专利名称：大跨度双向拉索悬索桥的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于提高大跨度悬索桥整体静力及动力学特性和抗风能力的带下拉索的新型双向拉索结构体系，属于结构力学、桥梁和土木工程领域。
本世纪初，随着高强度拉索的产生和新型结构力学的发展，出现了现代悬索桥，由于悬索桥具有跨度大、施工速度快、造价低和外型美观等突出优点，因而在跨度大于1000m的范围内获得巨大的成功并在向更大跨度发展。
悬索桥是一种由柔性索承重的细长结构，用于它具有跨越能力大、造型美观等独特的优点，特别适合于在峡谷、海湾和对通航能力有较高要求的河流等不易建墩的桥址建桥，因而被人们越来越多地采用，跨度也在逐渐地增大；跨度增大的一个直接后果就是其整桥的刚度降低、柔性增大，这对结构的环境振动不利。设计和建造大跨度悬索桥的关键就是要解决好整体静动力学和抗风能力问题，即要控制主塔所承受的最大弯矩和提高桥梁整体的动力特性。悬索桥的固有振动特性比较复杂，悬索和拉索使侧向弯曲和扭转强烈的耦合在一起，因而存在有侧向弯曲为主兼有扭转的振型，或者扭转为主兼有侧向弯曲的振型；悬索桥的力学本质是利用悬索和吊杆作为桥面的弹性支承。随着跨度的增大，整个桥体表现出极大的柔性，其力学性能特别是动力学特性非常复杂。
悬索桥的动力特性，最重要的有三个振型，就飘浮体系悬索桥而言，即①反对称飘浮振型，②一阶对称竖向弯曲振型，③面外侧弯振型，和④绕桥面纵轴方向的扭转(带侧弯)振型。其中①②对地震反应最为重要；②③是风振中主要考虑的振型，对于车辆振动反应来说，一阶弯曲振型是基本的。
由于悬索桥为一非常柔性的大型结构，对于大跨度悬索桥其柔性更为突出，传统的悬索桥为一上拉索(由悬索及吊杆组成)结构体系，其力学特征表现为(1)整体结构体系在面内的竖向具有很大的柔性，抗风能力较弱，各阶自然振动频率较低。
(2)主塔所承受的面内弯矩较大，这主要由于桥面的大柔性所引起的。
(3)桥面在面外的侧向弯曲和扭转比较明显，主要是由于整体桥面的抗侧弯和扭转的能力较弱所致。
(4)悬索和吊杆自身的局部横向振动明显。
本发明的目的在于提供一种新型的悬索桥设计形式，通过布置下拉索的位置和数量，可控制桥梁的静力和动力性能，降低主塔所承受的最大弯矩，以提高大跨度悬索桥整体动力学特性和抗风能力，本发明所提供的结构体系可用于设计和建造跨江、跨海的大型和特大型悬索桥，特别适用于那些对稳定性有很高要求的大跨度悬索桥，同时，对现有的部分悬索桥也可采用本发明进行技术改造，以提高稳定性、可靠性和延长寿命。
本发明设计的大跨度双向拉索悬索桥，包括桥面、主塔、上悬索，上吊杆和下拉索。上悬索张拉在主塔的上部，上吊杆的上拉点与悬索相连，上吊杆的下拉点与桥面相连，下拉索位于桥面下部，下拉索的上拉点连接在桥面上，下拉点连接在主塔的下部，下拉索的根数等于或小于上拉索的根数，下拉索和主塔下部的拉点位置与桥面之间的距离小于或等于桥高。
本发明设计的大跨度双向拉索悬索桥，其中的下拉索可以为多种结构形式，第一种是下拉索为单排，各下拉索的上拉点分别连接在桥面的中心线上，下拉点连接在主塔下部的同一位置，该位置位于主塔下部两立柱之间的中点上。第二种是下拉索为并行双排，各下拉索的上拉点连接在桥面相应一侧的同一直线上，下拉点连接在主塔下部相应一侧的同一位置，该位置位于主塔的立柱上。第三种是下拉索为交点双排，各下拉索的上拉点连接在桥面相应一侧的同一直线上，下拉点连接在主塔下部的同一位置，该位置位于主塔下部两立柱之间的中点上。第四种是下拉索为交叉双排，各下拉索的上拉点连接在桥面相应一侧的同一直线上，同一侧下拉索的下拉点连接在主塔下部相对另一侧的同一位置，该位置位于主塔的立柱上。
