一种纵向自平衡体系斜拉桥结构及其施工方法与流程

1.本技术涉及桥梁建造技术领域，特别涉及一种纵向自平衡体系斜拉桥结构及其施工方法。


背景技术：

2.随着国民经济快速增长，大跨度桥梁建设发展迅速。对于斜拉桥，合理的结构体系是结构受力的关键。常用的结构体系有塔梁约束体系、半漂浮体系和弹性索体系，上述结构体系的桥塔的塔底弯矩均较大，导致施工成本较高。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供一种纵向自平衡体系斜拉桥结构及其施工方法，以解决斜拉桥的桥塔底部的弯矩大，施工成本较高的问题。
4.一种纵向自平衡体系斜拉桥结构，其包括：
5.桥塔，具有沿纵桥向贯穿的孔洞；
6.斜拉桥主体，其包括主梁和多个桥墩，多个所述桥墩沿纵桥向间隔排布，所述主梁沿纵桥向设置于所述桥墩的顶端，且贯穿于所述孔洞；
7.第一斜拉索，其两端沿纵桥向固定连接于所述桥塔两侧的主梁，且其中部通过滚轮组件滚动连接于所述桥塔的上部。
8.进一步的，所述桥塔具有两个分肢，两个所述分肢沿横桥向间隔分布，形成用于所述主梁贯穿的孔洞，所述滚轮组件位于两个所述分肢之间，且同时连接于两个所述分肢的上部。
9.进一步的，所述桥塔具有横梁，所述横梁沿横桥向延伸，且两个端部分别连接于所述桥塔的两个分肢，且位于所述主梁的下方，所述纵向自平衡体系斜拉桥结构还包括第二斜拉索，所述第二斜拉索的一端连接于所述横梁，另一端连接于所述主梁。
10.进一步的，所述桥塔的数量为至少两个，所述主梁包括位于每相邻两个桥塔之间的中跨，每个所述桥塔连接有一根第二斜拉索，每根所述第二斜拉索的一端连接于对应桥塔的横梁，另一端连接于邻近的中跨的1/3处，且该连接点邻近对应桥塔3。
11.进一步的，所述滚轮组件包括滚轮和固定轴，所述固定轴水平连接于所述桥塔的两个分肢的上部，所述滚轮可旋转的套设于所述固定轴，所述第一斜拉索的中部滚动连接于所述滚轮。
12.进一步的，所述滚轮组件还包括卡板，所述卡板成对设置于所述滚轮的外壁，用于限制所述第一斜拉索的位置。
13.进一步的，所述第一斜拉索的数量为两组，两组所述第一斜拉索沿横桥向对称设置所述主梁的相对两侧，每组所述第一斜拉索的数量为多根，所述桥塔设置有多个上下排布的滚轮组件，两组第一斜拉索中的同一高度的第一斜拉索连接于同一个滚轮组件。
14.还提供一种基于上述纵向自平衡体系斜拉桥结构的施工方法，其包括以下步骤：
15.架设桥塔，并在桥塔的上部安装滚轮组件；
16.沿纵桥向间隔布置多个桥墩，在桥墩上架设主梁，使主梁沿纵桥向贯穿于桥塔，形成斜拉桥主体；
17.安装第一斜拉索，使第一斜拉索的两个端部沿纵桥向固定连接于桥塔两侧的主梁，且使第一斜拉索的中部连接于滚轮组件。
18.进一步的，所述桥塔具有两个分肢，所述桥塔具有沿横桥向延伸、且位于所述主梁下方的横梁，所述横梁的两个端部分别连接于所述桥塔的两个分肢，所述纵向自平衡体系斜拉桥结构还包括第二斜拉索；
19.所述沿纵桥向间隔布置多个桥墩，在桥墩上架设主梁，使主梁沿纵桥向贯穿于桥塔，形成斜拉桥主体还包括：
20.将拉索的一端连接于主梁，另一端连接于桥塔的横梁。
21.进一步的，所述桥塔具有两个分肢，每个所述滚轮组件包括滚轮和固定轴；
22.所述架设桥塔，并在桥塔的上部安装滚轮组件还包括：
23.架设桥塔，且使桥塔的两个分肢之间形成沿纵桥向贯穿的孔洞；
24.在两个分肢之间安装水平的固定轴，使固定轴的两端水平连接两个分肢的上部；
25.在固定轴的外侧套设一个滚轮，形成滚轮组件。
26.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
