专利名称：单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥及其建造方法
技术领域：
本发明属于土木工程领域，涉及一种大跨径悬索桥的建造技术，尤其涉及一种单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥。
背景技术：
悬索桥是世界上跨越能力最强的桥型，1000米以上跨度的桥梁基本上都是悬索桥。1998年，日本已经建成了跨径1991米的明石海峡悬索桥，世界排名第一。2009年，我国已经建成了跨径1650米的舟山西堠门悬索桥，世界排名第二。2010年，意大利政府计划耗资117亿美元，建造主跨径为3300米的墨西拿海峡悬索桥，以便连接意大利大陆和西西里岛的交通。修建琼州海峡大桥是中国人多年的梦想，2012年，中国政府计划耗资1400亿人民币，建造主跨径为3500左右米的琼州海峡公铁两用大跨径悬索桥，以便连接中国大陆和海南岛屿的交通。目前，世界上掀起了一股跨海连岛大桥的建设热潮，为了满足2艘50万吨级的轮船通航要求，为了避免修建花费巨大的深海深水基础，需要修建3000 5000米跨径的海峡大桥。悬索桥最常见的缆索布置形式是平行缆索体系，即具有两个由主缆和吊杆形成的竖向平行索面体系。传统的竖向平行的缆索体系悬索桥具有竖向承载力强的特点，能担负跨径3000 5000米悬索桥的上部结构重量和车辆荷载，但是，由于竖向平行的缆索体系侧向刚度差，抗扭刚度差，不能满足3000 5000米大跨径海峡悬索桥的抗风稳定性要求。随着悬索桥桥梁设计和施工水平的不断提高，现代悬索桥的跨径纪录不断刷新，悬索桥结构日趋轻柔化。悬索桥跨度大幅度增长带来的主要问题是悬索桥结构空间刚度的急剧下降，竖向平行的缆索体系悬索桥对风荷载的作用非常敏感，抗风问题日益突出，这使得风致振动对大跨径悬索桥安全性的影响更加重要，而影响大跨径悬索桥风振性能最为关键的因素就是抗风稳定性，即悬索桥的颤振稳定性，改善抗风稳定性能是大跨径悬索桥设计中的一个重要课题，风作用下的结构颤振稳定性已经成为影响大跨径悬索桥建设的重要因素。改善大跨度悬索桥抗风稳定性能应以提高悬索桥结构系统整体刚度为主，以控制悬索桥结构振动特性和改善断面气动性能等手段为辅。大跨度悬索桥的结构刚度主要来自于主缆，提高悬索桥结构整体刚度的着眼点应放在增加主缆空间刚度上。因此，在桥梁工程界，为了建造3000 5000米的特大跨径跨海连岛悬索桥，亟需一种抗风稳定性强的新型空间缆索体系的特大跨径悬索桥结构形式。单叶双曲面和双曲抛物面是典型的二次直纹曲面，其曲面可以由两族直线构成，二次直纹曲面在建筑上有着重要应用价值，常常用它来构成建筑物的骨架，应用直纹曲面建造的建筑物，具有优良的力学性能，施工工艺简单，张拉直线预应力钢丝较为方便，其建筑物外观漂亮且结构坚固。许多大型仓库、音乐厅，体育馆建筑的屋面外形就是采用双曲抛物面马鞍形的，通过直线张拉预应力钢丝，达到大跨屋面结构承载力要求。利用单叶双曲面的直纹性，将两族直线的交叉点牢固连接在一起，就会得到一个非常轻巧而非常坚固的建筑物，发电厂的巨大冷却塔常用的外形就是单叶双曲面，藤条花篮也常常应用单叶双曲面外形，600米高的广州电视塔“小蛮腰”就是利用单叶双曲面的直纹性原理建造的。借鉴中国西藏墨脱滕网桥的结构构造，依据〃张拉整体〃大跨结构设计理念，利用单叶双曲面的直纹特性，构建空间索网，形成单叶双曲面形式的空间缆索体系，固定空间索网主缆的交叉节点，设置椭圆形钢结构加强环圈梁，提高缆索体系的空间刚度，采用门式钢结构刚性中央扣，加强空间缆索与加劲梁的藕合性作用，最后安装吊杆和加劲梁桥面系，建造一种单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥。
发明内容
