篇一：大跨度桥梁结构选型调研报告
大跨度桥梁结构选型调研报告
摘 要: 大跨度桥梁形式多样,有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥及其他的一些新型的桥式,如全索桥、索托桥、斜拉—悬吊混合体系桥、索桁桥等等。其中,悬索桥和斜拉桥是大跨径桥梁发展的主流。本文针对大跨度桥梁结构选型和设计这一问题做了综合性的总结和归纳。
关键词: 大跨度桥梁; 斜拉桥; 悬索桥; 桥梁造型设计;
1 引 言
20 世纪90 年代以来, 随着世界经济和科学技术的高速发展, 大跨度桥梁的建设出现了前所未有的高潮。目前, 悬索桥的最大跨径已经达到1 991m , 斜拉桥的最大跨径达到890 m。随着桥梁跨径的逐步增大, 桥梁结构的柔性化趋势日趋明显, 桥梁结构的安全性、行车舒适性、架设方便性等一系列问题开始变得愈来愈突出。如何更好地解决伴随着桥梁跨径长大化而出现的这些问题, 成为21世纪世界桥梁工作者共同面对的挑战。本文简要回顾了大跨度桥梁的发展历史, 对现有大跨度桥梁建设的成就与问题进行了系统的分析, 在此基础上, 提出了有关大跨度桥梁设计的一些新构想, 希望对未来桥梁设计的发展有所帮助。 2 现代斜拉桥的发展与演变
2.1 早期的斜拉桥
斜拉桥由索塔、拉索、主梁三部分组成。从历史上看, 影响斜拉桥发展的技术因素主要有三个第一, 力学分析手段的进步。第二, 材料性能的改进。第三, 施工技术的发展。从力学分析的角度讲, 斜拉桥属于多次超静定体系, 在没有电子计算机帮助的条件下, 手工进行力学分析相当复杂。现存的早期斜拉桥中, 较有代表性的是1867 年建造的新加坡Cavenagh 桥和1874 年建造的伦敦Albert桥。二十世纪五、六十年代, 斜拉桥获得了较快的发展。1955 年, 瑞典建成了主跨183m 的Stromsund桥; 1959 年, 联邦德国建成了主跨302 m 的Severin桥。早期建造的斜拉桥有两个比较显著的特点: 一是单柱式索塔比较多; 二是斜拉索很少
2.2 密束斜拉体系的出现
随着有限元技术的发展和计算机技术的普及, 高次超静定结构的力学分析开始变得简单易行。1967 年, 联邦德国建成了主跨280m 的Friedrich2E2bert
桥, 从此拉开了密束体系斜拉桥建设的序幕。通过将导入拉索的预应力分布式地传递给主梁, 可显著减小梁中的弯矩, 并且易于采用悬臂法进行施工。因此, 密束体系斜拉桥的出现加速了斜拉桥跨度, 特别是预应力混凝土斜拉桥跨度的迅速增长。1986 年, 加拿大建成了主跨465 m 的An2nacis 桥; 1991 年, 挪威建成了主跨530 m 的Skaron2sundet 桥。
二十世纪九十年代, 世界斜拉桥的建设进入了一个鼎盛时期。1993 年, 中国建成了跨度位居当时世界第一的主跨602 m 的上海杨浦大桥; 1995 年,法国建成了主跨856 m 的Normandy 大桥; 1999 年, 日本建成了跨度位居世界第一的主跨890m 的多多罗大桥。九十年代的大跨度斜拉桥建设有两个特点: 一是大部分出现在中国; 二是倒Y 型和分离式倒Y型(有文献称之为钻石型) 索塔被广泛采用。倒Y型和分离式倒Y型索塔的广泛使用, 既有技术方面的原因, 也有审美习惯和技术传统的影响, 下文将对此做具体的分析。
2.3 斜拉桥索塔的造型与选择
索塔的形态可以多种多样, 需要指出的是, 索塔的形态通常和斜拉索的配置密切相关。如果采用单索面, 则通常会选用单柱塔或倒Y型塔。单柱塔可能存在的问题主要有两点: 一是从人体工程学的角度看, 如果桥面不是太宽的话, 单柱塔相对宽大的塔柱会对汽车驾驶员的运动视线产生一些阻断,给人某种程度的压迫感。二是从建筑美学的角度看, 由于单柱塔上塔柱和下桥墩的剖面尺寸有时相差悬殊, 给人以整体不协调的感觉.
