本實(shí)用新型屬于一種拱橋與懸索結(jié)構(gòu)的協(xié)作體系,具體涉及了一種連續(xù)纜拱橋。
背景技術(shù):
:拱結(jié)構(gòu)是受壓為主,拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)是拱圈或拱肋。它在豎向荷載作用下,橋墩或橋臺(tái)將承受水平推力。而這種水平推力將顯著抵消荷載所引起在拱圈(或拱肋)內(nèi)的彎矩作用,所以其與同等跨度的梁相比,拱的彎矩和撓度要小的多。拱橋跨越能力較大、對(duì)地形適應(yīng)能力強(qiáng)、造價(jià)經(jīng)濟(jì)且外形也較美觀,其在橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。拱橋在我國的應(yīng)用有著悠久的歷史,取得過輝煌的成就,極具代表性的是建于公元605年左右的趙州石拱橋。隨著材料的更新拱橋的跨度也在逐漸增加。目前拱橋按主拱的建筑材料劃分的4類拱橋的跨徑紀(jì)錄均在中國,它們分別是主跨徑146m的山西丹河新橋(石拱橋)、主跨徑420m的萬州(縣)長江大橋(鋼筋混凝土拱橋)、主跨徑460m的巫峽長江大橋(鋼管混凝土拱橋)和主跨徑552m的重慶朝天門大橋(鋼拱橋)。由此可以看出盡管材料的改進(jìn)會(huì)提高拱橋的跨徑,但是這種提高是有局限的,拱橋本身的受力形式?jīng)Q定了其跨越能力不會(huì)太大。隨著拱橋的跨徑增加,其自重和水平推力會(huì)增大,從而導(dǎo)致拱橋的下部結(jié)構(gòu)工程量增大,施工費(fèi)用增高;另外拱橋的穩(wěn)定性也會(huì)隨著跨徑的增加而降低,所以其在大跨徑橋梁中已不具優(yōu)勢,甚至不適用。懸索橋結(jié)構(gòu)具有受力性能好、跨越能力大、輕巧美觀、抗震能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)形式多樣及對(duì)地形適應(yīng)能力好等特點(diǎn),在許多跨越大江大河、高山峽谷、海灣港口等交通障礙物時(shí),往往作為首選的橋型。懸索橋主要是由主塔、主纜、加勁梁、吊桿、鞍座、索夾、錨碇等構(gòu)件組成,根據(jù)是否存在錨碇可劃分為地錨式懸索橋和自錨式懸索橋。其中自錨式懸索橋主纜錨固于加勁梁上,但由于其自身結(jié)構(gòu)上的限制難以應(yīng)用到特大跨徑的懸索橋上。通常,在大跨徑橋梁的選型上,更適合修建地錨懸索橋。但是在一般常規(guī)式的地錨式懸索橋,需要建造體積龐大的錨碇來錨固纜索,這就造成在地質(zhì)情況差的地方,錨碇結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)工程量非常大,往往成為工程的難點(diǎn);地錨式懸索橋錨碇和錨碇基礎(chǔ)占有工程造價(jià)的相當(dāng)可觀部分,成為影響懸索橋結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的重要方面;在城市地區(qū)或旅游區(qū),修建體積龐大的錨碇,對(duì)環(huán)境美觀也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,提供了一種結(jié)合拱橋及懸索結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)、橋面系荷載由拱肋和纜索共同承擔(dān)的連續(xù)纜拱橋。纜索既是承載構(gòu)件,又起到完全平衡或部分平衡拱肋所產(chǎn)生的水平推力的作用。