《懸索橋及斜拉橋》課件

懸索橋及斜拉橋懸索橋和斜拉橋是兩種常見的大型橋梁結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于路橋、軌道交通等領(lǐng)域。它們分別采用不同的受力原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以跨越更大的距離并承載更重的載荷。課程目標(biāo)系統(tǒng)了解通過本課程系統(tǒng)介紹懸索橋和斜拉橋的基本概念、關(guān)鍵構(gòu)件及其受力分析。掌握設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)掌握懸索橋和斜拉橋的設(shè)計(jì)原理及關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算。提升能力提高學(xué)生對橋梁結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的能力,為后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。增強(qiáng)意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生對橋梁建設(shè)安全性、可持續(xù)性的重視意識(shí)。橋梁結(jié)構(gòu)分類懸索橋懸索橋是一種通過主纜將橋面吊掛于兩端錨碇上的橋梁結(jié)構(gòu)。主纜拉力為主導(dǎo)受力方式，具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能。斜拉橋斜拉橋采用斜拉索直接將橋面拉往橋塔形成橋梁結(jié)構(gòu)。斜拉索受力使橋梁更加剛性,抗震性能強(qiáng)。板橋板橋是一種以主梁作為主要受力構(gòu)件的簡單橋梁。主梁承擔(dān)橋面荷載并將其傳遞至橋墩。板橋結(jié)構(gòu)簡單,施工方便。梁橋梁橋是以直線或曲線梁為主要受力構(gòu)件的橋梁類型。梁橋構(gòu)造簡單,荷載傳遞清晰,抗彎強(qiáng)度高。懸索橋概述懸索橋是一種利用鋼纜進(jìn)行懸吊的橋梁結(jié)構(gòu),主要由主纜、懸索(或吊桿)、索塔和錨碇等構(gòu)件組成。其特點(diǎn)是輕量化、優(yōu)雅、支撐跨度大，在景觀橋梁中應(yīng)用廣泛。它可以跨越深谷、寬闊的河流或海峽,滿足交通需求的同時(shí)也呈現(xiàn)出獨(dú)特的美學(xué)風(fēng)格。懸索橋主要構(gòu)件主纜懸索橋的主要受力構(gòu)件,負(fù)責(zé)承擔(dān)橋面荷載并將其傳遞至橋塔和錨碇。主纜一般由鋼絲繩或高強(qiáng)鋼構(gòu)成。索塔橋梁的主要承重構(gòu)件,承受主纜的壓力并將其轉(zhuǎn)化為豎向荷載傳遞至基礎(chǔ)。索塔一般采用鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)。錨碇位于兩端的固定構(gòu)件,負(fù)責(zé)將主纜的拉力傳遞至地基。錨碇通常由混凝土或鋼制成,并設(shè)有錨固裝置。吊桿連接主纜和橋面的斜拉索,負(fù)責(zé)將橋面荷載傳遞至主纜。吊桿一般由鋼絲繩或高強(qiáng)鋼構(gòu)成。主纜及其作用1承載橋面荷載主纜是懸索橋的主要受力構(gòu)件,負(fù)責(zé)將來自橋面的垂直荷載轉(zhuǎn)移到索塔和錨碇上。2提供橋面彈性支撐主纜的張力也為橋面提供了良好的彈性支撐,以抵抗風(fēng)荷載和溫度變化帶來的影響。3確保橋梁整體穩(wěn)定主纜的拉力與橋塔和錨碇的壓力共同維持了整個(gè)橋梁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4影響橋跨長度主纜的強(qiáng)度和剛度直接決定了懸索橋的最大跨徑,是重要的關(guān)鍵參數(shù)。主纜的結(jié)構(gòu)及材料主纜結(jié)構(gòu)懸索橋的主纜由多根細(xì)鋼絲纜組成,具有優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度和耐候性。