專利名稱：大跨度雙向拉索斜拉橋的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于提高大跨度斜拉橋整體動力學特性和抗風能力的新型雙向拉索結構體系，屬于結構力學、橋梁和土木工程領域。
二次大戰后，出現了現代斜拉橋，由于斜拉橋具有可懸臂施工、造價低和外型美觀等突出優點，因而在跨度200～500m的范圍內獲得巨大的成功并在向更大跨度發展。
設計和建造大跨度斜拉橋的關鍵就是要解決好整體動力學特性和抗風能力問題，即要控制主塔所承受的最大彎矩和提高橋梁整體的動力特性。斜拉橋的固有振動特性比較復雜，斜拉索使側向彎曲和扭轉強烈的耦合在一起，因而存在有側向彎曲為主兼有扭轉的振型，或者扭轉為主兼有側向彎曲的振型；斜拉橋的力學本質是利用斜拉索作為橋面的彈性支承。隨著跨度的增大，斜拉索的拉索布置從最初的少數幾根稀索體系發展成為目前普遍使用的便于施工的密索體系，其力學性能也從此受彎為主的多跨彈性支承連續梁演變成一種擬桁架體系。
斜拉橋的動力特性，最重要的有三個振型，就飄浮體系斜拉橋而言，即①反對稱飄浮振型，②一階對稱豎向彎曲振型，和③一階對稱扭轉為主振型。其中①②對地震反應最為重要；②③是風振中主要考慮的振型，對于車輛振動反應來說，一階彎曲振型是基本的。
由于斜拉橋為一非常柔性的大型結構，對于大跨度斜拉橋其柔性更為突出，傳統的斜拉橋為一上拉索結構體系，其力學特征表現為(1)整體結構體系在面內的豎向具有很大的柔性，抗風能力較弱，各階自然振動頻率較低。
(2)主塔所承受的面內彎矩較大，這主要由于橋面的大柔性所引起的。
(3)橋面在面外的側向彎曲和扭轉比較明顯，主要是由于整體橋面的抗側彎和扭轉的能力較弱所致。
(4)拉索自身的局部橫向振動明顯。
本發明的目的在于提供一種新型的斜拉橋設計形式，通過布置下拉索的位置和數量，可控制橋梁的靜力和動力性能，降低主塔所承受的最大彎矩，以提高大跨度斜拉橋整體動力學特性和抗風能力，本發明所提供的結構體系可用于設計和建造跨江、跨海的大型和特大型斜拉橋，特別適用于那些對穩定性有很高要求的鐵路橋，同時，對現有的部分斜拉橋也可采用本發明進行技術改造，以提高穩定性、可靠性和延長壽命。
本發明設計的跨度雙向拉索斜拉橋，包括上拉索，上拉索為并雙排，或交點雙排，該橋還包括下拉索，下拉索位于橋面下部，下拉索的根數等于或小于上拉索的根數，下拉索與橋體的拉點位置與相應的上拉索與橋體的拉點位置重合；下拉索與主塔下部的拉點位置與橋面之距離小于或等于橋高。
本發明設計的跨度雙向拉索斜拉橋，其中的下拉索可以為多種結構形式，第一種是下拉索為雙排，各下拉索與橋體的拉點位置位于橋面的兩側，與主塔下部的拉點位置位于主塔相應一側，并處于同一高度。第二種是下拉索為單排，各下拉索與橋體拉點位置位于橋體的中心線上，與主塔下部的拉點位置重合，并位于主塔下部的中心線上。第三種是下拉索為雙排，各下拉索與橋體的拉點位置位于橋面的兩側，與主塔下部的拉點位置重合，并位于主塔下部的中心線上。第四種是下拉索為雙排，各下拉索與橋體的拉點位置位于橋面的兩側，與主塔下部的拉點位置位于主塔相應的另一側，并處于同一高度。
本發明設計的跨度雙向拉索斜拉橋，具有以下特點1、雙向拉索橋型的無交叉并行雙排下拉索體系可顯著提高橋梁的垂直向上、垂直向下剛度，大幅度降低主塔內產生的面內彎矩，提高面內飄浮固有振型、面內豎向彎曲固有振型的頻率；但對橋梁面外側向剛度和面外側彎(帶扭)固有振型的影響不大。
2、雙向拉索橋型的交叉雙排下拉索體系既可顯著提高橋梁的垂直向上、垂直向下剛度，大幅度降低主塔內產生的面內彎矩，提高面內飄浮固有振型、面內豎向彎曲固有振型的頻率；又對橋梁面外側向剛度和面外側彎(帶扭)固有振型的有很大改善。
