一种鱼腹式悬索桥体系及其设计与施工方法与流程

1.本发明涉及悬索桥的技术领域，特别是涉及一种鱼腹式悬索桥体系及其设计与施工方法。


背景技术：

2.随着经济的发展和科技水平的提升，现在的桥梁不仅需要满足通行功能，还要兼顾建筑的美感。
3.传统的桥梁结构形式较为经典和单一，已经很难满足人们对于造型美观的需求。现在有些桥梁甚至要求带有景观和娱乐的属性，其要求桥梁的跨越能力更强，要求桥梁的造型更加轻盈灵动。如何解决大跨度悬索桥的受力，平衡悬索桥力学与美学之间的关系，一直是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种鱼腹式悬索桥体系及其设计与施工方法，具有跨越能力强，造型轻盈灵动；能够平衡悬索桥力学与美学之间的关系，使得整个结构体系受力更加合理，经济美观；安全性好、成本低、施工效率高的优点。
5.解决的技术问题是：如何解决大跨度悬索桥的受力，平衡悬索桥力学与美学之间的关系。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明一种鱼腹式悬索桥体系，包括主索、桥面索、吊索、背索、撑杆、桥面梁、桥面板、拉索/拉杆和梭形柱；所述主索共两束，分别位于整个桥面沿跨度方向中心线的左右两侧，单束主索曲线呈下凹型抛物线，单束主索的两端分别与梭形柱铰接连接；所述梭形柱共四根，分别位于整个桥面沿跨度方向和沿桥面方向中心线的两侧；所述背索共八根，每根所述梭形柱与两根背索相连接，所述背索的另一端采用完全重力式锚碇或重力式嵌岩锚碇；所述桥面索共两束，分别位于整个桥面中心线的左右两侧，单束桥面索曲线呈上凸型抛物线，单束桥面索的两端分别采用完全重力式锚碇或重力式嵌岩锚碇，所述主索与桥面索在同一平面内，且相互交叉形成两个交点，所述主索与桥面索在交点与端点之间通过吊索连接，所述主索与桥面索在两个交点之间通过撑杆连接；所述桥面索之间通过桥面梁进行连接；所述主索之间于主索与桥面索的两个交点范围内通过拉索/拉杆连接；所述桥面梁上铺设桥面板。
7.本发明一种鱼腹式悬索桥体系，进一步的，还包括辅助连接构件，所述辅助连接构件为护栏。
8.本发明一种鱼腹式悬索桥体系，进一步的，两根所述背索的底面投影线之间的夹
角为90
°‑
180
°
。
9.本发明一种鱼腹式悬索桥体系，进一步的，所述主索与桥面索的交点距端点的距离占总长的比例为0.1
‑
0.7。
10.本发明一种鱼腹式悬索桥体系，进一步的，所述主索与桥面索形成的平面与垂直面构成夹角，夹角范围30
°‑
120
°
。
11.本发明一种鱼腹式悬索桥体系，进一步的，相邻所述吊索之间的垂直间距为1
‑
10m，相邻所述撑杆之间的垂直间距为1
‑
10m。
12.本发明一种鱼腹式悬索桥体系，进一步的，所述桥面梁两端的连接节点为桥面索与主索之间构件的连接节点。
13.本发明一种鱼腹式悬索桥体系，进一步的，所述拉索两端的连接节点为主索与撑杆之间的连接节点。
14.本发明一种鱼腹式悬索桥体系的设计方法，包括以下步骤：步骤1：确定鱼腹式悬索桥的跨度l，桥面最小宽度b；步骤2：设定桥面索的上凸抛物线曲线为y1=
‑
（4c/l2）x
12
c,坐标原点为桥面索两端点连线的中点，桥面索所在平面水平向为x轴，竖直向为y轴，c为桥面索的矢高，取值范围为10m
‑
40m；步骤3：设定主索的下凹抛物线曲线为y2=
‑
（4d/l2）x
22