技术问题:本发明提供一种结构空间刚度大、跨越能力强、抗风稳定性好的单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥。依据单叶双曲面的直纹特性，改革传统悬索桥的竖向平行缆索体系，将粗重的集中缆索改为分散的空间钢丝缆索，多股钢丝缆索空间交叉布置，以便建造3000 5000米的特大跨径海峡悬索桥。技术方案:本发明的单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥，包括筒网状空间主缆、桥塔、钢圈塔头、吊杆、加劲钢梁和锚碇，筒网状空间主缆作为悬索桥的主缆与钢圈塔头连接，钢圈塔头设置在桥塔顶端，加劲钢梁通过吊杆悬吊在筒网状空间主缆的下方，筒网状空间主缆是由数根钢丝缆索空间交叉构成的，其空间构型为单叶双曲面空间索网下垂形成的封闭筒管状索网，筒网状空间主缆的钢丝缆索穿过钢圈塔头上的预留孔洞，筒网状空间主缆的两端锚固于锚碇之中。沿悬索桥纵向在筒网状空间主缆中设置多道椭圆形钢环梁，筒网状空间主缆的钢丝缆索穿过椭圆形钢环梁并与之固定连接，吊杆的上端固定于椭圆形钢环梁上，吊杆下端与加劲钢梁连接。在悬索桥中间区域设置有数道门式刚性中央扣，门式刚性中央扣下端与加劲钢梁连接，上端与椭圆形钢环梁连接。本发明的单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥的施工方法，包括以下步骤:第一步:开挖基坑，施工桥梁基础，建造悬索桥的桥塔、钢圈塔头和锚碇；第二步:在架设牵引索和修建临时施工猫道后，依据单叶双曲面方程，进行精确的测量和放样，多股缆索空间交叉布置，牵引筒网状空间主缆的钢丝缆索穿过钢圈塔头的预留孔，采用锚具将筒网状空间主缆锚固于锚碇之中，架设筒网状空间主缆，进行空间缆索的紧缆工作和线形调整后，采用U型夹具固定筒网状空间主缆的交叉点；第三步:将内外层结构形式的椭圆形钢环梁运输到位，安装椭圆形钢环梁，采用夹具将筒网状空间主缆与椭圆形钢环梁牢固连接，在椭圆形钢环梁的内部设置型钢支撑，形成横向刚性断面，加强筒网状空间主缆的空间刚度；第四步:将吊杆的上端牢固安装在椭圆形钢环梁的吊耳上，吊装加劲钢梁到位，将加劲钢梁固定连接在吊杆的下端；第五步:在悬索桥桥中间区域，安装门式刚性中央扣，将门式刚性中央扣的下端与加劲钢梁连接，上端与椭圆形钢环梁连接，加强筒网状空间主缆和加劲钢梁的协同工作能力，提高抗风稳定性，最后安装栏杆和桥面铺装，形成单叶双曲面空间缆索体系的特大跨径悬索桥，建造3000 5000米的特大跨径海峡悬索桥。随着悬索桥跨度的不断增大，平行缆索体系大跨径悬索桥的弯曲频率与扭转频率互相接近，大跨径悬索桥结构颤振临界风速降低。大跨径悬索桥的颤振临界风速与悬索桥梁的扭转频率和扭弯频率比值相关，采用空间缆索体系悬索桥是提高大跨悬索桥的颤振稳定性最为行之有效的方法。大跨度悬索桥的结构整体刚度主要来源于缆索体系刚度，将平行缆索体系悬索桥改变为单叶双曲面空间缆索体系悬索桥，可大幅度提高大跨径悬索桥的抗侧力刚度和抗扭刚度，可增加大跨径悬索桥结构的扭转频率和扭转频率比值，提高大跨径悬索桥颤振稳定性。采用门式钢结构刚性中央扣，将空间缆索和加劲梁连接在一起，可将加劲梁的扭转振动与空间缆索体系的扭转振动在一定程度上耦合起来，可将空间缆索和加劲梁的扭转振动同侧向水平振动在一定程度上耦合起来，达到提高大跨径悬索桥结构抗扭刚度和扭转频率的目的，加强大跨径悬索桥的抗风稳定性能。单叶双曲面是一种典型直纹曲面，其曲面可以由两族直线构成，直纹曲面在建筑上有着重要应用价值，常常用它来构成建筑物的骨架。单叶双曲面直纹网格体系存在着许多交叉节点，连接固定这些交叉点，可以提高单叶双曲面空间缆索结构体系的整体性。采用单叶双曲面空间索网主缆作为大跨径悬索桥承重缆索，可提高大跨径悬索桥的空间结构刚度，增加悬索桥结构的抗侧力刚度、抗扭刚度和扭转频率，提高大跨径悬索桥颤振稳定性。为了加强空间缆索体系的空间刚度和整体性，在单叶双曲面空间缆索体系中，配置椭圆形钢结构加强环圈梁，椭圆形钢结构加强环圈梁采用内外层装配式钢结构环圈梁形成，内外层钢圈梁采用夹具夹紧，外环圈梁吊住上层缆索网，内环圈梁吊住下层网缆索网。椭圆形钢结构加强环圈梁结构设置吊耳，可方便三维吊杆的安装，确保加劲梁桥面系与空间缆索体系共同受力工作。