27.本技术实施例提供了一种纵向自平衡体系斜拉桥结构及其施工方法，其包括斜拉桥主体、桥塔和第一斜拉索，第一斜拉索的两端沿纵桥向固定连接于主梁，第一斜拉索的中部通过滚轮组件滚动连接于桥塔的上部，第一斜拉索在桥塔处采用滚动连接，斜拉桥在活载、纵桥风荷载、温度荷载等作用下，连接于桥塔两侧的第一斜拉索的索力自动平衡，从而减小桥塔上部的荷载，从而减小桥塔底部的弯矩，进一步减小了桥塔的规模，节省了施工成本。同时，桥塔底部的弯矩减小，桥塔基础的规模相应减小，进一步节省了施工成本。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本技术实施例的整体结构示意图；
30.图2为图1中的主梁的侧视结构示意图；
31.图3为本技术实施例中的滚轮组件的结构示意图；
32.图4为图3的侧视结构示意图。
33.附图标记：
34.1、主梁；2、桥墩；3、桥塔；4、第一斜拉索；5、滚轮组件；51、滚轮；52、固定轴；53、卡板；6、第二斜拉索；7、横梁；8、竖向支座。
具体实施方式
35.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例
中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.本技术实施例提供了一种纵向自平衡体系斜拉桥结构及其施工方法，其能解决斜拉桥的桥塔底部的弯矩大，施工成本较高的问题。
37.如图1和图2所示，一种纵向自平衡体系斜拉桥结构，其包括斜拉桥主体、桥塔3以及第一斜拉索4。其中，桥塔3具有沿纵桥向贯穿的孔洞。斜拉桥主体包括主梁1和桥墩2，多个桥墩2沿纵桥向间隔排布，主梁1沿纵桥向设置于桥墩2的顶端，并且贯穿于桥塔3的孔洞。第一斜拉索4的两端沿纵桥向固定连接于桥塔3两侧的主梁1，并且第一斜拉索4的中部通过滚轮组件5滚动连接于桥塔3的上部，该上部指的是桥塔3位于主梁1上方的部分，桥塔3位于主梁1下方的部分为下部。
38.具体的，在本技术实施例中，上述桥墩2的顶端设置有竖向支座8，主梁1沿纵桥向架设于竖向支座8的顶面，竖向支座8为主梁1提供竖向及横桥向的约束。上述桥塔3设置横梁7，横梁7沿横桥向延伸，并且横梁7的两端分别连接于桥塔3的两个分肢，并且横梁7位于主梁1的下方，主梁1的底部通过竖向支座8连接于横梁7，该处的竖向支座8为主梁1提供竖向及横桥向的约束。
39.具体的，第一斜拉索4的两端固定连接于主梁1的同侧，并且第一斜拉索4的两个端部距离桥塔3之间的距离相等，使桥塔3受力平衡，保证了整体结构稳定性。上述滚轮组件5对第一斜拉索4提供竖向及横桥向的约束。
40.进一步的，第一斜拉索4的数量为两组，两组第一斜拉索4沿横桥向对称设置主梁1的相对两侧，每组第一斜拉索4的数量为多根，桥塔3设置有多个上下排布的滚轮组件5，两组第一斜拉索4中的同一高度的第一斜拉索4连接于同一个滚轮组件5。
41.具体的，每组的第一斜拉索4的数量相同，两组第一斜拉索4的位置为一一对应，保证桥塔3受力平衡。同时，两组第一斜拉索4中的同一高度的第一斜拉索4连接于同一个滚轮组件5，可以减少滚轮组件5的个数，降减少桥塔3上的荷载，保证桥塔3受力平衡，并且能够减少施工成本，减轻滚轮组件5安拆以及后期维修的工作量。
42.优选的，每相邻两个滚轮组件5之间的距离相等。每组的多根第一斜拉索4设置于主梁1的同侧，距离桥塔3最近的第一斜拉索4的中部滑动连接于最下方的滚轮组件5，距离桥塔3最远端的第一斜拉索4的中部滑动连接于最上方的滚轮组件5，其他第一斜拉索4均匀设置于上述两根第一斜拉索4之间，优选的，每相邻两根第一斜拉索4的端部之间的间距相等，保证每组的多根第一斜拉索4位于同一竖平面，并且相互没有交叉，便于桥塔3的受力平衡。
43.在本技术实施例中，桥塔3的数量为两个，两个桥塔3间隔设置，每个桥塔3上连接有两组第一斜拉索4。在其他实施例中，桥塔3的数量也可以为其他数值，每个桥塔3均连接有两组第一斜拉索4。