本发明设计的大跨度双向拉索悬索桥，具有以下特点1.双向拉索桥型的单排下拉索体系可显著提高桥梁的垂直向上、垂直向下刚度，大幅度降低主塔内产生的面内弯矩，提高面内飘浮固有振型、面内竖向弯曲固有振型的频率；但对桥梁面外侧向刚度、面外侧弯(带扭)和绕桥面纵轴方向的扭转振型和绕桥面纵轴方向的扭转固有振型的影响不大。
2.双向拉索桥型的并行双排下拉索体系可显著提高桥梁的垂直向上、垂直向下刚度，大幅度降低主塔内产生的面内弯矩，提高面内飘浮固有振型、面内竖向弯曲固有振型和绕桥面纵轴方向的扭转振型的频率；但对桥梁面外侧向刚度和面外侧弯(带扭)固有振型的影响不大。
3.双向拉索桥型的交点双排下拉索体系既可显著提高桥梁的垂直向上、垂直向下刚度，大幅度降低主塔内产生的面内弯矩，提高面内飘浮固有振型、面内竖向弯曲固有振型的频率；又对桥梁面外侧向刚度、面外侧弯(带扭)固有振型和绕桥面纵轴方向的扭转振型有较大改善。
4.双向拉索桥型的交叉双排下拉索体系既可显著提高桥梁的垂直向上、垂直向下刚度，大幅度降低主塔内产生的面内弯矩，提高面内飘浮固有振型、面内竖向弯曲固有振型和绕桥面纵轴方向的扭转振型的频率；又对桥梁面外侧向刚度和面外侧弯(带扭)固有振型的有很大改善。
5.由于双向拉索桥型的下拉索体系的作用，可对上拉索施加更大的预拉力，可提高上下拉索的横向刚度和固有特征频率。
6.在大桥的施工中，双向拉索可以提高桥面的局部稳定性，特别是侧向弯曲和扭转的稳定性。
7.在桥梁的抗风设计中，本发明可提供新的途径。
图1是大跨度悬索桥的新型双向拉索结构体系。
图2是双向拉索悬索桥的单排下拉索布置方案(横截面图)。
图3是双向拉索悬索桥的并行双排下拉索布置方案(横截面图)。
图4是双向拉索悬索桥的交点双排下拉索布置方案(横截面图)。
图是双向拉索悬索桥的交叉双排下拉索布置方案(交叉处不连接)(横截面图)。
图6至图13分别为本发明的各种不同下拉索结构对整体悬索桥力学性能的影响图。
下面结合附图介绍本发明的内容。
图1至图5中，1是主塔上部，2是上悬索，3是上吊杆，4是桥面，5是主塔下部，6是上拉杆与桥面的连接点，7是下拉索，8是下拉索与主塔立柱的连接点，9是，9是单排下拉索与桥面的连接点，10是单排下拉索的下拉点，11是双排下拉索与桥面的连接点，12是并行双排下拉索与主塔立柱的连接点，13是交点双排下拉索的下拉点，14是交叉双排下拉索与主塔立柱的连接点。
图6至图13中，A线针对图3所示的并行双排下拉索结构；B线针对图5所示交叉双排下拉索结构；C线针对图2所示的单排下拉索结构；D线针对图4所示的交点双排下拉索结构。
图6是不同下拉索结构与桥体中点垂直向下刚度的关系，下拉索为对应于上吊杆拉点自主塔处向桥体两侧布置，n/N表示下拉索数量与上吊杆数量之比；k1/K1表示双向拉索悬索桥的刚度与传统斜拉桥的刚度之比。
图7是不同下拉索结构与桥体中点垂直向上刚度的关系，下拉索为对应于上吊杆拉点自主塔处向桥体两侧布置，n/N表示下拉索数量与上吊杆数量之比，k2/K2表示双向拉索悬索桥的刚度与传统悬索桥的刚度之比。