单索面的使用通常有两个前提条件: 一是主梁 (桥身) 要有固定拉索的中央分割带; 二是主梁本身要有比较大的抗扭刚度。虽然采用单索面的日本鹤见翼大桥, 其主梁跨度达到了510 m , 但对于大多数桥梁设计师来说, 在设计大跨度斜拉桥时, 处于技术和心理感受两方面的考虑, 他们通常更倾向于选择双索面布置。和单索面桥构造上最接近的是双侧单索面桥, 即在桥面的两侧各布置一根互不相连的塔柱, 每根塔柱独立张拉出一面索。象荷兰的Waal 大桥这样采用双根单柱桥塔的斜拉桥实际上并不多见, 原因有技术方面的, 也有心理感受方面的。从技术的角度看, 由于垂直索面的结构刚度相对比较弱, 风载作用下存在发生振动发散的可能。从心理学的角度看, 设计师通常更倾向于结构在横桥向存在某种形式上的连接。
一方面是出于结构受力方面的考虑, 另一方面是出于寻找视觉上的支撑, 两种因素汇合起来的结果, 使设计师们更倾向于用横梁将两根独立的单柱联接在一起, 以形成垂直于桥面纵轴的框架型桥塔支撑体系。当横梁在塔顶将两根独立的单柱联接在一起时, 便形成了门型桥塔。而当横梁在塔的中部将两根独立的单柱联接在一起时, 便形成了H 型桥塔。将门型桥塔的塔柱向内侧倾斜至极限,可形成倒V 型桥塔; 将H 型桥塔的塔柱向内侧倾斜至极限, 则形成了倒A 桥塔。究
泛采用的倒Y型桥塔
当桥梁跨度比较大的时候(500 m～600 m 以上) , 倒Y型桥塔中的垂直立柱会变得比较粗, 结果使桥塔沿桥向和横桥向的风阻大大增加。降低桥塔风阻的最
简单、也是最实用的办法之一, 是将倒Y型桥塔中的垂直立柱横桥向压扁、沿桥向镂空,也就是将立柱变成横桥向的比较细长的H 型或日型框架, 由此形成的桥梁塔型, 本文称之为分离式倒Y型桥塔。事实上, 倒A 型桥塔也可以归类为分离式倒Y型桥塔。
当桥梁跨度低于500 m 时, 同样可以采用分离式倒Y型桥塔。分离式倒Y型桥塔近年来得到广泛采用的原因主要有以下几点: 一是桥塔本身的造型比较美观; 二是对桥面宽度变化的适应能力比较强; 三是垂直立柱分离使正桥向原先存在的索面空间闭合状态被打破, 由此形成的开放式视觉空间,可以有效降低倾斜索面对行车人视觉可能产生的压迫感。
从拓扑关系看, 分离式倒Y型桥塔可根据变形路径的不同, 退化演变为倒Y型、H 型和门型桥塔中的任何一种。换句话说, 从分离式倒Y型塔型出发进行结构拓扑优化, 可以发现目前已知常用塔型中的最优塔型。
斜拉桥的跨度最大能够达到多少是人们非常关心的一个话题。在正面回答这个问题之前, 我们先分析一下影响斜拉桥跨度急速增大的因素主要有哪些。显然, 有技术方面的因素, 也有经济和美学方面的因素。事实上, 正是多因素的复合限制了斜拉桥跨度的急速增大。从力学的角度看, 斜拉桥跨度急速增大带来的主要问题是: 第一, 由于斜拉索索力的水平分量需由主梁中的内力来平衡, 随着斜拉桥跨度的增加, 塔处主梁根部的压应力急剧增大,因此, 主梁的抗压稳定性将成为制约斜拉桥跨度急速增大的一个主要因素。第二, 长柔的拉索比较容易发生独立索振动, 加稳定索和抗风阻尼器虽在一定程度上可以缓解这一问题, 但因此付出的经济代价是否值得则有待商榷。从经济学和美学的角度看, 限制斜拉桥跨度急速增大的主要因素是: 第一, 斜拉索的最小倾斜角有一个合理的下限, 这个下限值大致在20 度左右。第二, 斜拉桥索塔的高度有一个合理的上限, 这个上限值大致在300 m～350 m左右。综合这两个因素, 我们估计斜拉桥最大可以接受的跨度应当在1 250 m～1 500 m 左右。