大跨径单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的空间缆索体系外形非常漂亮，外观形状如小蛮腰，单叶双曲面横向剖面为一组椭圆，单叶双曲面可以看作是由一系列平行椭圆构成的，中间腰部位置椭圆最细小，两端椭圆截面逐渐变大。单叶双曲面的侧向剖面的方程为双曲线，单叶双曲面空间缆索体系侧面是对称的内凹的曲面索网，犹如风缆一样，紧紧地互相对拉着拽住椭圆形钢结构加强环圈梁，单叶双曲面形状的空间缆索体系可以提供缆索水平分力，抵抗海峡环境的巨大风荷载作用，保证大跨径悬索桥结构侧向稳定性，提高大跨径悬索桥抗风能力。为了提高大跨径悬索桥抗风稳定性，在大跨径悬索桥的跨中区域，设置数道钢结构门式刚性扣，将空间缆索、椭圆形钢结构环圈梁以及钢加劲梁等结构构件连接成为一体，可增加大跨径悬索桥结构整体性，可将加劲梁的扭转振动与空间缆索体系的扭转振动在一定程度上耦合起来，进一步提高悬索桥结构的空间抗扭刚度。本发明依据“张拉整体”大跨结构设计理念，依据单叶双曲面的直纹特性，根据特大跨径海峡悬索桥的抗风稳定性受力需要，改革传统悬索桥的竖向平行的缆索体系，将粗重的集中缆索，改为分散的空间钢丝缆索，多股钢丝缆索空间交叉布置，形成单叶双曲面形式的空间缆索网状悬索结构体系，固定空间缆索交叉节点，设置椭圆形钢结构加强环圈梁，设置门式钢架刚性中央扣连接空间缆索和加劲梁，增加大跨径悬索桥结构整体性，提高空间缆索体系悬索桥的抗扭刚度和抗侧力刚度，安装吊杆和加劲梁桥面系，建造一种单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥，从根本上解决大跨径悬索桥抗风稳定性问题，满足建造3000 5000米的特大跨径海峡悬索桥的技术要求。有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
随着跨海连岛工程建设热潮的发展，海峡悬索桥的跨径不断增加，悬索桥结构日趋轻柔化，结构抗风稳定性已经成为影响大跨径悬索桥建设的重要因素。本发明依据〃张拉整体〃大跨结构设计理念，利用单叶双曲面的直纹特性，改革传统悬索桥的竖向平行缆索体系，采用单叶双曲面空间索网主缆体系，将粗重的集中缆索，改为分散的空间钢丝缆索，多股钢丝缆索空间交叉布置，固定空间缆索交叉节点，形成单叶双曲面形式的空间缆索网状悬索结构体系，建造一种单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥。与传统的竖向平行缆索体系悬索桥相比，单叶双曲面空间缆索网状悬索结构体系增加了大跨径悬索桥的空间刚度，提高了大跨径悬索桥的抗扭刚度和抗侧力刚度，提高了悬索桥的扭转频率，增加了悬索桥的扭弯频率比值，大跨径悬索桥的颤振临界风速大大提高，可从根本上解决大跨径悬索桥抗风颤振稳定性问题。在单叶双曲面空间缆索体系中，每隔30 40米左右，设置一道椭圆形钢结构加强环圈梁，加强了单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的空间刚度和整体性，确保空间缆索体系各股钢丝缆索协同工作。椭圆形钢结构加强环圈梁采用内外层钢圈梁环形式，内外层钢圈梁用夹具夹紧，外圈梁吊住上层缆索网，内圈梁吊住下层网缆索网。设置椭圆形钢结构加强环圈梁，可以加强空间缆索体系悬索桥的抗扭刚度，提高大跨径悬索桥的颤振临界风速，提高空间缆索体系悬索桥抗风稳定性能。设置扁状椭圆钢圈梁，有利于吊杆安装施工，在悬索桥的跨中处，扁状椭圆钢圈梁截面宽度为3/4 4/5桥面系宽度，可设置向内倾斜的吊杆拉住加劲梁，有利于提高大跨径悬索桥颤振稳定性；在桥塔位置处，扁状椭圆钢圈梁截面宽度为2 3倍的桥面宽度，可设置向外倾斜的吊杆拉住加劲梁，有利于提高大跨径悬索桥抗静风性能。单叶双曲面空间索网主缆体系悬索桥的外观形状如小蛮腰形状,空间缆索体系侧面是对称内凹的曲面索网，单叶双曲面形状的空间索网犹如风缆一样，紧紧地互相对拉着拽住椭圆形钢结构加强环圈梁，单叶双曲面空间缆索体系具有较大的抗侧力刚度，空间索网主缆可以提供缆索水平分力，因此，大跨径悬索桥具有很大的抗侧向静风荷载能力，可抵抗海峡地区的巨大风荷载作用，可保证大跨径悬索桥结构侧向稳定性。