d，坐标原点为主索两端点连线的中点，主索所在平面水平向为x轴，竖直向为y轴，d为主索的矢高，取值范围为10m
‑
40m；步骤4：设定桥面索和主索构成的平面与垂直面的夹角θ，取值范围为30
°‑
60
°
；步骤5：设定吊索所在平面的水平间距为e，取值范围为2m~10m；设定撑杆所在平面的水平间距为f，取值范围为2m~10m；桥面梁或拉索之间的间距与吊索或撑杆的间距相一致；步骤6：按照相应的参数初始值和不同的c，d，θ组合确定鱼腹式悬索桥初始几何构型，并建立对应的三维几何模型；步骤7：选择主索、桥面索数量初始值，并选择主索、桥面索、吊索、拉索的截面直径初始值；步骤8：选定桥面梁、撑杆的截面尺寸初始值，取值范围可按照国家标准截面库进行选取；步骤9：采用有限元设计分析软件对初始条件的三维结构模型进行结构分析设计，考虑恒荷载、人群荷载、地震作用、风荷载、温度荷载，相应的荷载及地震作用按照实际情况和国家相关规定选取；步骤10：选定主索初始索力f，桥面索初始索力为0kn，拉索/拉杆的初始索力为0kn，吊索的初始索力为0kn；步骤11：对鱼腹式悬索桥进行结构分析，得到结构在以人群荷载为主的一系列荷载组合作用下的最大竖向挠度u0，结构在以风荷载为主的一系列荷载组合作用下的最大横向位移为u1；如果u0大于结构计算跨度的1/250，返回步骤10，增大主索和桥面索索力；如果u1大于结构计算跨度的1/150，返回步骤10，增大主索和桥面索索力；如果u0小于结构计算跨度的1/250且u1于结构计算跨度的1/150，进入步骤12；
步骤12：提取结构计算结果，得到主索最大应力σ
s1
、桥面索的最大应力σ
s2
、吊索最大应力σ
s3
、拉索最大应力σ
s4
，判断主索、桥面索、吊索、拉索的最大应力σ
si
，如果σ
s1
和/或σ
s2
小于索绳的最小允许应力，则应返回步骤7，减少对应的主索和/或桥面索的直径；如果σ
s3
和/或σ
s4
小于索绳的最小允许应力，则应返回步骤7，减少吊索和/或拉索/拉杆的直径，或返回步骤5，增大吊索和/或拉索/拉杆的垂直间距；如果σ
s1
和/或σ
s2
大于索绳的最大应力，则应返回步骤7，增大主索和/或桥面索的直径；如果σ
s3
和/或σ
s4
大于索绳的最大应力，则应返回步骤7，增大吊索和/或拉索/拉杆的直径，或返回步骤5，减小吊索和/或拉索/拉杆的垂直间距；如果σ
s1
、σ
s2
、σ
s3
、σ
s4
在索绳的最小允许应力和最大允许应力之间，则进行步骤13, 其中索绳的最小应力为501mpa，最大应力为668mpa；步骤13：桥面梁和撑杆共计n根，桥面梁或者撑杆的编号为i，提取结构计算结果，得到第i根桥面梁或者撑杆的最大应力比为k
bi
。判断每根桥面梁或者撑杆的最大应力比k
bi
，如果k
bi
＜0.5，则应返回步骤8，减少对应的桥面梁或者撑杆的截面，或返回步骤5，增大桥面梁的垂直间距；如果k
bi
＞1，则应返回步骤8，增大对应的桥面梁或者撑杆的截面，或返回步骤5，减小桥面梁的垂直间距；如果0.5＜k
bi
＜1，则完成分析计算;步骤14：统计多种组合下鱼腹式悬索桥的用钢量q
i
，比较不同几何造型的用钢量大小，选用用钢量最小的鱼腹式悬索桥造型。