主纜通常由幾千根直徑0.5-7mm的鋼絲組成,采用螺旋纏繞的方式編織而成。材料選擇主纜材料一般采用高強(qiáng)鋼絲,具有高抗拉強(qiáng)度、塑性好和耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可確保橋梁長期安全可靠運(yùn)營。主纜表面還可采用防腐涂層,進(jìn)一步提高耐久性。吊桿及其受力狀態(tài)1吊桿結(jié)構(gòu)吊桿是懸索橋中連接主纜和橋面的重要構(gòu)件。它們通常呈立柱狀，采用鋼材或鋼筋混凝土制造。2受力特點(diǎn)吊桿主要承受垂直荷載，包括橋面自重、行人和車輛荷載。它們還需承受主纜的水平拉力。3受力分析通過受力分析可以確定吊桿的截面尺寸和材料選擇，確保其能夠承受橋梁運(yùn)營中的各種荷載。索塔的承重功能穩(wěn)定主纜力索塔主要負(fù)責(zé)通過巨大的重量和慣性力來穩(wěn)定和約束主纜的受力狀態(tài),將主纜的拉力傳遞到地基之中。傳力至地基索塔作為關(guān)鍵的力傳遞部件,將懸索橋上的全部荷載通過自身重量和結(jié)構(gòu)性質(zhì),最終傳遞到牢固的地基之中。抵抗外力干擾索塔結(jié)構(gòu)高大堅(jiān)固,能有效抵御風(fēng)荷載、地震等外部作用力的影響,保證懸索橋梁的整體安全。錨碇及其作用1穩(wěn)定結(jié)構(gòu)錨碇是懸索橋關(guān)鍵構(gòu)件之一,承擔(dān)著固定主纜、塔柱等主要結(jié)構(gòu)的重要作用,確保整個(gè)橋梁的穩(wěn)定性。2承受拉力主纜和吊桿傳遞下來的巨大拉力,需要通過錨碇牢固地固定在地基,使結(jié)構(gòu)能夠有效抗拒這些荷載。3調(diào)節(jié)受力調(diào)節(jié)錨碇的位置和角度,可以控制主纜的受力分布,優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。4增強(qiáng)抗震錨碇的設(shè)計(jì)還要考慮抗震因素,確保在強(qiáng)震作用下橋梁結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞。懸索橋整體受力狀態(tài)懸索橋的整體受力狀態(tài)是通過主纜、吊桿和索塔等關(guān)鍵構(gòu)件共同承擔(dān)的。主纜承擔(dān)拉應(yīng)力,吊桿承擔(dān)壓縮應(yīng)力,索塔承擔(dān)整體的壓力。這些結(jié)構(gòu)件如同一個(gè)整體系統(tǒng),互相配合共同分擔(dān)車輛荷載以及環(huán)境載荷,確保橋梁承載能力和安全性。懸索橋的振動(dòng)特性懸索橋結(jié)構(gòu)輕量化,極易受到各種外加載荷的影響而產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)特性是影響橋梁安全的關(guān)鍵因素,需要重點(diǎn)關(guān)注:振動(dòng)源包括風(fēng)振、車輛荷載等,會(huì)引起主纜、吊桿以及橋面板的振動(dòng)。振動(dòng)特點(diǎn)低頻、大幅度,可能導(dǎo)致疲勞損壞、行人不適感等問題。減振措施合理選用阻尼裝置,如阻尼鋼絲網(wǎng)、消能阻尼器等,有效控制橋梁振動(dòng)。風(fēng)振及減振措施風(fēng)振產(chǎn)生原因橋梁受到風(fēng)力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),這是由于風(fēng)流擾動(dòng)和橋梁自身振動(dòng)頻率的共振所致。減振設(shè)備可采用鋼支架、阻尼器等措施,通過增加結(jié)構(gòu)阻尼來有效吸收和消散振動(dòng)能量。氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)通過優(yōu)化橋梁截面形狀和布置減振翼等措施,可有效控制氣流分離,降低橋梁的風(fēng)致振動(dòng)。斜拉橋概述斜拉橋是一種新型的索橋形式,具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其主梁通過斜拉索與塔身連接,形成了一種張拉結(jié)構(gòu)。