3、雙向拉索橋型的單排下拉索體系可顯著提高橋梁的垂直向上、垂直向下剛度，大幅度降低主塔內產生的面內彎矩，提高面內飄浮固有振型、面內豎向彎曲固有振型的頻率；但對橋梁面外側向剛度和面外側彎(帶扭)固有振型的影響不大。
4、雙向拉索橋型的交點雙排下拉索體系既可顯著提高橋梁的垂直向上、垂直向下剛度，大幅度降低主塔內產生的面內彎矩，提高面內飄浮固有振型、面內豎向彎曲固有振型的頻率；又對橋梁面外側向剛度和面外側彎(帶扭)固有振型的有較大改善。
5、由于雙向拉索橋型的下拉索體系的作用，可對上拉索施加更大的預拉力，可提高上下拉索的橫向剛度和固有特征頻率。
6、在大橋的施工中，雙向拉索可以提高橋面的局部穩定性，特別是側向彎曲和扭轉的穩定性。
7、在橋梁的抗風設計中，本發明可提供新的途徑。
圖1是大跨度雙向拉索斜拉橋的結構體系示意圖，圖中1為主塔，2為上拉索，3為橋體，4為下拉索的上拉點，5為下拉索，6為下拉索的下拉點。
圖2是圖1所示的雙向拉索斜拉橋的并行雙排下拉索布置方案橫截面示意圖。
圖3是圖1所示的雙向拉索斜拉橋的單排下拉索布置方案橫截面示意圖。
圖4是圖1的雙向拉索斜拉橋的交點雙排下拉索布置方案橫截面示意圖。
圖5是圖1的雙向拉索斜拉橋的交叉雙排下拉索布置方案(交叉處不連接)橫截面示意圖。
圖6至圖13分別為本發明的各種不同下拉索結構與力學性能圖。
圖6是不同下拉索結構與橋體中點垂直向下剛度的關系(下拉索為對應于上拉索拉點自主塔處向橋體兩側布置，n/N表示下拉索數量與上拉索數量之比，如圖1所表示的斜拉橋為下拉索是無交叉并行雙排結構；k1/K1表示雙向拉索斜拉橋的剛度與傳統斜拉橋的剛度之比；圖中的A線表示下拉索為無交叉并行雙排結構，見圖2；圖中的B線表示下拉索為交叉雙排結構，見圖5；圖中的C線表示下拉索為單排結構，見圖3；圖中的D線表示下拉索為交點雙排結構，見圖4)。
圖7是不同下拉索結構與橋體中點垂直向上剛度的關系(下拉索為對應于上拉索拉點自主塔處向橋體兩側布置，n/N表示下拉索數量與上拉索數量之比，k2/K2表示雙向拉索斜拉橋的剛度與傳統斜拉橋的剛度之比，圖中的A線表示下拉索為無交叉并行雙排結構，見圖2；圖中的B線表示下拉索為交叉雙排結構，見圖5；圖中的C線表示下拉索為單排結構，見圖3；圖中的D線表示下拉索為交點雙排結構，見圖4)。
圖8是不同下拉索結構與橋體中點側向剛度的關系(下拉索為對應于上拉索拉點自主塔處向橋體兩側布置，n/N表示下拉索數量與上拉索數量之比，k3/K3表示雙向拉索斜拉橋的剛度與傳統斜拉橋的剛度之比，圖中的A線表示下拉索為無交叉并行雙排結構，見圖2；圖中的B線表示下拉索為交叉雙排結構，見圖5；圖中的C線表示下拉索為單排結構，見圖3；圖中的D線表示下拉索為交點雙排結構，見圖4)。
圖9是不同下拉索結構與主塔內最大彎矩的關系(下拉索為對應于上拉索拉點自主塔處向橋體兩側布置，n/N表示下拉索數量與上拉索數量之比，m/M表示雙向拉索斜拉橋的主塔內最大彎矩與傳統斜拉橋的主塔內最大彎矩之比，圖中的A線表示下拉索為無交叉并行雙排結構，見圖2；圖中的B線表示下拉索為交叉雙排結構，見圖5；圖中的C線表示下拉索為單排結構，見圖3；圖中的D線表示下拉索為交點雙排結構，見圖4)。
圖10是不同下拉索結構與面內飄浮固有振型自振頻率的關系(下拉索為對應于上拉索拉點自主塔處向橋體兩側布置，n/N表示下拉索數量與上拉索數量之比，fa/Fa表示雙向拉索斜拉橋的自振頻率與傳統斜拉橋的對應階次自振頻率之比，圖中的A線表示下拉索為無交叉并行雙排結構，見圖2；圖中的B線表示下拉索為交叉雙排結構，見圖5；圖中的C線表示下拉索為單排結構，見圖3；圖中的D線表示下拉索為交點雙排結構，見圖4)。