44.进一步的，桥塔3具有两个分肢，两个分肢沿横桥向间隔分布，形成用于主梁1贯穿的孔洞，滚轮组件5位于两个分肢之间，并且滚轮组件5同时连接于两个分肢的上部。
45.具体的，桥塔3的两个分肢之间为中空，滚轮组件5位于两个分肢之间，避免占用其他空间。滚轮组件5同时连接于两个分肢，既可以保证滚轮组件5的平衡稳定性，还可保证桥
塔3的两肢受力平衡。在本技术实施例中，桥塔3的两个分肢的顶部合并为一个整体，在其他实施例中，桥塔3的两个分肢的顶部可以呈分开的状态。
46.当滚轮组件5的个数为多个时，每个滚轮组件5均位于两个分肢之间，且同时连接于两个分肢的上部。
47.进一步的，桥塔3具有横梁7，横梁7沿横桥向延伸，并且横梁7的两端分别连接于桥塔3的两个分肢，并且横梁7位于主梁1的下方。本技术纵向自平衡体系斜拉桥结构还包括第二斜拉索6，第二斜拉索6的一端连接于横梁7，另一端连接于主梁1。可选的，第二斜拉索6可采用钢材质或者cfrp材质。
48.具体的，上述横梁7水平连接于两个分肢的下部，并且横梁7邻近主梁1，使第二斜拉索6与主梁1之间的角度很小，第二斜拉索6处于近乎水平的状态，便于最大可能地将主梁1的纵桥向荷载传递至横梁7，有效降低纵桥向荷载对桥塔3的作用，改善主梁1的纵向位移。同时，第二斜拉索6将主梁1的荷载直接传递至横梁7，而横梁7设置于桥塔的下部，该下部指的是桥塔3位于主梁1下方的部分。也就是说，第二斜拉索6将主梁1的一部分荷载直接传递至桥塔3的下部，减轻了第一斜拉索4承担的荷载，也就减轻了桥塔3上部承担的荷载，从而减轻了桥塔3的上部对桥塔3的底部产生的弯矩。
49.具体的，第二斜拉索6的横截面积可以采用如下方法确定：在实际工程中，当其他条件不变时，随着第二斜拉索6的横截面积的增大，桥塔3的底部的弯矩呈线性减小，当桥塔3的底部的弯矩减小的幅度发生变化，也就是桥塔3的底部的弯矩减小的幅度变小时，对应的第二斜拉索6的横截面积为最佳值。
50.进一步的，上述桥塔3的数量为至少两个，主梁1包括位于每相邻两个桥塔3之间的中跨，每个桥塔3连接有一根第二斜拉索6，每根第二斜拉索6的一端连接于对应桥塔3的横梁7，另一端连接于邻近的中跨的1/3处，且该连接点邻近对应桥塔3。
51.具体的，在本技术实施例中，斜拉桥具有两个桥塔3，每个桥塔3均具有横梁7，每个桥塔3的横梁7与主梁1之间均连接有一根第二斜拉索6，将两个桥塔3之间的主梁1定义为中跨，每根第二斜拉索6的一端连接于中跨的主梁。在其他实施例中，桥塔3的数量可以多于两个，当桥塔3的数量多于两个时，每相邻两个桥塔3之间的主梁1均为中跨，每个桥塔3的横梁7与邻近的中跨的主梁1之间均连接有第二斜拉索6。优选的，第二斜拉索6与中跨的主梁1的连接点为中跨的长度的1/3处，中跨的主梁1具有两个三等分点，第二斜拉索6与中跨的主梁1的连接点为其中一个三等分点，并且为邻近对应桥塔3的一个三等分点。能够最大程度地减小中跨的主梁1的竖向位移，保证桥梁的主梁1的整体结构稳定性。在其他实施例中，也可以根据实际情况来设定该端部与对应的桥塔3的间距。
52.在其他实施例中，斜拉桥的桥塔3的数量可以为一个，当桥塔3的数量为一个时，主梁1包括位于桥塔3两侧的边跨，此时，可以安装两根第二斜拉索6。优选的，两根第二斜拉索6沿纵桥向对称分布于桥塔3的两侧，保证斜拉桥整体受力平衡，并且可以减少主梁1的纵向位移。具体的，两根第二斜拉索6的一端连接于桥塔3的横梁7，另一端分别沿纵桥向连接于桥塔3两侧的主梁1，此时，每根第二斜拉索6的长度大于等于10m即可。
53.进一步的，如图3所示，滚轮组件5包括滚轮51和固定轴52，固定轴52水平设置，并且连接于桥塔3的两个分肢，滚轮51可旋转的套设于固定轴52，第一斜拉索4的中部滚动连接于滚轮51。该滚轮组件5结构简单，安拆方便，并且对桥塔3影响小。