本實(shí)用新型的連續(xù)纜拱橋受力合理,具有承載力高、跨越能力大、經(jīng)濟(jì)效益好、外形美觀等優(yōu)點(diǎn),特別適用于軟土地區(qū)及應(yīng)用于多功能橋梁。為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案:一種連續(xù)纜拱橋,主要由主拱、邊拱、主纜、吊索、矮塔和主梁組成;所述的矮塔設(shè)在主拱的拱腳和邊拱的拱腳相交處;在主拱的拱腳、邊拱的拱腳以及矮塔的下方設(shè)有基礎(chǔ)墩臺(tái);所述的主纜的兩端分別錨固在橋梁兩側(cè)的邊拱的拱腳上,并且矮塔的頂部支撐主纜;所述的主拱和主梁之間、邊拱與主梁之間以及主拱區(qū)域的主纜與主梁之間均分別布置設(shè)有吊索,使主梁的一部分荷載由主纜與主梁之間的吊索傳至主纜,另一部分荷載由主拱、邊拱和主梁之間的吊索傳至主拱、邊拱,減輕了主拱、邊拱受力,增加主拱、邊拱的穩(wěn)定性;主纜的水平分力參與平衡邊拱產(chǎn)生的水平推力,主拱的水平推力則由邊拱的水平推力平衡。在本實(shí)用新型中,作用于主梁上的荷載遵循以下傳力路徑:主梁→吊索→主拱、邊拱和主纜→矮塔和基礎(chǔ)墩臺(tái)→平衡或部分平衡。主跨荷載由主拱和主纜共同承擔(dān),邊跨荷載完全由邊拱承擔(dān),邊拱既是承重構(gòu)件,又起到錨碇的作用;纜既是承重構(gòu)件,又起到系桿作用。在恒載作用下,邊拱產(chǎn)生的水平推力和背索水平張力在邊拱拱腳處平衡,主拱產(chǎn)生的水平推力、邊拱產(chǎn)生的水平推力、矮塔傳下來的水平力(矮塔為偏心塔時(shí)有此項(xiàng))三者在主拱拱腳處平衡,結(jié)構(gòu)處于無推力狀態(tài);在活載作用下,基礎(chǔ)墩臺(tái)承受推力并由大地平衡。當(dāng)邊跨跨徑較小時(shí),需要通過增大背索張力來保證矮塔只受豎向力作用,但增大背索張力會(huì)使得背索的豎向分力迅速增大,而增大施工成本。因此,在這種情況下可將矮塔設(shè)置為偏心塔,在保證矮塔彎矩為零的前提下,可使背索張力保持不變,從而減小邊拱的基礎(chǔ)墩臺(tái)的負(fù)擔(dān)。進(jìn)一步說明,主纜和主梁之間的吊索以及主拱和主梁之間的吊索相互錯(cuò)開布置。同一側(cè)的吊索相互錯(cuò)開均勻布置,主拱和主纜平均分擔(dān)橋面系的荷載,是本實(shí)用新型的優(yōu)選方案。本實(shí)用新型總體構(gòu)思下,可以根據(jù)實(shí)際情況,即根據(jù)主拱產(chǎn)生的水平推力與主纜的水平張力的差值來合理調(diào)整吊桿的布置方式,使主拱和主纜共同分擔(dān)橋面系的荷載即可。進(jìn)一步說明,所述的主拱和邊拱不傾斜時(shí),為普通拱;所述的主拱和邊拱向內(nèi)傾斜時(shí),為提籃拱。進(jìn)一步說明,所述的主拱和邊拱為鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼混組合結(jié)構(gòu);所述的主纜和吊索均分別采用鋼絞線;所述的基礎(chǔ)墩臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步說明,所述的主拱的拱腳、邊拱的拱腳以及矮塔的底部均與基礎(chǔ)墩臺(tái)固結(jié)。進(jìn)一步說明,所述的矮塔采用通常塔或者偏心塔。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):1.本橋在保持拱橋優(yōu)越性的前提下,拱既是承重構(gòu)件,又起到錨碇的作用;纜既是承重構(gòu)件,又起到系桿作用。