图8是不同下拉索结构与桥体中点侧向刚度的关系，下拉索为对应于上吊杆拉点自主塔处向桥体两侧布置，n/N表示下拉索数量与上吊杆数量之比，k3/K3表示双向拉索悬索桥的刚度与传统悬索桥的刚度之比。
图9是不同下拉索结构与主塔内最大弯矩的关系，下拉索为对应于上吊杆拉点自主塔处向桥体两侧布置，n/N表示下拉索数量与上吊杆数量之比，m/M表示双向拉索悬索桥的主塔内最大弯矩与传统悬索桥的主塔内最大弯矩之比。
图10是不同下拉索结构与面内飘浮固有振型第一阶自振频率的关系(下拉索为对应于上吊杆拉点自主塔处向桥体两侧布置，n/N表示下拉索数量与上吊杆数量之比，fa/Fa表示双向拉索悬索桥的自振频率与传统悬索桥的对应阶次自振频率之比。
图11是不同下拉索结构与面内竖向弯曲固有振型第一阶自振频率的关系(下拉索为对应于上吊杆拉点自主塔处向桥体两侧布置，n/N表示下拉索数量与上吊杆数量之比，fb/Fb表示双向拉索悬索桥的自振频率与传统悬索桥的对应阶次自振频率之比。
图12是不同下拉索结构与面外侧弯(带扭)固有振型第一阶自振频率的关系(下拉索为对应于上吊杆拉点自主塔处向桥体两侧布置，n/N表示下拉索数量与上吊杆数量之比，fc/Fc表示双向拉索悬索桥的自振频率与传统悬索桥的对应阶次自振频率之比。
图13是不同下拉索结构与绕桥面纵轴方向的扭转固有振型第一阶自振频率的关系(下拉索为对应于上吊杆拉点自主塔处向桥体两侧布置，n/N表示下拉索数量与上吊杆数量之比，fd/Fd表示双向拉索悬索桥的自振频率与传统悬索桥的对应阶次自振频率之比。
本发明设计的大跨度双向拉索悬索桥，如图1所示，包括桥面4、主塔、上悬索2和上吊杆3，上悬索张拉在主塔的上部1，上吊杆的上拉点与悬索2相连，上吊杆的下拉点与桥面4相连，下拉索7位于桥面下部5，下拉索7的上拉点9连接在桥面4上，下拉点8连接在主塔的下部，下拉索的根数等于或小于上拉索的根数，下拉索和主塔下部的拉点位置与桥面之间的距离小于或等于桥高。
本发明设计的大跨度双向拉索悬索桥，其中的下拉索可以为多种结构形式，第一种是下拉索为单排，如图2所示，各下拉索的上拉点9分别连接在桥面4的中心线上，下拉点10连接在主塔下部的同一位置，该位置位于主塔下部两立柱之间的中点上，该点离桥面的距离可根据桥梁设计需要来确定。第二种是下拉索为并行双排，如图3所示，各下拉索的上拉点11连接在桥面4相应一侧的同一直线上，下拉点12连接在主塔下部相应一侧的同一位置，该位置位于主塔的立柱上，该点离桥面的距离可根据桥梁设计需要来确定。第三种是下拉索为交点双排，如图4所示，各下拉索的上拉点11连接在桥面4相应一侧的同一直线上，下拉点13连接在主塔下部的同一位置，该位置位于主塔下部两立柱之间的中点上，该点离桥面的距离可根据桥梁设计需要来确定。第四种是下拉索为交叉双排，如图5所示，各下拉索的上拉点11连接在桥面4相应一侧的同一直线上，同一侧下拉索的下拉点14连接在主塔下部相对另一侧的同一位置，该位置位于主塔的立柱上，该点离桥面的距离可根据桥梁设计需要来确定。
下面以图1所示的结构体系为例，分别就传统的结构体系(无下拉索)和本发明的结构体系(双向拉索，包括单排下拉索(参见图2)，并行双排下拉索(参见图3)，交点双排下拉索(参见图4)，交叉双排下拉索(参见图5))，采用有限元方法进行各种方案的对比计算，给出本发明的一些特点。该桥梁结构的三维计算模型为主塔采用梁单元，桥体采用壳单元，悬索、吊杆和下拉索采用只承受拉力的拉索单元(为非线性单元)，桥体两端的边界条件为沿桥面纵轴方向自由滑动；在相同的几何和外载情形下，比较传统桥型、双向拉索桥型(并行双排下拉索结构体系、交叉双排下拉索结构体系、单排下拉索结构体系、交点双排下拉索结构体系)的静力(桥体中点的垂直向下刚度、垂直向上刚度、侧向刚度、主塔内的最大弯矩)和动力(面内飘浮固有振型、面内弯曲固有振型、面外侧弯带扭固有振型、绕桥面纵轴方向的扭转振型)特性。