圖11是不同下拉索結構與面內豎向彎曲固有振型第一階自振頻率的關系(下拉索為對應于上拉索拉點自主塔處向橋體兩側布置，n/N表示下拉索數量與上拉索數量之比，fb/Fb表示雙向拉索斜拉橋的自振頻率與傳統斜拉橋的對應階次自振頻率之比，圖中的A線表示下拉索為無交叉并行雙排結構，見圖2；圖中的B線表示下拉索為交叉雙排結構，見圖5；圖中的C線表示下拉索為單排結構，見圖3；圖中的D線表示下拉索為交點雙排結構，見圖4)。
圖12是不同下拉索結構與面內豎向彎曲固有振型第二階自振頻率的關系(下拉索為對應于上拉索拉點自主塔處向橋體兩側布置，n/N表示下拉索數量與上拉索數量之比，fc/Fc表示雙向拉索斜拉橋的自振頻率與傳統斜拉橋的對應階次自振頻率之比，圖中的A線表示下拉索為無交叉并行雙排結構，見圖2；圖中的B線表示下拉索為交叉雙排結構，見圖5；圖中的C線表示下拉索為單排結構，見圖3；圖中的D線表示下拉索為交點雙排結構，見圖4)。
圖13是不同下拉索結構與面外側彎(帶扭)固有振型自振頻率的關系(下拉索為對應于上拉索拉點自主塔處向橋體兩側布置，n/N表示下拉索數量與上拉索數量之比，fd/Fd表示雙向拉索斜拉橋的自振頻率與傳統斜拉橋的對應階次自振頻率之比，圖中的A線表示下拉索為無交叉并行雙排結構，見圖2；圖中的B線表示下拉索為交叉雙排結構，見圖5；圖中的C線表示下拉索為單排結構，見圖3；圖中的D線表示下拉索為交點雙排結構，見圖4)。
下面以圖1所示的結構體系為例，分別就傳統的結構體系(無下拉索)和本發明的結構體系(雙向拉索，包括并行雙排下拉索(參見圖2)，交叉雙排下拉索(參見圖5)，單排下拉索(參見圖3)，交點雙排下拉索(參見圖4))，采用有限元方法進行各種方案的對比計算，給出本發明的一些特點。該橋梁結構的三維計算模型為主塔采用梁單元，橋體采用殼單元，拉索采用只承受拉力的拉索單元(為非線性單元)，橋體兩端的邊界條件為自由滑動；在相同的幾何和外載情形下，比較傳統橋型、雙向拉索橋型(下拉索無交叉和有交叉結構體系)的靜力(橋體中點的垂直向下剛度、垂直向上剛度、側向剛度、主塔內的最大彎矩)和動力(面內飄浮固有振型、面內彎曲固有振型、面外側彎帶扭固有振型)特性。
1、靜力特性(1)整體結構的剛度就圖1所示的雙向拉索斜拉橋計算模型，分別就傳統的結構體系(無下拉索)和本發明的結構體系(雙向拉索的四種結構體系)進行比較，有關橋體中點的垂直和側向剛度的計算結果見表1。表1橋體中點的剛度比較
表1的說明在橋體中部施加向下的外載P，計算出橋體中點的垂直向下位移，再折算出該點的垂直向下的剛度；垂直向上的剛度也是按相同方法進行計算(施加向上的外載P)，側向剛度是在橋體中部施加側向外載P′，然后進行計算，表中的結果為相對比較；表2的情況也是如此。(2)主塔中的彎矩分別就傳統結構體系和本發明的結構體系中的主塔所承受的最大彎矩進行比較，結果見表2。
表2主塔內的最大彎矩比較
從表1至表2的比較可以總結以下結論(1)傳統橋型的垂直剛度和側向剛度較差，特別是垂直向上的剛度很小，采用雙向拉索可顯著地提高這幾個方向的剛度，下拉索的四種結構體系(無交叉并行雙排，交叉雙排，單排，交點雙排)，均可提高垂直向上、向下剛度(提高約20％)，而交叉雙排和交點雙排下拉索體系可顯著提高側向剛度(提高約1倍)，見表1。
(2)在橋體中部垂直向下加載時，在傳統橋型的主塔內產生的彎矩較大，而在雙向拉索橋型中，由于下拉索體系的作用，使得主塔內產生的面內彎矩大幅度降低，僅為傳統橋型的66％-69％；在橋體中部垂直向上和側向加載時，此時，上拉索體系起的作用較小，因而在傳統橋型的主塔內傳遞的彎矩很小，在雙向拉索橋型中，由于下拉索體系可將側向力和向上的力傳向主塔內，增強了抵抗側向和向上變形的能力。
(3)下拉索體系在抵抗向上變形、向下變形和側向變形中發揮了非常重要的作用。即四種下拉索結構體系(無交叉并行雙排，交叉雙排，單排，交點雙排)都對抵抗面內垂直向上、向下變形和降低主塔內的面內彎矩起到很好的作用，但對于抵抗側向變形和傳遞側向外載，雙向拉索橋型的交叉雙排拉索體系最為有效，交點雙排拉索體系的效果次之，比傳統橋型的側向剛度提高1倍多。