在大跨径悬索桥的中间区域，设置数道门式钢结构刚性中央扣，加强空间缆索与加劲梁的藕合性作用，加强空间缆索与加劲梁的协同工作能力，增加大跨径悬索桥结构整体性。设置门式刚性中央扣，可将加劲梁的扭转振动与空间缆索体系的扭转振动在一定程度上耦合起来，将空间缆索和加劲梁的扭转振动同侧向水平振动在一定程度上耦合起来，提高大跨径悬索桥结构抗扭刚度、扭转频率和扭弯频率比值，增加大跨径悬索桥结构的阻尼，改变大跨径悬索桥结构振动特性，提高颤振临界风速，提高大跨径悬索桥抗风稳定性。本发明的单叶双曲面空间缆索体系悬索桥具有跨越能力强、结构空间刚度大、抗风稳定性好等优点，可从根本上解决特大跨径悬索桥抗风颤振稳定性问题，以便建造3000 5000米的特大跨径海峡悬索桥。
图1是本发明单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥的全桥三维示意图；图2是本发明单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥的桥塔处三维示意图3是本发明单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥的锚碇基础示意图；图4是本发明单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥的跨中剖面示意图；图5是本发明单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥的1/4点剖面示意图；图6为单叶双曲面空间索网的构型示意图。图中有:筒网状空间主缆I ;桥塔2 ;钢圈塔头3 ;椭圆形钢环梁4 ;吊杆5 ;加劲钢梁6 ;门式刚性中央扣7，锚碇8。
具体实施例方式下面结合说明书附图，对本发明做进一步具体说明。实施例1:本发明的单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥，包括筒网状空间主缆1，桥塔2，钢圈塔头3，椭圆形钢环梁4，吊杆5，加劲钢梁6，门式刚性中央扣7和锚碇8，筒网状空间主缆I是由数根钢丝缆索空间交叉构成，其空间构型为单叶双曲面空间索网下垂形成的封闭筒管状索网，筒网状空间主缆I作为超大跨径悬索桥的主缆，钢圈塔头3固定桥塔2的顶部，筒网状空间主缆I的钢丝缆索穿过钢圈塔头3上的预留孔洞，锚固于锚碇8之中，筒网状空间主缆I沿着悬索桥纵向设置多道椭圆形钢环梁4，吊杆5的上端固定于椭圆形钢环梁4上，加劲钢梁6通过吊杆5和椭圆形钢环梁4悬吊在筒网状空间主缆I的下方，在悬索桥中间区域设置数道门式刚性中央扣7，门式刚性中央扣7下端固定于加劲钢梁6，上端与椭圆形钢环梁4连接，加强筒网状空间主缆I与加劲钢梁6的结构整体性。实施例2:本发明的单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥的施工方法，包括以下步骤:第一步:根据地质地形、地貌条件及通航要求，进行特大跨径海峡悬索桥的桥址选择，开挖基坑，施工桥梁基础，修建特大跨径海峡悬索桥的桥塔2、钢圈塔头3和锚碇8 ；第二步:在架设牵引索和修建临时施工猫道后，依据单叶双曲面方程，进行精确的测量和放样，多股缆索空间交叉布置，牵引钢丝缆索穿过钢圈塔头3预留孔，锚固于锚碇8基础中，架设筒网状空间主缆1，进行空间缆索的紧缆工作和线形调整后，固定筒网状空间主缆I的交叉点；第三步:运输内外层结构形式的椭圆形钢环梁4到位，安装椭圆形钢环梁4，采用夹具将筒网状空间主缆I与椭圆形钢环梁4牢固连接，在椭圆形钢环梁4的内部设置型钢支撑，形成多道横向刚性断面，加强筒网状空间主缆I的空间刚度；第四步:将吊杆5的上端牢固安装在椭圆形钢环梁4的吊耳上，吊装加劲钢梁6到位，将加劲钢梁6固定连接在吊杆5的下端；第五步:在大跨径悬索桥中间区域，安装门式刚性中央扣7，加强筒网状空间主缆I和加劲钢梁6的协同工作能力，提高抗风稳定性，最后安装栏杆和桥面铺装，形成单叶双曲面空间缆索体系的特大跨径悬索桥，建造3000 5000米的特大跨径海峡悬索桥。