1、静力特性(1)整体结构的刚度就图1所示的双向拉索悬索桥计算模型，分别就传统的结构体系(无下拉索)和本发明的结构体系(双向拉索的四种结构体系)进行比较，有关桥体中点的垂直和侧向刚度的计算结果见表1。
表1桥体中点的刚度比较
表1的说明“下拉索为1-1、2-2、3-3、5-3根”意指在每一主塔的单侧和单面所采用的下拉索根数，其中前一位数字表示面向桥中心一侧的下拉索根数，后一位数字表示面向桥中心另一侧的下拉索根数，如“1-1”表示在面向桥中心一侧的下拉索为一根，面向桥中心另一侧的下拉索为一根；“5-3”表示在面向桥中心一侧的下拉索为五根，面向桥中心另一侧的下拉索为三根。桥体中点的刚度计算方法为在桥体中部施加向下的外载P，计算出桥体中点的垂直向下位移，再折算出该点的垂直向下的刚度；垂直向上的刚度也是按相同方法进行计算(施加向上的外载P)，侧向刚度是在桥体中部施加侧向外载P′，然后进行计算，表中的结果为相对比较；表2的情况也是如此。
(2)主塔中的弯矩分别就传统结构体系和本发明的结构体系中的主塔所承受的最大弯矩进行比较，结果见表2。
表2主塔内的最大弯矩比较
从表1至表2的比较可以总结以下结论(1)传统桥型的垂直刚度和侧向刚度较差，特别是垂直向上的刚度很小，采用双向拉索可显著地提高这几个方向的刚度，下拉索的四种结构体系(并行双排，交叉双排，交点双排，单排)，均可提高垂直向上、向下刚度(提高约120％-130％)，而交叉双排和交点双排下拉索体系能提高侧向刚度(提高约10％-20％)，见表1。
(2)在桥体中部垂直向下加载时，在传统桥型的主塔内产生的弯矩较大，而在双向拉索桥型中，由于下拉索体系的作用，使得主塔内产生的面内弯矩大幅度降低，仅为传统桥型的62％-65％；在桥体中部垂直向上和侧向加载时，此时，悬索及吊杆体系起的作用较小，因而在传统桥型的主塔内传递的弯矩很小，在双向拉索桥型中，由于下拉索体系可将侧向力和向上的力传向主塔内，增强了抵抗侧向和向上变形的能力。
(3)下拉索体系在抵抗向上变形、向下变形和侧向变形中发挥了非常重要的作用。即四种下拉索结构体系(并行双排，交叉双排，交点双排，单排)都对抵抗面内垂直向上、向下变形和降低主塔内的面内弯矩起到很好的作用，但对于抵抗侧向变形和传递侧向外载，双向拉索桥型的交叉双排拉索体系最为有效，交点双排拉索体系的效果次之。
2、动力特性(1)整体结构的面内飘浮固有振动的各阶频率见表3。
表3飘浮体系悬索桥的面内飘浮固有振型(所有振型均为反对称振型)<
<p>(2)整体结构的面内竖向弯曲固有振动的各阶频率见表4。
表4飘浮体系悬索桥的面内竖向弯曲固有振型(所有振型均为对称振型)<
<p>表5飘浮体系悬索桥的面外侧弯(带扭)固有振型<
4)整体结构的绕桥面纵轴向的扭转固有振动的各阶频率见表6。
表6飘浮体系悬索桥的绕桥面纵轴向扭转的固有振型<