斜拉橋比懸索橋跨徑更大,受力更為合理,結(jié)構(gòu)受力更為集中,從而可以減小主梁的截面尺寸,提高材料利用率。斜拉橋廣泛應(yīng)用于跨越大河、峽谷的大跨徑大型橋梁建設(shè)中,其優(yōu)美的外觀和卓越的性能使其成為重要的橋梁類型之一。斜拉橋主要構(gòu)件主梁作為橋面的承重構(gòu)件,主梁承擔(dān)著整個(gè)橋梁的垂直荷載。斜拉橋采用鋼混合結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu)的主梁,具有良好的抗彎抗剪性能。斜拉索斜拉索是斜拉橋的核心構(gòu)件,由高強(qiáng)度鋼束組成,承擔(dān)著將主梁荷載傳遞到塔柱的關(guān)鍵作用。斜拉索布置方式?jīng)Q定了整個(gè)結(jié)構(gòu)體系。塔柱塔柱作為承載主梁及斜拉索的關(guān)鍵構(gòu)件,需要具有足夠的抗壓承載能力。其形式包括鋼管、鋼箱、混凝土等,并采用不同的平面形狀。錨碇錨碇承擔(dān)著將斜拉索拉力傳遞到地基的重要功能,其結(jié)構(gòu)形式包括重力式、抗拔式等,需要根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行選擇。主梁結(jié)構(gòu)形式鋼梁結(jié)構(gòu)鋼梁結(jié)構(gòu)主要由鋼制主梁支撐并承載整個(gè)橋梁系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)簡單牢固、重量輕、施工便捷,適用于跨度較小的橋梁?；炷亮航Y(jié)構(gòu)混凝土梁結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土為主要材料,能夠承受較大的壓縮力和彎曲力,適用于跨度中等的橋梁。箱梁結(jié)構(gòu)箱梁結(jié)構(gòu)由上下面板和腹板組成的封閉截面,具有較高的抗彎和抗扭能力,適用于跨度較大的橋梁。拱橋結(jié)構(gòu)拱橋結(jié)構(gòu)通過拱的受力形式傳遞荷載,主要受壓縮力,具有簡潔優(yōu)雅的外觀,適用于景觀橋梁。斜拉索布置方式平行布置斜拉索平行布置在橋塔上,具有結(jié)構(gòu)簡單、受力均勻的特點(diǎn)。這種布置方式廣泛應(yīng)用于各種類型的斜拉橋。放射狀布置斜拉索呈放射狀從橋塔向橋梁伸出,能有效降低橋塔和主梁的內(nèi)力,適用于跨度較大的斜拉橋。合并布置將多組斜拉索合并在同一錨固點(diǎn),可減少錨碇結(jié)構(gòu)的數(shù)量,提高施工效率。這種布置適用于斜拉橋的邊跨。斜拉索的受力分析斜拉橋的主要受力構(gòu)件之一是斜拉索。斜拉索承擔(dān)著橋梁荷載的傳遞和主梁的支撐作用。通過對斜拉索的受力分析，可以準(zhǔn)確掌握其力學(xué)特性,為設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。100T主拉力80T豎向負(fù)荷50T橫向風(fēng)荷載25T自重荷載斜拉索的受力包括主拉力、豎向負(fù)荷、橫向風(fēng)荷載以及自重荷載等。合理的配筋和預(yù)應(yīng)力的加持可以確保斜拉索在各種荷載作用下保持良好的整體穩(wěn)定性。斜拉橋塔的類型懸索橋式塔型采用懸索橋式塔型的斜拉橋,塔身主要由斜拉索和主纜連接,能更好地分散塔體受力,結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。這種塔型典型代表有東海大橋和福建海峽大橋。獨(dú)立塔型獨(dú)立塔型的斜拉橋塔身與主梁分離,獨(dú)立承擔(dān)作用。這種塔型能夠增大主梁跨徑,但塔體承受的荷載較大,設(shè)計(jì)與施工難度也更高。組合塔型組合塔型是將獨(dú)立塔型與懸索橋塔型相結(jié)合,既能增大主梁跨徑,又能分散塔體受力。這種設(shè)計(jì)能充分利用兩種塔型的優(yōu)勢。斜拉橋錨碇形式1錨碇式斜拉橋采用錨碇的形式,將斜拉索的張力力通過錨碇傳遞到橋臺(tái)或橋墩基礎(chǔ)中,起到固定支撐的作用。