实施例3:某海峡大桥是一座公铁两用特大跨径悬索桥，主跨径为3600m，桥面全宽60m，悬索桥的分跨径为1200m+3600m+1200m，桥面两侧是公路部分单向3车道，桥面中间部分为双轨铁路，为了满足抗风稳定性要求，采用单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥的桥型。桥塔为门柱式桥塔，桥塔高为420米，桥塔为型钢混凝土组合结构，塔柱为18 X 15米矩形截面，塔柱中设置5道刚性横梁，桥塔基础为2个圆形的地下连续墙结构。锚碇采用大体积钢筋混凝土结构，棱柱体形锚碇可使得锚碇嵌入土体。桥塔结构顶部设置椭圆形钢圈塔头，钢圈塔头长轴尺寸为120米，短轴尺寸为60米。悬索桥主缆采用单叶双曲面空间缆索体系，钢丝缆索空间交叉布置，筒网状空间主缆的钢丝缆索穿过钢圈塔头上的预留孔洞，锚固于锚碇之中，本桥筒网状空间主缆由32根缆索组成，采用预制平行索股法(PPWS法)工艺，采用1800MPa的Φ5.2mm高强钢丝，筒网状空间主缆钢丝用量为32根X 61索股X 127丝，每根缆索直径为45.Scm0椭圆形钢环梁是由一系列大小不一的椭圆形钢圈梁构成的，大桥中间腰部位置椭圆最细小，两端椭圆截面逐渐变大，大桥中间腰部位置的椭圆形钢圈梁长轴尺寸为40米，短轴尺寸为，20米。本桥桥面设置左右两组预应力钢丝吊杆，吊杆间距为30米，共计2X120根吊杆。加劲梁采用钢桁架式加劲梁，钢桁架高为12米。悬索桥的中间区域设置5道刚性中央扣，采用钢结构门式刚性扣形式，进一步加强筒网状空间主缆与加劲钢梁的整体性。本发明的单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥施工工艺流程为:大跨径悬索桥选址——桥塔施工——锚碇施工——空间缆索体系施工——安装椭圆形钢结构加强环圈梁——安装吊杆——吊装加劲梁——安装刚性中央扣——桥面铺装等。在单叶双曲面空间缆索体系的特大跨径悬索桥施工作业中，必须注意抓紧抓细各环节，具体施工工艺要点如下: (I)大跨径悬索桥选址悬索桥是大跨径桥梁，应进行多方案对比分析，开展技术性和经济型分析研究。大跨径悬索桥桥址选择应综合考虑水文、地形、地物、地貌以及工程地质等方面要求，通航河段应考虑通航方面的长期规划要求。桥梁位置影尽量可能设在河道顺直、主流稳定、河槽能通过较集中流量的河段上，悬索桥桥位应选择在河道较窄地段。悬索桥属于大跨径桥梁，桥塔和锚碇位置需要良好的地质条件，悬索桥桥梁宜设在地质构造单一，岩石稳定，基岩埋藏较浅，土层坚实，地质良好的地段。悬索桥不宜设在断层、滑坡、溶洞、盐溃土和泥沼等不良地段，应避开断层破碎带，特别是近期有活动的地震断层带。大跨径海峡悬索桥应充分利用海中的岛屿，可以分段建桥。跨海峡悬索桥应尽量采用大跨径的悬索桥，满足航道发展要求，同时也尽量避免在深水中修建桥墩。单叶双曲面空间缆索体系的跨海峡悬索桥应选择桥梁两岸有坚实的基岩场地，以便采用隧道式复合锚碇，利用预应力岩锚，发挥深层岩石的锚固力，减少工程造价，确保缆索锚固安全可靠。(2)桥塔施工大跨径悬索桥桥塔的高度通常在100米以上，属于高耸结构范畴，桥塔是大跨径悬索桥的重要的受力构件，承担着主缆重量、桥面系重量以及车辆荷载等竖向荷载，塔柱必须具有强大的抗压承载能力，塔柱基础必须牢固可靠。同时，高大的悬索桥桥塔承担着巨大的风荷载和地震作用力，因此，应保证悬索桥桥塔具有强大的侧向承载能力。悬索桥桥塔常见的横向结构形式为刚构式、桁架式和混合式等形式，刚构式外形明快简洁，施工方便，刚构式桥塔适合1500米跨径以下的悬索桥桥梁；桁架式桥塔具有较大的抗水平荷载能力，但交叉支撑斜杆施工困难，桁架式桥塔适合2000米跨径以上的悬索桥桥梁。