15.本发明一种鱼腹式悬索桥体系的施工方法，包括以下步骤：步骤1：鱼腹式悬索桥两侧场地平整，在场地一侧设置牵引设备；步骤2：安装4个梭形柱和施工用的临时塔架，并分别在梭形柱后面设置背索，施工用临时塔架后设置钢拉杆；步骤3：在临时塔架之间安装施工用缆索；以施工用缆索为索道，索道上布置施工用吊索，可依据需要吊装的索重量调整施工用吊索间距；步骤4：将主索索头放置于施工用塔架顶，并与施工用吊索连接，以缆索为索道，以牵引设备作为牵引动力，完成主索的施工牵引，完成后，将主索从塔架顶滑移到梭形柱顶，并与梭形柱铰接连接；步骤5：将桥面索索头放置于塔架顶，并与施工用吊索连接，以缆索为索道，以牵引设备作为牵引动力，完成桥面索的施工牵引，完成后，将桥面索索头与基础锚定；步骤6：在主索上搭建施工工作平面，通过调整施工用吊索的长度将桥面索吊挂在设计位置，并通过施工用缆索运输撑杆，完成撑杆的安装；步骤7：在撑杆安装完成后，通过缆索运输吊索，完成吊索的安装；步骤8：在吊索安装完成后，从主索与桥面索相交叉位置处为起点分别向端部和中心点处安装桥面梁；步骤9：完成桥面板的铺装；步骤10：拆除施工用设施，完成鱼腹式悬索桥体系施工。
16.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：1、 本技术鱼腹式悬索桥体系造型美观，结构轻盈，实现了力学和美学的统一；2、 本技术悬索桥体系的设计方法，运用该设计方法可使结构的造型和经济处于更优的状态；3、 本技术悬索桥体系的施工方法，运用该施工方法，可适用各种不利地形条件，
完成鱼腹式悬索桥体系的施工。
17.下面结合附图对本发明的作进一步说明。
附图说明
18.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的跨中结构示意图；图3为本发明的端部结构示意图；图4为本发明桥面索或背索重力式嵌岩锚碇；图5为本发明梭形柱连接示意图；图6为本发明桥面梁和撑杆连接节点示意图；图7为本发明桥面梁和吊索连接节点示意图；图8为本发明施工安装结构示意图。
19.附图标记：1、主索；2、桥面索；3、吊索；4、背索；5、撑杆；6、桥面梁；7、桥面板；8、拉索/拉杆；9、梭形柱；10、临时塔架；11、钢拉杆；12、缆索。
具体实施方式
20.结合图1
‑
图7，本发明公开一种鱼腹式悬索桥体系及其设计与施工方法，悬索桥体系包括包括主索1、桥面索2、吊索3、背索4、撑杆5、桥面梁6、桥面板7、拉索/拉杆8、梭形柱9以及辅助连接构件。
21.主索1共2束，分别位于整个桥面沿跨度方向中心线的左右两侧，单束主索1曲线呈下凹型抛物线，单束主索1的两端分别与梭形柱9柱顶铰接连接；单束主索1可以为单根预应力钢绞线或多根平行的预应力钢绞线组成，预应力钢绞线也可替换为钢丝绳和/或密闭索。
22.梭形柱9共有4根，分别位于整个桥面沿跨度方向和沿桥面方向中心线的两侧，梭形柱9与基础为铰接连接，梭形柱9基础为柱下独立基础或桩基础。梭形柱9其造型为梭形，呈现出顶端和底端截面较细，中间截面较粗的外形；单个梭形柱9的形式可以为变截面格构式钢柱或变截面钢管混凝土柱或变截面混凝土柱或变截面钢管柱；梭形柱9也可为传统的方形混凝土柱和/或圆形混凝土柱或箱型钢管柱或圆形钢管柱或箱型钢管混凝土柱或圆形钢管混凝土柱。
23.背索4共有8根，每根梭形柱9与2根背索4相连接，两根背索4的底面投影线之间的夹角为90
°
~180
°
，优选120
°
；背索4的一端与单根梭形柱9柱顶铰接连接，另一端采用完全重力式锚碇或重力式嵌岩锚碇。背索4可以为单根预应力钢绞线或多根平行的预应力钢绞线组成，预应力钢绞线也可替换为钢丝绳、密闭索。