3 现代悬索桥的发展与演变
3.1大跨度悬索桥的出现与流行
悬索桥通常由主塔、主缆、吊索、加劲梁、锚碇五部分组成。悬索桥自古就有, 但近代意义上的大跨度悬索桥则出现在十九世纪中叶。1855 年, J1A1
Roebling 建成了世界首座跨度为250 m 的铁路悬索桥。1883 年, 美国布鲁克林桥的跨度达到了486m。1931 年, 乔治·华盛顿大桥的跨度首次超过1000 m。1937 年, 跨度1 280 m 的金门大桥在美国建成。1981 年, 英国建造了跨度1 410 m 的亨伯桥。1998 年, 日本明石海峡大桥的跨度接近2 千米, 达到1 991 m。
悬索桥跨度的不断增大一方面来源于材料科技和建造技术的进步, 但最主要的原因恐怕直接来源于设计思想的根本性转变。
在近代悬索桥的发展历史上, 曾经出现过3 次比较大的设计思想变革。 第一次变革出现在二十世纪初。1888 年, Me2len 提出了考虑载荷引起的变形对结构内力计算影响的挠度理论, 奠定了近代悬索桥设计的理论基础。挠度理论发现, 悬索桥的整体刚度主要由主缆的重力刚度构成, 加劲梁自身的刚度对结构整体刚度的贡献不大。因此, 随着桥梁跨度的增加, 加劲梁的高度可基本维持不变。1909 年, 采用挠度理论设计的曼哈顿桥在美国建成。
第二次变革出现在二十世纪四十年代。1940年, 美国建成了塔科玛桥。4 个月之后, 在19m·s - 1的风速下, 发生剧烈弯扭振动而坍塌。塔科玛桥坍塌的事故导致了两个积极的结果: 第一, 人们开始重新审视挠度理论, 发现加劲梁保持必要的刚度, 特别是抗扭刚度十分必要。第二, 桥梁的抗风设计, 或者说桥梁的抗风稳定性问题开始引起人们的高度重视。试验发现, 风引起的扭转或弯扭耦合模态的发散性振动是导致塔科玛桥坍塌的主要原因。为加强结构的抗扭刚度, 加劲梁的高度开始出现大幅反弹, 普遍达到7 m～12 m。桁架式加劲梁几乎成了大跨桥加劲梁的固定做法。
第三次变革出现在二十世纪六十年代。塔科玛旧桥坍塌事件对桥梁设计思想的影响, 在北美和在欧洲是完全不同的。美国人的做法是采用桁架式加劲梁解决减小风阻的问题, 并将加劲梁的高度大幅增加以提高断面的抗扭刚度。英国人则认为, 改善桥梁气动稳定性的合理方式, 应当是采用合理的加劲梁剖面形式, 主要通过降低风阻和控制气流分离的办法减小扭矩, 通过将横剖面闭合的办法增加箱梁的抗扭刚度。1966 年, 英国人的设计思想在塞文桥中得以实现。当时, 塞文桥988 m的跨度虽然并不起眼, 但它首次采用的流线型扁平钢箱梁设计却使整个桥梁界产生了强烈的震撼。塔科玛旧桥垮桥事件后, 对于大跨悬索桥, 桁架式加劲梁曾被认为是最有效的加劲梁形式, 这一看法由于塞文桥的出现而开始
篇二：桥梁结构选型综述
桥梁结构选型综述
杜闯
大连理工大学建设工程学部
摘要:通过对桥梁结构选型发展历史和现状的分析,探究其发展趋势;根据桥梁结构选型中安全、适用、经济、美观的基本原则,对桥梁工程方案的比选以及桥梁结构选型考虑要素进行分析; 结合工程实例, 对工程中常见的设计思路以及普遍适用于工程实际的设计、评价方法进行论述.