悬索桥桥塔纵向结构形式常见的有I字型、A字型以及人字型等形式，I字型桥塔形式简单，施工方便，适合跨径2000米以下的单跨悬索桥桥梁；A字型以及人字型桥塔纵向刚度大，但是，其施工困难，适合多跨多塔悬索桥的中塔或跨径3000米以上的单跨悬索桥桥塔。悬索桥桥塔建筑材料分类有混凝土结构、钢结构以及组合结构形式，混凝土塔柱结构具有抗压承载力大，施工方便、造价低和维护费用低等优点，但是施工工期长。近年来，采用了滑模浇筑混凝土的施工方法，混凝土高塔柱施工变得非常方便了。钢结构塔柱结构具有施工速度快、工厂化预制作和交叉支撑施工简单等特点，但是造价较高。单叶双曲面空间缆索体系的悬索桥，适合3000 5000米的特大跨径海峡悬索桥，桥面以上的塔高按照1/9 1/11跨径计算，应为280 500米，加上桥面以下通航高度80 90米，桥塔总高约为360 580米。因此，单叶双曲面空间缆索体系的海峡悬索桥桥塔工程量巨大，桥塔结构受力巨大，建议的横向结构形式采用桁架式桥塔，纵向结构形式采用A字型或者人字型桥塔，中下部位塔身采用混凝土一型钢组合结构建造，上部桥塔采用钢结构建造。特大跨径海峡悬索桥采用单叶双曲面空间索网状的缆索体系,可加强大跨径悬索桥的抗风稳定性，单叶双曲面空间缆索体系横截面呈现椭圆截面形式，因此，桥塔顶部设置巨型扁形椭圆钢环梁，支撑单叶双曲面空间缆索体系。由于单叶双曲面空间缆索体系在桥塔位置的椭圆截面宽度大于桥面系的宽度，单叶双曲面空间缆索体系的大跨径海峡悬索桥桥塔的顶部可设置一个带有外悬臂形式的巨型扁形椭圆钢环梁结构形式，桥塔顶部外形犹如带悬挑形式的输电铁塔，巨型扁形椭圆钢环梁与桥塔塔柱焊接牢固。巨型扁形椭圆钢环梁中设置型钢支撑结构，确保扁形椭圆钢环梁结构受力安全性，并设置预埋式转向空心钢管，替代传统的鞍座，以便实现缆索在桥塔处转向。单叶双曲面空间缆索体系大跨径悬索桥的桥塔宜采用四柱式A字型桥塔，四柱之间采用巨型横梁和斜支撑连接。(3)锚碇施工锚碇是悬索桥的重要组成构件，起着锚固主缆的作用，它将主缆中的拉力传递给地基，悬索桥锚碇常见的形式为重力式锚碇和隧道式锚碇。重力式锚碇依靠自重来抵抗主缆的竖向分力，缆索的水平分力则由锚碇与地基之间的摩阻力或者嵌固力来抵抗。早期的悬索桥重力式锚碇多采用钢框架锚固系统，整个钢框架浇筑在锚块混凝土内，主缆索股与型钢拉杆相对应，该系统用钢量大，施工复杂。钢框架锚固系统已经逐步被预应力锚固系统所替代，预应力锚固系统由预应力筋和缆索股连接件构成，主缆索股通过连接件与预应力筋相连将力转给锚块，该系统用钢量少，布置灵活，施工方便。当悬索桥两岸有坚固的基岩时，可采用隧道式锚碇，在基岩中开凿斜向隧道，在隧道底部设置锚锭板，填塞一段楔形混凝土圆锥体作为锚块，可以大大节省工程数量，降低工程造价。单叶双曲面空间缆索体系悬索桥一般用于特大跨径海峡悬索桥，缆索拉力巨大，需要巨大的锚碇锚力，需要对锚碇体系进行科学改进。建议采用隧道复合式锚碇体系，充分利用锚碇后端围岩，利用预应力岩锚调动深层岩石的锚固力，预应力岩锚和隧道式圆锥体状的锚固块结构一起共同作用。与传统重力式锚碇和隧道式锚碇相比，锚碇结构充分发挥了预应力岩锚的轴向刚度，预应力岩锚锚固深层岩石极大地增加了锚固力，可以确保新式单叶双曲面空间缆索体系悬索桥缆索的锚固要求。(4)空间缆索体系施工主缆是悬索桥的生命线，主缆是通过塔顶索鞍悬挂在主塔上并锚固于两端的锚碇中的柔性承重构件，通过缆索夹和吊杆与加劲梁向连结，主缆承受加劲梁恒载、车辆活载、温度荷载以及横向风荷载，并将所受的荷载传递到塔顶。悬索桥主缆架设的主要施工工序为:架设导索和牵引索——架设猫道——主缆架设——缆索夹和吊杆安装等工作。悬索桥导索的架设通常采用海底拽拉法、浮子架设法、自由悬挂法和直升机吊运等方法，然后，利用导索采用循环往复式的拽拉系统架设牵引索，架设猫道承重索。悬索桥猫道结构系统是由猫道承重索、猫道面层、栏杆、横向天桥和猫道风缆等组成。悬索桥猫道是重要的空中走道和作业平台，供主缆钢丝索股拖拉架设、测量、调索、主缆紧缆、安装索夹和吊索、主缆缠丝及防护工作之用。悬索桥的施工时，一般设有两个猫道。每个猫道各供一侧主缆施工所需，猫道宽度一般约为4米左右。