2、動力特性(1)整體結構的面內飄浮固有振動的各階頻率見表3。
表3飄浮體系斜拉橋的面內飄浮固有振型
>(2)整體結構的面內豎向彎曲固有振動的各階頻率見表4。
表4飄浮體系斜拉橋的面內豎向彎曲固有振型
3)整體結構的面外側彎(帶扭)固有振動的各階頻率見表5。
表5飄浮體系斜拉橋的面外側彎(帶扭)固有振型
從表3至表5的比較可以看出(1)就面內飄浮固有振型而言，雙向拉索橋型比傳統橋型可大幅度提高其固有頻率，雙向拉索橋型中的四種下拉索結構體系(無交叉并行雙排，交叉雙排，單排，交點雙排)對提高面內飄浮固有頻率的效果基本相當，就前面算例中的第一階面內飄浮固有振型而言，下拉索體系(3根下拉索)比傳統橋型可提高頻率106％，下拉索體系(5根下拉索)比傳統橋型可提高頻率116％。
(2)就面內豎向彎曲固有振型而言，雙向拉索橋型比傳統橋型可大幅度提高其固有頻率，雙向拉索橋型中的四種下拉索結構體系(無交叉并行雙排，交叉雙排，單排，交點雙排)對提高面內豎向彎曲固有頻率的效果基本相當，就前面算例中的第一階面內豎向彎曲固有振型而言，下拉索體系(3根下拉索)比傳統橋型可提高頻率34.9％，下拉索體系(5根下拉索)比傳統橋型可提高頻率56.9％。
(3)就面外側彎(帶扭)固有振型而言，雙向拉索橋型中的交叉雙排下拉索體系比傳統橋型可大幅度提高其固有頻率，交點雙排下拉索體系的效果次之，雙向拉索橋型中的無交叉并行雙排下拉索體系和單排下拉索體系對提高面外側彎(帶扭)固有頻率的作用不大；就前面算例中的第一階面外側彎(帶扭)固有振型，交叉雙排下拉索體系(3根下拉索)比傳統橋型可提高頻率17.8％，交叉雙排下拉索體系(5根下拉索)比傳統橋型可提高頻率19.1％。
根據斜拉橋靜力和動力特性的要求，如，垂直向上剛度、垂直向下剛度、側向剛度、主塔內最大彎矩、面內飄浮固有振型自振頻率、面內豎向彎曲固有振型自振頻率、面外側彎(帶扭)固有振型自振頻率，可參照圖6至圖13，分別選擇出下拉索的結構體系和拉索的相對數目。
權利要求
1.一種大跨度雙向拉索斜拉橋，包括上拉索，上拉索為并雙排或交點雙排，其特征在于還包括下拉索，下拉索位于橋面下部，下拉索的根數等于或小于上拉索的根數，下拉索與橋體的拉點位置與相應的上拉索與橋體的拉點位置重合下拉索與主塔下部的拉點位置與橋面之距離小于或等于橋高。
2.如權利要求1所述的斜拉橋，其特征在于其中所述的下拉索為單排，各下拉索與橋體拉點位置位于橋體的中心線上，與主塔下部的拉點位置重合，并位于主塔下部的中心線上。
3.如權利要求1所述的斜拉橋，下拉索為雙排，各下拉索與橋體的拉點位置位于橋面的兩側，與主塔下部的拉點位置位于主塔相應一側，并處于同一高度。
4.如權利要求1所述的斜拉橋，下拉索為雙排，各下拉索與橋體的拉點位置位于橋面的兩側，與主塔下部的拉點位置重合，并位于主塔下部的中心線上。
5.如權利要求1所述的斜拉橋，下拉索為雙排，各下拉索與橋體的拉點位置位于橋面的兩側，與主塔下部的拉點位置位于主塔相應的另一側，并于同一高度。
全文摘要
本發明涉及一種大跨度雙向拉索斜拉橋,包括上拉索和下拉索,下拉索的根數等于或小于上拉索的根數,下拉索與橋體的拉點位置與相應的上拉索與橋體的拉點位置重合;下拉索與主塔下部的拉點位置與橋面之距離小于或等于橋高。由于上、下拉索進行雙向施力,可使主塔內產生的面內彎矩大幅度降低,增強拉索的剛度和主橋體的向上、向下和面外側向剛度,提高面內飄浮固有振型、面內豎向彎曲固有振型和面外側彎固有振型的頻率,增強橋整體抗風能力和穩定性。
文檔編號E01D11/00GK1244612SQ99119550
公開日2000年2月16日 申請日期1999年9月3日 優先權日1999年9月3日
發明者曾攀 申請人:清華大學