关键词:桥梁设计 发展历史 结构选型 方案评价
0引言
桥梁结构选型是指选用一种简单的结构力学体系(如梁 拱 索结构) 或由两种简单体系组合而成的结构体系(如系杆拱 斜拉悬吊结构 斜拉拱桥等),初步形成满足功能要求、符合结构设计原理的桥梁空间结构形式. 选型：是一种对空间几何形式和物体空间位置的理解和应用，优秀的结构设计方案在几何造型上是符合自然规律和审美观点的。因为自然界的物体均是以三维形式存在的，因此对结构形式的理解也是按三维方式展开的。人们对普通结构的认识是建立在假定空间中的自然坐标系（GCS）上的，一般根据结构形式和种类的不同根据实际需要选用笛卡尔坐标、柱面坐标和球面坐标，基于以上坐标可以描述出任何结构在假象空间中的位置。但是建筑物可能存在成千上万种构件，对每个构件均采用统一的空间位置来定位，对描述细部构造带来了很多问题同时也比较复杂不便于使用，因此人们假定构件中的
一点为原点，构件中的其它点用距原点的相对位置来表示，统一构件和简化表示方法（UCS）这样空间位置中的构件和自然坐标系中存在一定的变化规律，但表示方法和处理方法变的相对简单。国际上通常将建筑造型划分为膜结构、索结构、网架网壳结构、框架结构（含刚架、排架）、桁架结构、板壳结构（含剪力墙）、实体结构（基础和坝体结构），对此我们要根据实际需要来进行选择。[1] 1桥梁结构选型发展历史 我国桥梁的桥型发展经历了古代、近代、现代,具有强烈的时代特征, 历史和现状上看，绝大多数桥梁均架设在水面上，只有阁道桥和现代城市的行人天桥和行车天桥，是架设于高楼崇阁之间或通衢大道之上。
从对天生桥的利用到人工造桥，这是一个历史的飞跃过程。从简单的独木桥到今天的钢铁大桥；从单一的梁桥到浮桥、索桥、拱桥、园林桥、栈道桥、纤道桥等；建桥的材料从以木料为主，到以石料为主，再到以钢铁和钢筋混凝土为主，这是一个非常漫长的发展过程。然而，中国桥梁建筑都取得了惊人的成就。
著名的科学技术史学家、英国剑桥大学李约瑟博士（ J. Needham ）在《中国科学技术史》中说，中国桥梁“在宋代有一个惊人的发展，造了一系列巨大的板梁桥”。到了当代中国，所建造的武汉、南京长江大桥等，更受到世人称赞。可见，中国的桥梁，经过了一个从童年、少年、青年到壮年的发展过程，愈趋成熟。中国在发展桥梁方面于 14 世纪以前处于领先地位，今天，她依然是世界上举足轻重的桥梁大国。
20世纪50 年代的木桥, 60~ 70 年代的拱桥, 80 年代的梁桥, 90 年代的斜拉桥, 20 世纪末的悬索桥、立交桥, 每个时代桥型的发展均是桥梁结构技术进步的结果。
2桥梁结构选型发展现状
近年来, 我国桥梁上部结构, 特别是大、中跨径的桥梁发展很快, 并且基本趋于成熟[ 2] 。目前在建的一批公路桥梁, 无论是工程规模、建设条件, 还是技术难度、科技含量, 都代表着当今世界的先进水平, 例如: 位于长江中游的阳逻长江大桥, 主跨1 280 m; 长江下游的南京长江三桥, 主跨648 m; 润扬长江公路大桥、苏通长江公路大桥, 主跨1 088 m 等。总的来看, 目前国内外桥梁有向跨径不断增大、桥型不断丰富、结构不断轻型化方向发展的趋势[ 3] 。
3桥梁结构选型考虑因素