为增强猫道的整体刚度，并满足通行需要，在适当位置设置猫道横向天桥，将两侧猫道连通。为提高猫道的抗风稳定性和调整猫道面层形状，设置猫道抗风缆索，猫道抗风缆索和猫道承重索通过拉索相连。悬索桥架设主缆方法有空中纺丝法(AS法)和预制平行索股法(PPWS法)，其中预制平行索股主缆架设法较为先进，其功效、质量、精度都高。预制平行索股法是将在工厂预制平行高强钢丝组成的索股运送到工地的安装方法，预制索股每束含有直径5.2mm的钢丝61、91、127根，两端嵌固热铸锚头，其外形为正六边形。利用牵引索把一根根索股牵引上塔，放入鞍座并与锚杆连接。主缆索股牵引方法分为门架式拽拉器牵引方法和轨道小车牵引方法两种。预制主缆索股与安装于牵引索上的拽拉器相连，通过驱动装置收放使牵引索带动拽拉器穿过猫道门架导轮组、塔顶门架导轮组、锚碇门架导轮组作往复运动，将钢丝索股逐根沿着猫道滚筒拉铺到猫道上。索股牵引架设过程中，应尽量匀速牵引。主缆索股架设其主要工序为:①丝股牵引架设:利用拽拉设施将预制丝股通过猫道拽拉架设，锚头临时锚固索股提升横移和入鞍:牵引结束后，将索股从滚轮上提起，并横移至鞍座上方，整形后入鞍；③索股垂度的调整:晚上气温稳定时进行索股垂度的调整，即对基准丝股的跨中绝对标高和非基准丝股的跨中相对标高进行控制调整，④索股张拉力调整，锚头正式锚固。当主缆全部索股架设完毕就位后，接下来的工作是紧缆，其目的是为了使主缆压紧成圆形，达到设计要求的空隙率，以满足安装索夹要求。紧缆施工过程有初紧缆和正式紧缆两阶段。在温度稳定的夜晚进行预紧缆作业，利用千斤顶等工具对主缆进行初步整圆，每间距5m用临时钢带捆扎。预紧缆作业完成后，由低处向高处(由跨中向塔顶)方向，利用紧缆机进行正式紧缆作业。主缆紧缆后，就可进行索夹、吊索的安装、加劲梁安装、主缆缠丝以及主缆防腐等工作。单叶双曲面空间缆索体系悬索桥采用的是空间缆索体系，其缆索施工精度要求更高。可在传统悬索桥缆索架设工艺基础上，进行适当改革，实现单叶双曲面空间缆索体系架设施工。首先，在桥塔处单叶双曲面空间缆索的中心高度位置，沿着大跨径桥梁纵轴向设置一道猫道，作为临时施工运输平台。牵引一根根钢丝绳到猫道上，采用提升设备，提升钢丝绳到桥塔的巨型扁形椭圆钢环梁位置，采用锚具锚固钢丝绳在桥塔上，形成椭圆柱面状的平行钢丝绳群。然后，斜方向移动钢丝绳位置并锚具锚固于桥塔上，形成单叶双曲面形状的空间钢丝绳索网，连接钢丝绳空间网的交叉点，形成单叶双曲面空间索网临时施工运输猫道。修建运输猫道时候，桥塔背后可配置多道八字形的临时缆索，以便桥塔结构受力平衡。利用单叶双曲面空间钢丝绳索网的临时施工运输猫道，牵引一根根主缆索股，穿过桥塔出的空心转向钢管，多股钢丝缆索空间交叉布置，形成单叶双曲面空间缆索网，全部钢丝索股架设到位后，将各个主缆索股紧缆为圆形截面，采用U型夹子连接固定主缆空间网的交叉点，形成单叶双曲面空间缆索体系，安装椭圆形钢结构加强环圈梁，安装索夹、吊杆，吊装加劲梁，形成单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥。单叶双曲面的直纹曲面空间缆索体系外形非常漂亮，外观形状如小蛮腰，单叶双曲面横向剖面为一组椭圆，单叶双曲面可以看作是由一系列平行椭圆构成的，中间腰部位置椭圆最细小，两端椭圆截面逐渐变大，单叶双曲面空间缆索体系的变截面布置缆索形式是非常有利于大跨径悬索桥结构抗风稳定性。单叶双曲面的侧向剖面的方程为双曲线，单叶双曲面空间缆索体系侧面是对称的内凹的曲面索网，犹如风缆一样，紧紧地互相对拉着拽住椭圆形钢结构加强环圈梁，单叶双曲面形状的空间缆索体系可以提供缆索水平分力，抵抗海峡环境的巨大风荷载作用，保证大跨径悬索桥结构侧向稳定性，提高大跨径悬索桥抗风能力。(5)安装椭圆形钢结构加强环圈梁为了加强单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的空间刚度和整体性，为了确保空间缆索体系各股钢丝缆索协同工作，在单叶双曲面空间缆索体系中，每隔30 40米左右，应设置一道椭圆形钢结构加强环圈梁，钢圈梁环截面尺寸应与单叶双曲面空间缆索体系断面相适应，吊杆一端固定在钢结构加强环圈梁上，以便吊住加劲梁。