2自重式斜拉橋利用橋面自重和上部結(jié)構(gòu)的自重,產(chǎn)生足夠的垂直力來平衡斜拉索的張力,無需設(shè)置單獨(dú)的錨碇。3組合式斜拉橋結(jié)合錨碇式和自重式的特點(diǎn),部分力通過錨碇,部分力通過自重來平衡,提高整體穩(wěn)定性。4懸索式斜拉橋斜拉索直接與懸索橋主纜相連,借助主纜的拉力來平衡斜拉索張力,無需獨(dú)立的錨碇。斜拉橋整體受力分析斜拉橋的整體受力狀態(tài)非常復(fù)雜,主要包括主梁、斜拉索和橋塔三部分。主梁承受上部結(jié)構(gòu)自重和車輛荷載,同時(shí)也受到斜拉索的拉力作用。斜拉索根據(jù)其布置方式和數(shù)量的不同,將力量傳遞至主梁和橋塔,從而形成平衡。橋塔則是整個(gè)承重系統(tǒng)的支撐點(diǎn),承擔(dān)著主梁和斜拉索的重力力。5主梁應(yīng)力主梁的最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在支座附近,約為總應(yīng)力的5倍。20斜拉索力斜拉橋的斜拉索承受的拉力約為總荷載的20%。30橋塔高度橋塔的高度通常占整個(gè)橋梁跨徑的30%左右。10M總重量一座典型的大跨徑斜拉橋,其總重量可達(dá)10萬噸。斜拉橋抗震設(shè)計(jì)地震荷載分析通過動(dòng)力分析,準(zhǔn)確計(jì)算斜拉橋在地震作用下的內(nèi)力和變形,作為抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)?？拐饦?gòu)造措施采取合理的抗震構(gòu)造措施,如設(shè)置剪切墻、加強(qiáng)關(guān)鍵構(gòu)件、設(shè)置隔震裝置等?？拐鹦阅茉u(píng)估通過試驗(yàn)或分析,評(píng)估斜拉橋的抗震性能,對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。懸索橋與斜拉橋?qū)Ρ戎饕町悜宜鳂蛑饕捎脩宜髯鳛槌兄貥?gòu)件,而斜拉橋則使用斜拉索進(jìn)行承力。兩種結(jié)構(gòu)體系的受力、施工和美觀效果各不相同。剛度與靈活性懸索橋相對更加柔性,整體結(jié)構(gòu)更加靈活,而斜拉橋具有較高的剛度,受風(fēng)振和地震作用較懸索橋更為適用。適用條件懸索橋適用于中長跨徑橋梁,而斜拉橋適用于中短跨徑橋梁。兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢,根據(jù)具體項(xiàng)目選擇合適的形式。維護(hù)保養(yǎng)懸索橋主纜和吊桿需要定期檢查維護(hù),而斜拉橋的主梁和斜拉索也需要定期檢查。兩種結(jié)構(gòu)對維護(hù)保養(yǎng)的要求各有不同。懸索橋與斜拉橋應(yīng)用對比懸索橋應(yīng)用懸索橋適用于跨越大型河流、海峽等位置,其懸掛的索纜承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、建造效率高。適用于長跨徑、耐風(fēng)震的大型橋梁工程。斜拉橋應(yīng)用斜拉橋適用于中跨徑范圍內(nèi)的橋梁建設(shè),其塔式結(jié)構(gòu)更利于承載重力荷載,且布設(shè)靈活度高。適用于城市橋梁、山區(qū)公路橋梁等工程。應(yīng)用對比懸索橋適用于大跨徑跨越,而斜拉橋適用于中跨徑橋梁。兩種橋型各有優(yōu)勢,在具體工程中需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。橋梁維護(hù)保養(yǎng)要點(diǎn)定期檢查定期對橋梁進(jìn)行全面的安全檢查和維護(hù)保養(yǎng),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)存在的問題。腐蝕防護(hù)采取防腐蝕措施,如使用防腐涂料,及時(shí)清理去除橋梁上的銹跡和污垢。結(jié)構(gòu)加固針對橋梁老化或受損情況,采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?提高橋梁的使用壽命。環(huán)境管理保持橋梁周圍環(huán)境整潔,及時(shí)清理雜草和積雪,保證橋梁暢通和安全。