54.具体的，固定轴52沿横桥向延伸，固定轴52的两端分别与桥塔3的两个分肢连接，连接方式可以为可拆卸连接，便于滚轮组件5的安拆和维修。在其他实施例中，固定轴52可以与桥塔3的两个分肢固定连接。第一斜拉索4的中部滚动连接于滚轮51的顶面，当桥塔3两侧的主梁1的受力发生变化时，与主梁1连接的第一斜拉索4的受力也会发生变化，通过滚轮51的滚动作用，第一斜拉索4的受力可以重新分布，自动维持第一斜拉索4的受力平衡，从而减少桥塔3的上部承受的荷载，减小桥塔3底部的弯矩。
55.在其他实施例中，滚轮组件5可以为其他结构形式，可以在桥塔3的两个分肢各开设一个沿横桥向的孔洞，将滚轮51插设于两个分肢的孔洞中，也可以在滚轮51的两端各安装一个传动轴，该传动轴分别与桥塔3的两个分肢连接，实现滚轮51的滚动。
56.进一步的，如图4所示，滚轮组件5还包括卡板53，卡板53成对设置于滚轮51的外壁，用于限制第一斜拉索4的位置，避免第一斜拉索4在滚轮51上随意滑动，影响桥塔3的受力。
57.具体的，卡板53竖向设置于滚轮51的外壁，并且在连接第一斜拉索4时，卡板53位于滚轮51的顶端。一对卡板53包括两块相互平行的卡板53，两块卡板53之间的距离可以恰好设置第一斜拉索4，也可以稍大于第一斜拉索4的直径。
58.当第一斜拉索4的数量为两组时，两组第一斜拉索4中的同一高度的第一斜拉索4连接于同一个滚轮组件5，此时，每个滚轮51的外壁设置有两对卡板53，并且一根第一斜拉索4对应一对卡板53。优选的，两对卡板53关于滚轮51对称设置，保证两组第一斜拉索4中，同一高度的第一斜拉索4与滚轮51的连接处的受力也是对称的，有利于桥塔3的受力平衡。
59.本技术实施例还提供一种基于上述纵向自平衡体系斜拉桥结构的施工方法，其包括以下步骤：
60.步骤1：架设桥塔3，并在桥塔3的上部安装滚轮组件5。
61.步骤2：沿纵桥向间隔布置多个桥墩2，在桥墩2上架设主梁1，使主梁1沿纵桥向贯穿于桥塔3，形成斜拉桥主体。
62.步骤3：安装第一斜拉索4，使第一斜拉索4的两个端部沿纵桥向固定连接于桥塔3两侧的主梁1，并且使第一斜拉索4的中部连接于滚轮组件5。
63.具体的，在本技术实施例中，桥塔3具有横梁7，在上述步骤1中，在架设桥塔3时，同步完成横梁7的施工。横梁7施工完成后，在横梁7的顶面设置竖向支座8，主梁1贯穿于桥塔3的孔洞时，主梁1的位于该竖向支座8的顶端。
64.具体的，在上述步骤2中，桥墩2布置完成后，在每个桥墩2的墩顶设置竖向支座8，再在竖向支座8的顶端架设主梁1。
65.进一步的，桥塔3具有两个分肢，桥塔3具有沿横桥向延伸、且位于主梁1下方的横梁7，横梁7的两端分别连接于桥塔3的两个分肢。本技术实施例还包括第二斜拉索6，上述步骤2还包括如下步骤：将第二斜拉索6的一端连接于主梁1，另一端连接于桥塔3的横梁7。
66.具体的，上述横梁7邻近主梁1的底部，上述第二斜拉索6与主梁1之间的角度很小，第二斜拉索6处于近乎水平的状态，第二斜拉索6将主梁1的荷载直接传递至横梁7，而横梁7设置于桥塔3的下部，该下部指的是桥塔3位于主梁1下方的部分。也就是说，第二斜拉索6将主梁1的一部分荷载直接传递至桥塔3的下部，减轻了第一斜拉索4承担的荷载，也就减轻了桥塔上部承担的荷载，从而减轻了桥塔3的上部对桥塔3的底部产生的弯矩。
67.具体的，在本技术实施例中，斜拉桥具有两个桥塔3，每个桥塔3均具有横梁7，每个桥塔3的横梁7与主梁1之间均连接有一根第二斜拉索6，将两个桥塔3之间的主梁1定义为中跨，每根第二斜拉索6的一端连接于中跨的主梁。在其他实施例中，桥塔3的数量可以多于两个，当桥塔3的数量多于两个时，每相邻两个桥塔3之间的主梁1均为中跨，每个桥塔3的横梁7与邻近的中跨的主梁1之间均连接有第二斜拉索6。优选的，第二斜拉索6与中跨的主梁1的连接点为中跨的长度的1/3处，中跨的主梁1具有两个三等分点，第二斜拉索6与中跨的主梁1的连接点为其中一个三等分点，并且为邻近对应桥塔3的一个三等分点。能够最大程度地减小中跨的主梁1的竖向位移，保证桥梁的主梁1的整体结构稳定性。在其他实施例中，也可以根据实际情况来设定该端部与对应的桥塔3的间距。
