一种反扣索加强型大跨径悬索桥及合理成桥状态确定方法与流程

1.本发明属于桥梁工程技术领域，涉及一种反扣索加强型大跨径悬索桥及合理成桥状态确定方法。


背景技术：

2.悬索桥是由塔、梁、索和基础共同受力的缆索承重桥梁，具有跨越能力大、受力明确、力学性能好的特点。近年来，悬索桥在我国得到了越来越广泛的应用，已有西堠门大桥、润扬长江公路大桥、江阴长江公路大桥等一大批悬索桥。然而，尽管我国在悬索桥的建设上取得了不小的成就，但是对于某些结构性能方面的研究还有待提升。随着悬索桥跨径的不断增加，其抗扭刚度明显下降，大跨径悬索桥的抗风稳定性问题不可忽视。
3.大跨径悬索桥有三类改善结构抗风性能的方法：改善断面气动性能、控制结构振动特性和改变结构体系。对于大跨径悬索桥，前两种方法改进结构抗风稳定性的效果非常有限。在改变结构体系方面，国内外已有一批专家学者研究了悬索桥受力状态的优化，但研究的对象任大多局限于部分构件尺寸或主缆索力，而系统地对悬索桥的整体加劲的理论与方法的研究较少。
4.设置加劲索改善结构抗风性能是一种典型的优化措施。但目前的研究方向主要是针对四分点加劲、桥塔加劲索等，在悬索桥主梁上附加地锚式拉索起到加强结构抗风稳定性的作用。此种措施在人行悬索桥应用的较多，是因为此种拉索仅作为加强构件，未对结构体系产生较大影响。相应地，也限制了此种措施在大跨径悬索桥中的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服传统悬索桥结构体系存在的抗风稳定性问题，提供一种反扣索加强型大跨径悬索桥及合理成桥状态确定方法。本发明利用反扣索进行整体加劲，并提供了反扣索加强型悬索桥结构的合理成桥状态确定方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种反扣索加强型大跨径悬索桥，该悬索桥包括支座、设置在支座上的主梁、设置在主梁两侧的桥塔、设置在主梁上并与桥塔相适配的主缆结构以及设置在主梁下方并与主梁相适配的反扣索结构。
8.进一步地，所述的支座共设有多个，并分别位于主梁的底部两侧。
9.进一步地，所述的桥塔共设有两个，并分别位于主梁的两侧。
10.进一步地，所述的主缆结构包括设置在两个桥塔之间并沿主梁长度方向延伸的主缆以及多个设置在主缆与主梁之间的吊杆，所述的主缆的两端穿过桥塔上并通过锚碇固定。
11.进一步地，所述的反扣索结构包括设置在主梁下方并沿主梁长度方向延伸的反扣索以及多个设置在反扣索与主梁之间的抗风拉索，所述的反扣索的两端通过锚碇固定在山体等位置。
12.进一步地，所述的主缆向下拱起，所述的反扣索向上拱起。相比一般的悬索桥结构体系，在主梁下方设置有反扣索，与主缆呈类似对称布置，故名“反扣索”，主要作用是约束主梁在风荷载作用下的变形，提高结构的抗风稳定性。反扣索与水平面存在一定倾角，优选为30
°
。
13.优选地，反扣索与主缆采用的材料相同，一般采用大直径高强度的镀锌钢丝绳，但每根反扣索中只需布置1至2根镀锌钢丝绳即可。
14.进一步地，多个吊杆平行设置，多个抗风拉索平行或交叉设置。吊杆上端与主缆相连，下端与主梁相连，采用平行布置形式；抗风拉索上端与主梁相连，下端与反扣索相连，可采用平行或交叉布置形式。
15.优选地，抗风拉索在主梁上左右两侧第一段间隔较大，优选为吊杆布置间距的3倍，中间部分的间隔稍小，优选为吊杆布置间距的2倍，在梁端一定范围内没有布置抗风拉索。
16.进一步地，所述的反扣索在竖直平面内的矢高与主缆的矢高相同，所述的反扣索的纵向跨径小于主缆的纵向跨径。
17.进一步地，所述的反扣索结构共设有两个，并对称分布。反扣索索面与竖直面存在一定夹角，左右对称布置。