24.桥面索2共2束，分别位于整个桥面中心线的左右两侧，单束桥面索2曲线呈上凸形抛物线，单束桥面索2的两端分别采用完全重力式锚碇或重力式嵌岩锚碇，单束桥面索2可以为单根预应力钢绞线或多根平行的预应力钢绞线组成，桥面索2也可为钢丝绳、密闭索。主索1与桥面索2在同一平面内，且相互交叉形成2个交点，交点距端点的距离占总长的比例为0.1~0.7，优选的该比例为0.33；主索1与桥面索2形成的平面与垂直面构成一定的夹角，夹角取值范围为30
°
~120
°
，优选的该夹角为45度。
25.主索1与桥面索2在交点与端点之间通过吊索3进行连接。吊索3和主索1与桥面索2在同一个平面内，相互之间的垂直间距为1m~10m，优选2m；吊索3可以为单根预应力钢绞线或多根平行的预应力钢绞线组成，预应力钢绞线也可替换为钢丝绳、密闭索。
26.主索1与桥面索2在2个交点之间通过撑杆5进行连接。撑杆5和主索1与桥面索2在同一个平面内，相互之间的垂直间距为1m~10m，优选2m；撑杆5的截面为h型或箱型或圆形，优选的可为圆形钢管。
27.桥面索2之间通过桥面梁6进行连接，桥面梁6截面为h型或箱型或圆形，优选的可为箱型；桥面梁6的两端连接节点为桥面索2与主索1之间的连接节点。
28.主索1之间只在交点之间通过拉索/拉杆8进行连接，拉索/拉杆8的两端连接节点为主索1与撑杆5之间的连接节点，拉索可以为单根预应力钢绞线或多根平行的预应力钢绞线组成，预应力钢绞线也可替换为钢丝绳、密闭索。
29.桥面板7铺设在桥面梁6上，其可以为钢化玻璃、金属面板、钢格栅、木结构踏步板等轻质承重板。
30.辅助连接构件为护栏，安装在桥面板7长度方向的两侧。
31.一种鱼腹式悬索桥体系的设计方法，包括以下步骤：步骤1：根据使用的需求确定鱼腹式悬索桥的跨度l，桥面最小宽度b。
32.步骤2：设定桥面索2的上凸抛物线曲线为y1=
‑
（4c/l2）x
12
c,坐标原点为桥面索2两端点连线的中点，桥面索2所在平面水平向为x轴，竖直向为y轴，c为桥面索2的矢高，取值范围为10m
‑
40m，本实施例中，选择桥面索2的矢高的初始值为10m，在10m，20m，30m，40m范围取值。
33.步骤3：设定主索1的下凹抛物线曲线为y2=
‑
（4d/l2）x
22
d，坐标原点为主索1两端点连线的中点，主索1所在平面水平向为x轴，竖直向为y轴，d为主索1的矢高，取值范围为10m
‑
40m；本实施例中，选择主索1矢高初始值为10m，在10m，20m，30m，40m范围取值。
34.步骤4：设定桥面索2和主索1构成的平面与垂直面的夹角θ，取值范围为30
°‑
60
°
；本实施例中，选择夹角初始值为30
°
，在30
°
,40
°
,45
°
,50
°
,60
°
范围取值。
35.步骤5：设定吊索3所在平面的水平间距为e，初始值为2m，取值范围为2m~10m；设定撑杆5所在平面的水平间距为f，初始值为2m，取值范围为2m~10m；桥面梁6或拉索之间的间距与吊索3或撑杆5的间距相一致。
36.步骤6：按照相应的参数初始值和不同的c，d，θ组合确定鱼腹式悬索桥初始几何构型，并建立对应的三维几何模型。
37.步骤7：选择单束主索1数量初始值为1，截面直径初始值为40mm，桥面索2的数量初始值为1，截面直径初始值为30mm，吊索3的截面直径初始值为20mm，拉索/拉杆8的截面直径初始值为12mm，索绳直径取值范围为12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm、32mm、36mm、40mm、44mm、48mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、105mm、110mm、115mm、120mm、125mm、130mm、135mm、140mm。