橋面系的荷載由纜索和拱肋共同承擔(dān),減輕了拱肋受力及變形,從而減少了拱肋截面面積,同時(shí)拱肋產(chǎn)生的水平推力也大幅度減少。2.纜索對(duì)穩(wěn)定性較差的拱圈起到了卸載作用,且該體系的非保向力效應(yīng)更為顯著,這使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性大幅度增加,為拱結(jié)構(gòu)跨度的提升提供了新的有效途徑。3.纜拱橋受力合理,具有承載力高、跨越能力大、經(jīng)濟(jì)效益好、外形美觀等優(yōu)點(diǎn),特別適用于軟土地區(qū)及多功能橋梁。4.施工方便,工期短。附圖說明圖1中本實(shí)用新型的立面圖。圖2-圖5是連續(xù)纜拱橋受力分析圖。附圖標(biāo)記:1-主拱;2-邊拱;3-主纜;4-吊索;5-矮塔;6-主梁。具體實(shí)施方式力學(xué)及其結(jié)構(gòu)原理結(jié)合圖2-圖5對(duì)本實(shí)用新型的力學(xué)及其結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行說明:1.連續(xù)纜拱橋受力特征主跨荷載由拱肋和纜索共同承擔(dān),邊跨荷載完全由拱肋承擔(dān),拱既是承重構(gòu)件,又起到錨碇的作用;纜既是承重構(gòu)件,又起到系桿作用。在恒載作用下,邊拱產(chǎn)生的水平推力和背索水平張力在邊拱拱腳處平衡,主拱產(chǎn)生的水平推力、邊拱產(chǎn)生的水平推力、矮塔傳下來的水平力(當(dāng)矮塔為偏心矮塔時(shí)有此項(xiàng))三者在主拱拱腳處平衡,結(jié)構(gòu)處于無推力狀態(tài);在活載作用下,墩臺(tái)承受推力并由大地平衡。2.偏心矮塔力學(xué)原理當(dāng)主纜與矮塔的左右兩邊的夾角不一樣時(shí),矮塔會(huì)受到一個(gè)較小水平力和一個(gè)較大豎向力的共同作用,如圖2所示,F(xiàn)X為矮塔所受的水平力,F(xiàn)y為矮塔所受的豎向力,L0為矮塔頂部順橋向方向截面的長度,為簡化計(jì)算,忽略矮塔自重,現(xiàn)分析如下:如圖2所示,對(duì)形心點(diǎn)取矩,由合力矩為零可推出矮塔的合力偏心線方程:則矮塔順橋向方向的任意截面長度為:L(z)=2f(z)+L0(2)將(1)式代入(2)式可知:若保持矮塔的面積A不變則可推出矮塔的寬度線函數(shù)為:分析表明,當(dāng)矮塔形心線滿足(1)式時(shí),矮塔在如圖2所示的外力作用下,處于無彎矩狀態(tài)而只受軸向力作用。在不考慮矮塔自重情況下,其偏心線為線性函數(shù),若保持矮塔截面面積不變,其寬度線為雙曲線(如圖3所示),可保證材料得到充分的利用。當(dāng)考慮矮塔自重時(shí),分析如下:在考慮矮塔自重時(shí),同樣保持面積A不變,假設(shè)矮塔高為H。如圖4所示,將墩臺(tái)等分成n等分,每一個(gè)窄條曲邊梯形用窄條矩形近似,每一個(gè)矩形的長度為:如圖5所示,取隔離體分析,對(duì)Oi取矩,由合力矩為零可知;由式(5)和式(6),可推出坐標(biāo)迭代式為:zi=zi-1+Δ,(i=0,1,···,n)(7)式中,z0=0,x0=0(9)根據(jù)最小二乘法,偏心線函數(shù)f(z)可用多項(xiàng)式P(z)近似,假設(shè)P(z)為:P(z)=aqT(11)式中:a=(a0,a1,···,ak)(12)q=(1,z,···,zk)(13)a矩陣可由下式求出:由式(11)和式(14)可知:要求出J的最小值,需在式(15)中對(duì)a求導(dǎo),