18.相比一般的悬索桥结构体系，本发明在主梁下方设置有反扣索，与主缆呈类似对称布置，主要作用是约束主梁在风荷载作用下的变形，提高结构的抗风稳定性。与传统结构体系相比，反扣索可以提高整个结构的横向刚度，确保在最大风荷载的作用下结构仍能处于正常工作状态，使风荷载作用下主梁的横向位移明显降低；此外，反扣索也使活载作用下结构竖向刚度有所增加，结构经济跨径得以增大，技术、经济和社会效益显著。
19.对于大跨径悬索桥，单靠附加的抗风拉索对结构体系的改善作用有限，而若是增加抗风拉索的数量则必须研究其对整个结构体系的影响，重新确定悬索桥的合理成桥状态。
20.因此，本发明同时提供了一种反扣索加强型大跨径悬索桥的合理成桥状态确定方法，该方法为：在确定悬索桥合理成桥状态时，将反扣索结构的作用力等效为施加在主缆结构的竖向作用力，然后将整体分为主缆结构及反扣索结构分开考虑，找到各自的平衡态之后再进行组合。
21.在悬索桥设计中确定合理成桥状态极为重要，对于本发明的反扣索加强型大跨径悬索桥结构体系，确定合理成桥状态的方法也不同于常规体系。将反扣索结构的作用力等效为施加在主缆结构的竖向作用力，然后把模型整体划分为主缆结构以及反扣索结构分开考虑，找到各自的平衡态之后再进行组合。除了要考虑反扣索对主梁的竖向约束力，还要注意反扣索不是沿主梁通长布置，需分别考虑反扣索结构连接段和未连接段的竖向荷载，保证二期恒载、反扣索结构竖向力以及主梁自重三者之和共同作用在主梁上，使精确平衡分析结果收敛。
22.为了确保在最大风荷载的作用下结构仍能处于正常工作状态，可以认为全桥的水平风荷载全部由反扣索结构承担，由此来确定抗风拉索和反扣索中的初张力。将抗风拉索提供的竖向力约束力当作荷载反向施加在主梁上，通过迭代计算即可完成反扣索结构的精确平衡分析。在找到两个部分的合理成桥状态之后，将两个模型融合到一起，同时注意到两
个模型中都考虑了抗风拉索的竖向分力，但方向相反，恰好抵消，所以在桥面荷载中不需要再特别关注抗风拉索的竖向分力荷载。因此模型融合后就已经初步确定了整体结构中的内力，接下来通过精确平衡分析以及成桥阶段模拟即可找到反扣索加强型悬索桥的合理成桥状态。
23.本发明建立的合理成桥状态确定方法实施方便，且具有很高的精度。相比原结构体系，反扣索能够在很大程度上约束风荷载作用下主梁的侧向位移，改善主梁的受力状态；且对于活载作用下，反扣索还可以对主梁的竖向位移起到一定的限制作用。
24.与现有技术相比，本发明具有以下特点：
25.1)通过反扣索结构对主梁的约束作用，形成了一种新的加强型结构形式，有效改善结构的抗风稳定性，发展了大跨径悬索桥结构体系。
26.2)反扣索和桥面系之间通过抗风拉索连接起来，并向桥面系传递竖向力、水平力。全桥的水平风荷载全部由反扣索结构承担，提高整个结构的横向刚度，确保在最大风荷载的作用下结构仍能处于正常工作状态。
27.3)与传统结构体系相比，风荷载作用下主梁的横向位移明显降低。
28.4)反扣索使活载作用下结构竖向刚度有所增加，结构经济跨径得以增大，技术、经济和社会效益显著。
附图说明
29.图1为实施例中反扣索加强型大跨径悬索桥的主视结构示意图；
30.图2为实施例中反扣索加强型大跨径悬索桥的俯视结构示意图；
31.图中标记说明：
32.1—桥塔、2—主梁、3—主缆、4—吊杆、5—反扣索、6—抗风拉索、7—锚碇、8—支座。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
34.本发明提供了一种反扣索加强型大跨径悬索桥，包括支座8、设置在支座8上的主梁2、设置在主梁2两侧的桥塔1、设置在主梁2上并与桥塔1相适配的主缆结构以及设置在主梁2下方并与主梁2相适配的反扣索结构。
35.其中，支座8共设有多个，并分别位于主梁2的底部两侧。桥塔1共设有两个，并分别位于主梁2的两侧。