从表3至表6的比较可以看出(1)就面内飘浮固有振型而言，双向拉索桥型比传统桥型可大幅度提高其固有频率，双向拉索桥型中的四种下拉索结构体系(并行双排，交叉双排，单排，交点双排)对提高面内飘浮固有频率的效果基本相当，就前面算例中的第一阶面内飘浮固有振型而言，双向拉索桥型比传统桥型提高频率大于180％。
(2)就面内竖向弯曲固有振型而言，双向拉索桥型比传统桥型可大幅度提高其固有频率，双向拉索桥型中的四种下拉索结构体系(并行双排，交叉双排，单排，交点双排)对提高面内竖向弯曲固有频率的效果基本相当，就前面算例中的第一阶面内竖向弯曲固有振型而言，双向拉索桥型比传统桥型提高频率大于104％。
(3)就面外侧弯(带扭)固有振型而言，双向拉索桥型中的交叉双排下拉索体系比传统桥型可大幅度提高其固有频率，交点双排下拉索体系的效果次之，双向拉索桥型中的并行双排下拉索体系和单排下拉索体系对提高面外侧弯(带扭)固有频率的作用不大；就前面算例中的第一阶面外侧弯(带扭)固有振型，交叉双排下拉索体系比传统桥型提高频率大于102％，交点双排下拉索体系比传统桥型可提高频率大于35％。
(4)就绕桥面纵轴方向的扭转固有振型而言，只有并行双排，交叉双排和交点双排这三种下拉索型式能显著提高其固有频率，提高到为传统桥型的116％，以上三种桥型提高的程度大致相当；单排桥型对提高其固有频率无贡献。
根据悬索桥静力和动力特性的要求，如，垂直向上刚度、垂直向下刚度、侧向刚度、主塔内最大弯矩、面内飘浮固有振型自振频率、面内竖向弯曲固有振型自振频率、面外侧弯(带扭)固有振型自振频率、绕桥面纵轴方向的扭转固有振型自振频率，可参照图6至图13，分别选择出下拉索的结构体系和拉索的相对数目。
权利要求
1.一种大跨度双向拉索悬索桥，包括桥面、主塔、上悬索和上吊杆，上悬索张拉在主塔的上部，上吊杆的上拉点与悬索相连，上吊杆的下拉点与桥面相连，其特征在于还包括下拉索，下拉索位于桥面下部，下拉索的上拉点连接在桥面上，下拉点连接在主塔的下部，下拉索的根数等于或小于上拉索的根数，下拉索和主塔下部的拉点位置与桥面之间的距离小于或等于桥高。
2.如权利要求1所述的悬索桥，其特征在于其中所述的下拉索为单排，各下拉索的上拉点分别连接在桥面的中心线上，下拉点连接在主塔下部的同一位置，该位置位于主塔下部两立柱之间的中点上。
3.如权利要求1所述的悬索桥，下拉索为并行双排，各下拉索的上拉点连接在桥面相应一侧的同一直线上，下拉点连接在主塔下部相应一侧的同一位置，该位置位于主塔的立柱上。
4.如权利要求1所述的悬索桥，下拉索为交点双排，各下拉索的上拉点连接在桥面相应一侧的同一直线上，下拉点连接在主塔下部的同一位置，该位置位于主塔下部两立柱之间的中点上。
5.如权利要求1所述的悬索桥，下拉索为交叉双排，各下拉索的上拉点连接在桥面相应一侧的同一直线上，同一侧下拉索的下拉点连接在主塔下部相对另一侧的同一位置，该位置位于主塔的立柱上。
全文摘要
本发明涉及一种大跨度双向拉索悬索桥,包括桥面、主塔、上悬索和上吊杆,下拉索位于桥面下部,下拉索的上拉点连接在桥面上,下拉点连接在主塔的下部,下拉索的根数等于或小于上拉索的根数,下拉索和主塔下部的拉点位置与桥面之间的距离小于或等于桥高。本发明的悬索桥可使主塔内产生的面内弯矩大幅度降低,大大增强拉索的刚度和主桥体的各方向刚度,增强桥整体抗风能力和稳定性。
文档编号E01D11/00GK1260421SQ0010055
公开日2000年7月19日 申请日期2000年1月25日 优先权日2000年1月25日
发明者曾攀 申请人:清华大学