38.步骤8：桥面梁6截面为h型、箱型或者圆形，以箱型为例进行说明，选定桥面梁6截面初始值为宽：高：翼缘厚度：腹板厚度=100mm：100mm：8mm：8mm，取值范围可按照国家标准截面库进行选取。撑杆5的截面为h型或箱型或圆形，以圆形为例进行说明，截面初始值为直径：壁厚=100mm：8mm，取值范围可按照国家标准截面库进行选取。
39.步骤9：采用有限元设计分析软件对初始条件的三维结构模型进行结构分析设计，考虑恒荷载、人群荷载、地震作用、风荷载、温度荷载，相应的荷载及地震作用按照实际情况和国家相关规定选取。
40.步骤10：选定主索1初始索力f，本实施例中f选定为1440kn，取值范围为140kn~16680kn；桥面索2初始索力为0kn，取值范围为0kn~16680kn；拉索/拉杆8的初始索力为0kn，取值范围为0kn~16680kn；吊索3的初始索力为0kn，取值范围为0kn~16680kn。
41.步骤11：对鱼腹式悬索桥进行结构分析，得到结构在以人群荷载为主的一系列荷载组合作用下的最大竖向挠度u0，结构在以风荷载为主的一系列荷载组合作用下的最大横向位移为u1；如果u0大于结构计算跨度的1/250，返回步骤10，增大主索1和桥面索2索力；如果u1大于结构计算跨度的1/150，返回步骤10，增大主索1和桥面索2索力；如果u0小于结构计算跨度的1/250且u1于结构计算跨度的1/150，进入步骤12；步骤12：提取结构计算结果，得到主索1最大应力σ
s1
、桥面索2的最大应力σ
s2
、吊索3最大应力σ
s3
、拉索最大应力σ
s4
，判断主索1、桥面索2、吊索3、拉索的最大应力σ
si
，如果σ
s1
和/或σ
s2
小于索绳的最小应力，则应返回步骤7，减少对应的主索1和/或桥面索2的直径；如果σ
s3
和/或σ
s4
小于索绳的最小应力，则应返回步骤7，减少吊索3和/或拉索/拉杆8的直径，或返回步骤5，增大吊索3和/或拉索/拉杆8的垂直间距；如果σ
s1
和/或σ
s2
大于索绳的最大应力，则应返回步骤7，增大主索1和/或桥面索2的直径；如果σ
s3
和/或σ
s4
大于索绳的最大应力，则应返回步骤7，增大吊索3和/或拉索/拉杆8的直径，或返回步骤5，减小吊索3和/或拉索/拉杆8的垂直间距；如果σ
s1
、σ
s2
、σ
s3
、σ
s4
在索绳的最小应力和最大应力之间，则进行步骤13；其中索绳的最小应力为501mpa，最大应力为668mpa。
42.步骤13：桥面梁6和撑杆5共计n根，桥面梁6或者撑杆5的编号为i，提取结构计算结果，得到第i根桥面梁6或者撑杆5的最大应力比为k
bi
。判断每根桥面梁6或者撑杆5的最大应力比k
bi
，如果k
bi
＜0.5，则应返回步骤8，减少对应的桥面梁6或者撑杆5的截面，或返回步骤5，增大桥面梁6的垂直间距；如果k
bi
＞1，则应返回步骤8，增大对应的桥面梁6或者撑杆5的截面，或返回步骤5，减小桥面梁6的垂直间距；如果0.5＜k
bi
＜1，则完成分析计算。
43.步骤14：统计多种组合鱼腹式悬索桥的用钢量q
i
，比较不同几何造型的用钢量大小，选用用钢量最小的鱼腹式悬索桥造型。