桥梁结构形式的选择应充分考虑桥址环境、地质条件、公路线型、通航要求、桥梁的使用功能要求、施工条件等各种实际情况, 提出若干可行的桥型方案进行比选, 本着安全、适用、经济、美观的原则, 结合各桥型特点, 分析各备选方案的优缺点, 选择出安全可靠、经济适用、与环境协调统一的桥型, 作为工程建设最终的桥梁方案。连续梁方案虽然造价最低, 但存在多个桥墩基础处于深水中, 对通航、排凌和防撞均不利, 施工难度也大, 且由于连续梁跨径较大, 大吨位支座设计和制造有难度, 桥型也缺乏美观性;系杆拱方案虽然主跨跨径较大, 对通航影响较小,但本项目区域地质条件较差, 不太适宜建设拱桥,且该方案施工工序多、技术复杂, 工期长, 造价高。斜拉桥方
案对通航和排凌有利, 其中独塔斜拉桥方案造价与双塔混合梁斜拉桥方案相比较低, 且全部为钢筋混凝土结构, 结构安全性及耐久性强。另外, 根据湖南省越江通道一桥一景的总体设想,本项目应优先考虑独塔混凝土斜拉桥方案, 因此,独塔混凝土斜拉桥无论在使用功能、景观设计、施工条件、施工工期以及工程造价等方面, 均有一定优势. [ 4]
4桥梁结构选型设计思路与方法
结构设计包括三个方面：选型、选材和建筑模型简化分析计算简化模型、利用力学基本概念对国家法规要求进行符合性验算、采取构造措施保证节点和细部构造画出详细的施工图。
1、选型选材和建筑模型简化：通过运用几何图形的这种手段将作用于建筑上的各种荷载（和作用）疏通和传导到基础来体现自然而和谐的结构之美。上文已详细讨论,此处不再赘述.选材：建筑结构中使用的材料种类繁多，但主要是混凝土、钢材、铝材、木材和砌体材料。对于钢材和铝材，由于材料性质简单，只要直接套用材料力学、结构力学和弹塑性力学的公式就可以解决，但是其它材料由于材料性质复杂并且在目前的条件下还没有研究得很清楚，只能按照规范中的经验公式来设计。
建筑模型简化：实际建筑模型与设计分析模型是不同的，事无具细的对建筑实际模型进行分析是目前无法办到的也是不明智的，事物的存在本身就是矛盾的，要将所有的矛盾全部解决是无法办到的，只有分析清楚主要矛盾并着手解决才能设计出合理的结构形式。对结构形式
的简化主要分为：构件形式简化、约束形式简化、作用方式和荷载作用方式的简化三方面。
构件形式简化：根据受力形式不同常见建筑结构构件单元分为：梁单元（含柱）、桁架单元（含索单元）、膜单元、板单元（薄板和厚板）、壳单元等。
梁单元：在空间有6个自由度包括3个平动自由度和3个转动自由度，受一个轴力、一个方向扭矩、两个方向弯矩和两个方向剪力作用，需要构件的物理常数为弹性膜量E、泊松比ν、剪切膜量G、面积A、两个方向的惯性矩和两个方向的剪切面积等。
桁架单元：在空间有6个自由度包括3个平动自由度和3个转动自由度，受一个轴力作用，需要构件的物理常数为弹性膜量E、泊松比ν、面积A等，利用设置只拉单元属性和垂度设置可以模拟出索结构的受力性能。
约束形式简化：约束产生美没有约束就不会有任何结构形式的存在。建筑机构约束形式的简化主要有：固接、铰接、固接约束释放、弹性连接（模拟支座沉降、半刚接和弹性地基梁或土壤的压缩性能等）、主从单元连接、滑动支座等。
作用方式和荷载作用方式的简化：荷载主要分直接作用力和间接作用力。直接作用力如自重、活动荷载、风荷载、吊车荷载、积灰荷载、雪荷载和移动荷载等，间接作用如地震作用、温度作用、爆破作用、撞击作用、火灾作用和核辐射作用等。荷载作用有标准值和设计值，设计状态有正常使用极限状态和承载力极限状态，组合系数的选用随
篇三：结构选型调研---拱结构
结构选型调研报告 —拱结构
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拱结构选型调研报告