矩陣形式:由式(7)、式(8)和式(17)可以導(dǎo)出:zTza=zTx(18)式中:由式(18)可知:a=(zTz)-1zTx(21)系數(shù)矩陣a可由式(21)求出,因此偏心線函數(shù)f(z)可用多項(xiàng)式表達(dá)為:f(z)≈P(z)=(zTz)-1zTxqT(22)近似函數(shù)的收斂條件為:R=|Pn(z)-Pn-1(z)|<ε(23)式中Pn(z)和Pn-1(z)分別為矮塔分成n等分和n-1等分時(shí)的近似多項(xiàng)式。擬合度可定義為:當(dāng)r接近1時(shí),認(rèn)為可以被很好的近似函數(shù)。此時(shí),任意截面長度為:L(z)=2(zTz)-1zTxqT+L0(25)由于矮塔的截面面積A保持不變,因此:2yi·(2xi+L0)=A(26)由式(8)和式(26)可推出:同理,寬度線函數(shù)g(z)可用多項(xiàng)式Q(z)表示為:g(x)≈Q(z)=(zTz)-1zTyqT(28)式中矩陣q和矩陣z分別見式(13)和式(19),而同理任意截面寬度可表示為:W(z)=2|(zTz)-1zTyqT|(42)綜上所述,當(dāng)主纜與矮塔的左右兩邊的夾角不一樣時(shí),矮塔受到豎向力和水平力的作用,利用上述方法可以使矮塔處于無彎矩狀態(tài),此時(shí)稱之為偏心矮塔。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例:本實(shí)施例的纜拱橋的跨度布置均與盧浦大橋(總投資6.4億元)相同。如圖1所示,一種連續(xù)纜拱橋,主要由主拱1、邊拱2、主纜3、吊索4、矮塔5和主梁6組成;所述的矮塔5設(shè)在主拱1的拱腳和邊拱2的拱腳相交處;在主拱1的拱腳、邊拱2的拱腳以及矮塔5的下方設(shè)有基礎(chǔ)墩臺(tái);所述的主纜3的兩端分別錨固在橋梁兩側(cè)的邊拱2的拱腳上,并且矮塔5的頂部支撐主纜3;所述的主拱1和主梁6之間、邊拱2與主梁6之間以及主拱1區(qū)域的主纜3與主梁6之間均分別布置設(shè)有吊索4,使主梁6的一部分荷載由主纜3與主梁6之間的吊索傳至主纜3,另一部分荷載由主拱1、邊拱2和主梁6之間的吊索傳至主拱1、邊拱2,減輕了主拱1、邊拱2受力,增加主拱1、邊拱2的穩(wěn)定性。主纜3的水平分力參與平衡邊拱2產(chǎn)生的水平推力,主拱1的水平推力則邊拱2的水平推力平衡。方案一:采用上述的結(jié)構(gòu)形式,主拱高跨比為1/5,纜索垂跨比為1/10;方案二:同樣采用上述的結(jié)構(gòu)形式,但高跨比為1/6;纜索垂跨比為1/13。若采用常規(guī)設(shè)計(jì),需設(shè)置截面面積較大的拱肋,經(jīng)計(jì)算,與盧浦大橋相比,方案一的主拱拱肋受力減少30%,因此拱肋面積減少30%,此費(fèi)用即省去0.61億元;方案一需增加纜索和矮塔,此費(fèi)用為0.1億。因此,與盧浦大橋相比,方案一共省了0.51億。同時(shí)主拱拱肋軸力減小40%,穩(wěn)定承載力提高60%。經(jīng)計(jì)算,與盧浦大橋相比,方案二的主拱拱肋受力減少25%,因此拱肋面積減少25%,此費(fèi)用即省去0.52億元;方案二需增加纜索和矮塔,此費(fèi)用為0.1億。因此,與盧浦大橋相比,方案二共省了0.42億。同時(shí)主拱拱肋軸力減小30%,穩(wěn)定承載力提高50%。實(shí)施例技術(shù)參數(shù)對(duì)比表費(fèi)用節(jié)省(億元)主拱拱肋軸力減少(%)穩(wěn)定承載力提高(%)方案一0.514060方案二0.423050當(dāng)前第1頁1 2 3