44.经过上述优化得到实施例如下：悬索桥总跨度380m，桥面最小宽度2m；单束主索1选用两根预应力钢绞线，单根直径为130mm；梭形柱9采用圆形钢管混凝土柱，钢管截面外径：壁厚=2m：0.02m，内部灌注混凝土，混凝土材料为c60；桥面索2选用单根预应力钢绞线，直径为120mm；背索4选用三根平行预应力钢绞线，截面直径为140mm；主索1与桥面索2的交点距端点的距离为90m，交点距端点的距离占总长的比例为0.24；主索1与桥面索2形成的平面与垂直面构成的夹角为45
°
；吊索3相互之间的垂直间距为5m，吊索3选用单根预应力钢绞线，截面直径40mm；撑杆5相互之间的垂直间距为5m，撑杆5的截面选用圆形钢管，截面外径：壁厚=
300mm：15mm；桥面梁6选择箱型钢管，截面为宽：高：翼缘厚：腹板厚=300mm：600mm：20mm：20mm；拉索选用单根预应力钢绞线，截面直径为16mm；桥面索2的上凸抛物线曲线为y1=
‑
2.77
×
10
‑4x
12
50；主索1的下凹抛物线曲线为y2=
‑
2.77
×
10
‑4x
22
50。
45.参照图8，一种鱼腹式悬索桥体系的施工方法，包括以下步骤：步骤1：完成鱼腹式悬索桥两侧场地平整，在场地一侧设置15t~20t的卷扬机。
46.步骤2：安装4个梭形柱9和施工用的临时塔架10，并分别在梭形柱9后面设置背索4，施工用临时塔架10后设置钢拉杆11；塔架可以为钢结构格构式柱或混凝土柱。
47.步骤3：安装施工用缆索12，缆索12可为单根预应力钢绞线或多根平行的预应力钢绞线组成，预应力钢绞线也可替换为钢丝绳、密闭索。
48.具体的，缆索12牵引施工包括，采用无人机先牵引较细的钢丝或鱼线到对面，钢丝或鱼线牵引过去后连接更粗的钢丝或鱼线或施工用缆索12，之后采用卷扬机将由细到粗的钢丝或鱼线或施工用缆索12逐步牵引，直至施工用缆索12安装就位。
49.以施工用缆索12为索道，索道上布置施工用吊索3，施工用吊索3间距为2m~10m，可依据需要吊装的索重量调整施工用吊索3间距。
50.步骤4：通过施工用吊索3完成主索1的施工安装，主索1所有连接节点处均设置标记点，便于后续施工安装。
51.具体的，将主索1索头放置于施工用塔架柱顶，并与施工用吊索3相连接，以缆索12为索道，以卷扬机作为牵引动力，完成主索1的施工牵引。将主索1通过滑移施工用缆索12，从施工用塔架顶滑移到梭形柱9柱顶，并与梭形柱9通过耳板和高强螺栓铰接连接。
52.步骤5：通过施工用吊索3完成桥面索2的施工安装，桥面索2所有连接节点处设有标记点，便于后续施工安装。
53.具体的，将桥面索2索头放置于塔架柱顶，并与施工用吊索3相连接，以缆索12为索道，以卷扬机为牵引动力，完成桥面索2的施工牵引，将桥面索2索头与基础进行铰接连接，索头为可调节式索头。
54.步骤6：在主索1上搭建施工工作平面，通过调整施工用吊索3的长度将桥面索2吊挂在设计位置，并通过施工用缆索12运输撑杆5，完成撑杆5的安装。
55.步骤7：在撑杆5安装完成后，通过施工用缆索12运输吊索3，完成吊索3的安装。
56.步骤8：在吊索3安装完成后，从主索1与桥面索2相交叉位置处为起点分别相端部和中心点处安装桥面梁6。
57.步骤9：完成桥面板7的铺装。
58.步骤10：拆除施工用设施，完成鱼腹式悬索桥体系施工。
59.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。