拱结构：在外荷作用下，拱主要产生压力，使构件摆脱了弯曲变形。如用抗压性能较好的材料（如砖石或钢筋混凝土）去做拱，正好发挥材料的性能。不过拱结构支座（拱脚）会产生水平推力，跨度大时这个推力也大，要对付这个推力仍是一桩麻烦而又耗费材料之事。下面我介绍一下几种著名的拱结构建筑物： 俄罗斯风景桥：
风景桥（Zhivopisny Bridge）是俄罗斯首都莫斯科克雷拉茨科耶区横跨莫斯科河（Moskva River）的一座公路斜拉桥，全长1460m，其中主桥长409.50m，宽37m；跨河钢拱桥塔高105m，拱跨182m，斜拉索78根，拱顶下部建有圆形观景台和餐厅；桥面至水面高30m。风景桥于2007年12月建成通车。 (3)
结构形式及特点：这座桥的独特之处在于构思的巧妙。为了避免道路与附近的地铁、公园、抽水站等公共设施的干扰，在地形地物受限的情况下，充分利用了河道上的空间，将桥梁架设在河道中心线上，在平面上桥梁与河流重叠。利用刚架拱横向布置巧妙地将桥墩基础设置在两岸岸边，这样既能保证桥墩的生根，又能使桥下河流畅通无阻。另一个特点就是它的斜拉索体系。桥梁主跨为等截面的钢箱梁，钢箱梁被由刚架拱上的斜拉索牵引支撑，梁塔（刚架拱）完全分离，形成全浮悬状态，在78根拉索下组成了空间曲线索面的对称性斜拉桥。这种体系如果单就主梁的全浮悬状态来说，其抗震能力是很高的，当然，全桥的抗震水平还依赖于作为斜拉桥的主塔-刚架拱的稳定能力。看似两个毫无搭界的单一结构，一个是拱结构，一个是梁结构，它们通过斜拉索的连接使风景桥形成了一座独特的斜拉桥。考虑观光的需要，桥梁主跨正上方利用刚架拱的支撑设置了类似于太空舱的圆形旋转餐厅。这成为风景桥一个建筑特点。
赵州桥：
该桥始建于隋朝开皇十五年（公元595年），完工于
隋.大业元年（公元605年），距今已有1400多年。赵州桥
制作精良，结构独特，造型匀称优美，雕刻细致生动，历
代都予重视和保护，1991年列为世界文化遗产。赵州桥，
桥为敞间圆弧石拱，拱券并列28道，净跨37.02m，矢高
7.23m，上狭下宽总宽9m。主拱券等厚1.03m，主拱券上有
护拱石。在主拱券上两侧，各开两个净跨分别为3.8m和
2.85m的小拱，以宣泄洪水，减轻自重。桥面呈弧形，栏槛望柱，雕刻着龙兽，神采飞扬。
印度泰姬陵，全称为“泰
吉·玛哈尔陵”，又译泰姬玛哈，
是印度知名度最高的古迹之一。其
拱的应用成为建筑的一大亮点
朝天门大桥：
位于长江与嘉陵江交会处的朝天门前,此桥长1741米，主桥为190米+552米+190米，三跨连续中承式钢桁系杆拱桥。双层设计，上层双向6车道，下层双向轻轨和两个预留车道。 国内同类桥梁，此前主跨多在400米左右。 工程选址重庆市主城区朝天门码头下游约1.71公里处，施工期间，长江主航道不断航，舟船往来。 大桥2008年年底建成，相隔30分钟以上曲折车程的南北两岸，直线距离缩短到10分钟车程以内。 综上所述，我总结出拱结构的优缺点。
优点：跨越能力较大；与钢桥及钢筋砼梁桥相比，可以节省大量钢材和水泥；能耐久，且养护、维修费用少；外型美观；构造较简单，有利于广泛采用。
缺点：由于它是一种推力结构，对地基要求较高；对多孔连续拱桥，为防止一孔破坏而影响全桥，要采取特殊措施或设置单向推力墩以承受不平衡的推力，增加了工程造价；在平原区修拱桥，由于建筑高度较大，使两头的接线工程和桥面纵坡量增大，对行车极为不利。