橋梁安全檢測1定期檢查對橋梁進(jìn)行定期全面檢測,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。2專業(yè)儀器利用先進(jìn)的紅外成像、鋼筋掃描等儀器設(shè)備進(jìn)行全面檢測。3分析診斷對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,診斷橋梁的健康狀況和潛在風(fēng)險(xiǎn)。4維修加固根據(jù)診斷結(jié)果及時(shí)進(jìn)行維修加固,保障橋梁的長期安全。橋梁抗震加固結(jié)構(gòu)加固通過鋼板、碳纖維等材料的增強(qiáng),提高梁柱等關(guān)鍵部位的抗震性能。減震裝置安裝隔震支座、阻尼器等裝置,提高整體橋梁的抗震能力。動(dòng)力分析利用有限元分析等方法,對橋梁的抗震性能進(jìn)行評(píng)估,為加固提供依據(jù)?？沙掷m(xù)橋梁建設(shè)綠色材料采用環(huán)保節(jié)能的建筑材料,如再生鋼材和混凝土,減少碳排放和資源消耗。生態(tài)設(shè)計(jì)融入環(huán)境保護(hù)因素,最大限度保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)橋梁與自然和諧共生。智慧管理利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)橋梁全生命周期智能化監(jiān)測與管理?？刹鹦缎詷蛄涸O(shè)計(jì)采用可拆卸、可重復(fù)利用的構(gòu)件,提高材料循環(huán)利用率。小結(jié)1橋梁建設(shè)的關(guān)鍵要素懸索橋和斜拉橋是兩種重要的橋梁形式,它們各有特點(diǎn),需要在結(jié)構(gòu)、材料、施工等方面進(jìn)行全面考慮。2可持續(xù)發(fā)展的重要性在橋梁建設(shè)中,應(yīng)重視橋梁的安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性,追求可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。3橋梁養(yǎng)護(hù)的必要性橋梁建成后,定期檢查、維護(hù)和加固都是確保其長期安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在。4創(chuàng)新與協(xié)調(diào)的重要性在橋梁建設(shè)中,需要不斷推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新,同時(shí)注重與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。問題討論在介紹懸索橋和斜拉橋的基本知識(shí)之后,我們將進(jìn)一步探討兩種橋梁類型的一些重要問題。比如,如何通過合理的主纜/斜拉索布置來提高橋梁的抗震性能?如何采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)來提高橋梁的整體可靠性?如何有效地開展橋梁的日常維護(hù)檢查,確保橋梁長期安全運(yùn)行?這些都是值得我們深入研討的重要話題。課程總結(jié)知識(shí)點(diǎn)全面本課程全面介紹了懸索橋和斜拉橋的設(shè)計(jì)原理、關(guān)鍵構(gòu)件和受力特點(diǎn)等重要知識(shí)。重點(diǎn)突出重點(diǎn)分析了兩種橋型的關(guān)鍵技術(shù)問題,如索塔受力、錨碇布置、抗振設(shè)計(jì)等。實(shí)踐應(yīng)用通過對比分析,概括了兩種橋型的適用條件和應(yīng)用優(yōu)勢,對工程實(shí)踐很有指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)重點(diǎn)參考文獻(xiàn)《公路橋梁工程技術(shù)》，張艷強(qiáng)主編，人民交通出版社《公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)