68.在其他实施例中，斜拉桥的桥塔3的数量可以为一个，当桥塔3的数量为一个时，主梁1包括位于桥塔3两侧的边跨，此时，可以安装两根第二斜拉索6。优选的，两根第二斜拉索6沿纵桥向对称分布于桥塔3的两侧，保证斜拉桥整体受力平衡，并且可以减少主梁1的纵向位移。具体的，两根第二斜拉索6的一端连接于桥塔3的横梁7，另一端分别沿纵桥向连接于桥塔3两侧的主梁1，此时，每根第二斜拉索6的长度大于等于10m即可。
69.进一步的，桥塔3具有两个分肢，每个滚轮组件5包括滚轮51和固定轴52。上述步骤1还包括如下步骤：
70.架设桥塔3，并且使桥塔3的两个分肢形成沿纵桥向贯穿的孔洞。在两个分肢之间安装水平的固定轴52，使固定轴52的两端水平连接两个分肢的上部。在固定轴52的外侧套设一个滚轮51，形成滚轮组件5。
71.具体的，在上述步骤中，当第一斜拉索4的数量为两组时，两组第一斜拉索4沿横桥向对称设置主梁1的相对两侧，每组第一斜拉索4的数量为多根。此时，在桥塔3的两个分肢之间安装上下平行的多个固定轴52，并且在每个固定轴52的外侧套设一个滚轮51，形成多个滚轮组件5。两组第一斜拉索4中的同一高度的第一斜拉索4连接于同一个滚轮组件5。
72.以申请人施工过程中的某桥为例，介绍本技术实施例：
73.某桥总长为2440m，其包括主梁1、桥墩2、两个桥塔3、第一斜拉索4、滚轮组件5，第二斜拉索6。其中，桥塔3具有横梁7。
74.多个桥墩2沿纵桥向间隔排布，每个桥墩2的墩顶具有竖向支座8，桥塔3的横梁7的顶面也设置有竖向支座8，主梁1沿纵桥向延伸，并且通过竖向支座8连接于桥塔3的横梁7和桥墩2。
75.每个桥塔3连接有两组第一斜拉索4，两组第一斜拉索4沿横桥向对称设置于主梁1的相对两侧。两组第一斜拉索4中的每根第一斜拉索4的两端沿纵桥向固定连接于对应桥塔3两侧的主梁1，并且，第一斜拉索4的中部通过滚轮组件5滚动连接于对应桥塔3。
76.每个桥塔3具有两个分肢，两个分肢沿横桥向位于主梁1的相对两侧，滚轮组件5包括滚轮51和固定轴52，固定轴52水平设置，并且连接于桥塔3的两个分肢，滚轮51可旋转的套设于固定轴52，第一斜拉索4的中部滚动连接于滚轮51。滚轮组件5还包括卡板53，卡板53成对设置于滚轮51的外壁，用于限制第一斜拉索4的位置。每个桥塔3的两组第一斜拉索4中，同一高度的第一斜拉索4滚动连接于同一个滚轮组件5。
77.两个桥塔3之间的主梁定义为中跨，第二斜拉索6的数量为两根，其中，一根第二斜拉索6的一端连接于一个桥塔3的横梁7，另一端连接于中跨的主梁1，并且连接于中跨的1/3
处。另一根第二斜拉索的一端连接于另一个桥塔3的横梁7，另一端连接于中跨的主梁1，并且连接于中跨的1/3处。
78.对本技术实施例中的桥塔3的底部的弯矩和主梁1的两端位移进行监测和计算，结果表明：本技术实施例的桥塔3的塔底弯矩降低47％，降幅明显。本技术实施例的纵向位移降低50％，降幅明显。此外，本技术实施例的中跨的主梁1的最大竖向位移几乎不变。因此，本技术实施例能够有效降低桥塔3的底部的弯矩和主梁1的纵向位移。
79.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
80.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
81.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。