因此對主跨1400m的纜索承重橋進行分析，從而比較各種體系結(jié)構(gòu)剛度的相對大小。1000140018001200160020006002600300028002200240032003400400200800910o 造 價 /(萬 元 /m )跨 徑 /m 30億/公 里25億 /公 里10億 /公 里巖 石 錨 懸 索 橋岸 上 錨 碇 懸 索 橋淺 水 錨 碇 懸 索 橋深 水 錨 碇 懸 索 橋RC斜 拉 橋結(jié) 合 梁 斜 拉 橋鋼

13、斜 拉 橋部 分 地 錨 斜 拉 橋斜 拉 懸 吊 協(xié) 作 體 系自錨 式 懸索 橋 (L 部分地錨內(nèi)部連接全自錨 部分地錨內(nèi)部受力分配主塔高跨比塔梁連接方式地錨拉索數(shù)量變化（地錨段主梁長度）輔助墩數(shù)量部分地錨式斜拉橋體系優(yōu)化(體系受力性能)活載主梁應(yīng)力 活載主梁位移 極限靜側(cè)風(fēng)主梁側(cè)向位移部分地錨式斜拉橋體系優(yōu)化(體系受力性能)漂浮體系支承體系固結(jié)體系差別不大，可行部分地錨式斜拉橋體系優(yōu)化(體系受力性能)部分地錨式斜拉橋體系優(yōu)化(體系受力性能)優(yōu)化參數(shù)優(yōu)化參數(shù)優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化結(jié)果地錨拉索數(shù)量400800m輔助墩數(shù)量12個塔梁連接采用支承或漂浮主塔高跨比采用較大值錨拉索角度采用較小傾角主梁寬跨比較

14、大值，中央開槽有利主梁高跨比較小值斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化部位面積(m2)主梁斷面A1.7029主梁斷面B1.8632主梁斷面C1.9817與部分地錨相同斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化部位面積(m2)塔頂29.556主塔塔底66.300斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化吊跨比交叉吊索數(shù)斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化恒載下：斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化斜拉懸索協(xié)作體系優(yōu)化吊跨比：交叉吊索數(shù)：在關(guān)鍵參數(shù)取值范圍確定后,再根據(jù)經(jīng)濟性能、施工難易程度等目標，綜合比選，確定最佳體系原始的或突破性的，而且是與核心技術(shù)相關(guān)的。在原有基礎(chǔ)上的局部的量變和改進改進更新創(chuàng)新Why ?Why not ?What if ?成功關(guān)鍵為滿足通航凈

15、空剛度要求為滿足施工要求為使拱橋在軟土地基下合理受力為提高拱橋橫向穩(wěn)定性奠基時期（1660-1765）進步時期（1765-1874）發(fā)展成熟時期（1874-1945）現(xiàn)代橋梁發(fā)展階段（1945- ）5060年代70年代8090年代外部約束創(chuàng)新荷載傳遞方式創(chuàng)新主要構(gòu)件受力分配創(chuàng)新體系之間的組合新材料的應(yīng)用結(jié)構(gòu)外形改變希臘Rion-Antirion橋(約束條件創(chuàng)新)桁架式拱橋固端拱體系天津為軟土地基，結(jié)構(gòu)體系與建橋條件存在矛盾。 為減小常年溫差對結(jié)構(gòu)的影響，需在拱梁連接處設(shè)置牛腿，水平推力只有依靠通長的水平拉索承受，橋面需設(shè)置多道伸縮縫，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，并影響行車舒適度。橋頭建筑需傳遞拱肋上弦的

16、拉力，受力復(fù)雜，體系抗震性能較差。天津國泰橋(荷載傳遞方式創(chuàng)新) 改拱腳處固結(jié)為鉸支，釋放水平方向約束，基礎(chǔ)只受豎向力，水平力由主梁承受。 結(jié)構(gòu)水平方向自由伸縮，因此年溫差對內(nèi)力影響較小，拱梁處采用固結(jié)，橋面無需增設(shè)伸縮縫。 橋頭建筑與主結(jié)構(gòu)分開，僅作景觀，體系抗震性能大大改善。天津國泰橋(荷載傳遞方式創(chuàng)新)a、傳統(tǒng)無背索斜拉橋。b、無背索部分斜拉橋：一部分荷載由斜拉索傳至斜塔，最后傳到基礎(chǔ)；另一部分由主梁傳遞到兩邊基礎(chǔ)。昆山夏家河橋(構(gòu)件受力分配創(chuàng)新)菜園壩大橋(各種體系的組合)菜園壩大橋(各種體系的組合)一對對稱的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu) + 系桿拱組合式剛構(gòu)系桿拱橋組合式剛構(gòu)系桿拱橋伶仃洋大

17、橋方案(各種體系的組合)FRP與鋼組合斜拉索（新材料在橋梁中的應(yīng)用）FRP與鋼組合斜拉索（新材料在橋梁中的應(yīng)用）組合斜拉索的兩種形式CFRP與鋼組合截面斜拉索CFRP與鋼混合斜拉索斜拉索斜拉索斜拉索鋼斜拉索鋼斜拉索鋼斜拉索鋼斜拉索斜拉索斜拉索斜拉索鋼斜拉索組合截面斜拉索組合截面斜拉索鋼斜拉索 組合截面斜拉索組合截面斜拉索FRP與鋼組合斜拉索（新材料在橋梁中的應(yīng)用）GFRP與鋼索粘結(jié)鋼拉索外包FRP管FRP與鋼組合斜拉索（新材料在橋梁中的應(yīng)用）香港九汀橋（綜合創(chuàng)新）斜拉橋斜拉橋瑞典瑞典Strmsund橋橋Franz Dischinger帶掛孔混凝土斜拉橋帶掛孔混凝土斜拉橋 委內(nèi)瑞拉委內(nèi)瑞拉Mar

18、acaibo橋橋Riccardo Morandi提籃提籃拱橋拱橋 Fehmarnsund海峽橋海峽橋Fritz Leonhardt流線形箱梁懸索橋流線形箱梁懸索橋 英國英國Severn橋橋密索體系斜拉橋密索體系斜拉橋 德國德國Friedrich Ebert橋橋無風(fēng)撐斜拉橋無風(fēng)撐斜拉橋 德國德國Knie萊茵河橋萊茵河橋混合橋面斜拉橋混合橋面斜拉橋 德國德國Kurt Schumacher橋橋Fritz Leonhardt懸?guī)驊規(guī)蚋缢惯_黎加科羅拉多橋哥斯達黎加科羅拉多橋林同棪林同棪脊骨梁橋脊骨梁橋美國舊金山機場高架橋美國舊金山機場高架橋傾斜索面斜拉橋傾斜索面斜拉橋 德國德國 Khlbrand橋橋單索面