36.主缆结构包括设置在两个桥塔1之间并沿主梁2长度方向延伸的主缆3以及多个设置在主缆3与主梁2之间的吊杆4，主缆3的两端穿过桥塔1上并通过锚碇7固定。反扣索结构包括设置在主梁2下方并沿主梁2长度方向延伸的反扣索5以及多个设置在反扣索5与主梁2之间的抗风拉索6，反扣索5的两端通过锚碇7固定。
37.主缆3向下拱起，反扣索5向上拱起。多个吊杆4平行设置，多个抗风拉索6平行或交叉设置。反扣索5在竖直平面内的矢高与主缆3的矢高相同，反扣索5的纵向跨径小于主缆3
的纵向跨径。反扣索结构共设有两个，并对称分布。
38.本发明同时提供了上述反扣索加强型大跨径悬索桥的合理成桥状态确定方法，该方法为：在确定悬索桥合理成桥状态时，将反扣索结构的作用力等效为施加在主缆结构的竖向作用力，然后将整体分为主缆结构及反扣索结构分开考虑，找到各自的平衡态之后再进行组合。
39.实施例：
40.本实施例的反扣索加强型大跨径悬索桥如图1、图2所示，包括桥塔1、主梁2、主缆3、吊杆4、反扣索5、抗风拉索6、锚碇7等构件，主缆3和反扣索5两端通过锚碇7固定，在主梁2两侧下方对称设有若干支座8。
41.主缆3矢高20m，跨度248m，采用7根公称直径48mm镀锌钢丝绳；反扣索5跨度186m，竖直平面内矢高20m，水平面内矢高19.28m，为左右各1根48mm镀锌钢丝绳对称布置，与水平面倾角为30
°
。吊杆4上端与主缆3相连，下端与主梁2相连，布置间距为3m，采用平行布置形式；抗风拉索6上端与主梁2相连，下端与反扣索5相连，采用交叉布置形式，在主梁2上左右两边第一段间隔为9m，中间部分的间隔为6m，在梁端51m范围内没有布置拉索。
42.确定合理成桥状态时，首先建立主缆结构模型，重点在于找到主缆3的初始平衡状态，此时要考虑反扣索结构对主梁2的竖向约束力。接着进行悬索桥的精细平衡分析，首先完善桥塔顶部约束，接着添加二期恒载以及反扣索结构对主缆结构的竖向力，要保证二期恒载、反扣索结构竖向力以及主梁2自重三者之和共同作用在主梁2上，最后确定模型中需要迭代计算的节点组，即主缆3上除去桥塔顶部的点和锚固点，即可得到悬索桥部分的合理成桥状态。
43.同样的，建立反扣索结构有限元模型并根据前述方法可以找到反扣索结构的合理成桥状态，进行精确平衡分析，主梁2弯矩状态在有连接抗风拉索6区段与多点支承连续梁的弯矩状态接近，在无抗风拉索6连接段的弯矩也在可接受范围之内。
44.最后将两个模型融合到一起，在之前的计算过程中主缆结构和反扣索结构中已经存在对应的力和位移数据，所以在桥面荷载中不需要再次考虑抗风拉索6的竖向分力荷载。模型融合之后再次进行精确平衡分析及通过模拟成桥阶段的内力状态验算精确平衡分析结果，并且主梁2的弯矩状态接近多点支承连续梁的弯矩状态，说明已经找到了该桥的合理成桥状态。
45.反扣索加强型悬索桥结构体系的加强原理为：反扣索5和主梁2之间通过抗风拉索6连接起来，并向主梁2传递竖向力、水平力。全桥的水平风荷载全部由反扣索5和抗风拉索6承担，提高整个结构的横向刚度。相比无反扣索结构的常规体系，结构的横向抗风性能有很大提升，同时主梁2的受力状态改善也大大改善。反扣索5对主梁2的侧向位移起到了明显的约束作用。此外，对于主梁2在活载作用下的竖向变形，反扣索5也能起到一定的约束作用。
46.本发明适用于大跨径悬索桥，通过这种反扣索加强型结构体系，提高了整个结构的横向刚度，改善了结构的抗风稳定性，扩大了悬索桥的经济跨径和适用范围。与传统的悬索桥体系相比，可以改善结构性能，降低对主梁2气动外形和抗扭刚度的要求，提高桥梁美观效果，技术、经济和社会效益显著。
47.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般
原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。