椭圆形钢结构加强环圈梁宜采用内外层钢圈梁环形式，内外层钢圈梁用夹具夹紧，外圈梁吊住上层缆索网，内圈梁吊住下层网缆索网，椭圆形钢结构加强环圈梁设置方向宜与空间网缆索截面垂直，确保传递吊杆力到空间缆索网。在椭圆形钢结构加强环圈梁内部，设置钢结构支撑杆件，以便加强椭圆形钢圈梁的刚度，减少钢圈梁的应力。在悬索桥的跨中处，扁状椭圆钢圈梁截面宽度宜为3/4 4/5桥面系宽度，在桥塔位置处，扁状椭圆钢圈梁截面宽度宜为2 3倍的桥面宽度，各个椭圆截面高宽比宜为1/2左右。单叶双曲面空间缆索体系网在跨中位置处的最低点，离开加劲梁桥面系的高度宜大于15米，以便满足桥上的交通净空要求。在悬索桥中间区域，设置向内倾斜的吊杆拉住加劲梁，有利于提高大跨径悬索桥颤振稳定性；桥塔附近处，设置向外倾斜的吊杆拉住加劲梁，有利于提高大跨径悬索桥抗静风性能。设置扁状椭圆钢圈梁，有利于吊杆安装，可以加强空间缆索体系悬索桥的整体性，提高单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的空间刚度，提高空间缆索体系悬索桥抗风稳定性能。(6)安装吊杆悬索桥的吊杆，是将加劲梁恒载及作用在加劲梁上的活载传递给主缆的构件，它的上端与索夹相连，下端与加劲梁相连。吊杆按照其立面布置形式，可以分为传统的垂直吊杆和斜吊杆，斜吊杆具有桁架作用效应，增加了悬索桥的纵向整体刚度，能够减少挠度，提高弯曲振动的自振频率，减少桥梁上下振动颠簸，提高行车舒适度。斜吊杆具有张弛作用效应，増大了结构的阻尼，对悬索桥抗风抗震有利。但是，由于斜吊杆的桁架效应，活载引起的吊杆应カ变化幅度较大，反复应カ会引起节点材料的疲劳，使得吊杆在根部锚杯处出现破损，雨水侵入造成吊杆钢丝绳腐蚀。单叶双曲面空间缆索体系悬索桥是用于大跨度海峡大桥的ー种悬索桥，由于其自身特点，适宜采用三维空间斜吊杆布置，桥梁纵向立面和横断面中吊杆宜斜向布置，以便加强其空间刚度，提高悬索桥的扭转自振频率，提高抗风稳定性。单叶双曲面空间缆索体系大跨径悬索桥的桥面较宽，宜在桥面中间布置一道吊杆，并设置中间隔离帯。(7)吊装加劲梁大跨悬索桥的加劲梁型式主要有扁平闭合钢箱梁型式和钢桁架型式ニ种，欧洲国家悬索桥常采用的扁平闭合箱梁型式，美国、日本等国家的悬索桥常用桁架型式。桁架式加劲梁透风性能好，结构刚度大，加劲梁可以达到比较高的抗扭刚度，所以其颤振临界风速较高。箱梁型式加劲梁的优点在于造价节省和更好的美学效果，箱梁式加劲梁的抗风能力受到诸多因素限制，箱梁型式悬索桥的颤振稳定性不如桁架型式加劲梁悬索桥，设计时应注意加劲梁截面气动外型及其宽度和跨度之比等。钢箱式加劲梁悬索桥，跨度在1000 2000m具有较好的适应性，跨度更大时对其抗风稳定性应予以慎重。桁架式加劲梁悬索桥，其适应范围最广，跨度在1500 5000m具有较好的适应性。要提高采用闭ロ箱梁型式加劲梁的悬索桥的颤振性能，需要改善加劲梁截面两端的外形，采取添加风嘴等措施，以改善气流绕流的流态，減少涡脱，使截面趋向流线型。钢箱式加劲梁的中心开槽以增加透风性，减小加劲梁顶底面的压カ差，采用中心开槽的分离式箱梁的颤振临界风速将得到一定的提高，当然这样会增加桥塔和下部结构的造价。在加劲梁断面布置导流板、抑流板或扰流板、中央稳定板等措施以便改变绕流流态也可以提高桥梁的颤振稳定性。单叶双曲面空间缆索体系悬索桥适用于3000 5000米的特大跨径海峡悬索桥，其加劲梁宜采用透风的桁架式加劲梁，并且宜在截面中部设置通风带，减小加劲梁顶底面的压カ差，提高其颤振临界风速。为了进一歩加强单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的抗风稳定性，建议设置碳纤维反向缆索拽住桁架式加劲梁和单叶双曲面空间缆索体系，碳纤维反向缆索应牢牢扣紧桁架加劲梁与椭圆形钢结构加强环圈梁，碳纤维反向缆索锚固于桥塔混凝土中。设置电脑控制的机械式收放装置，干扰悬索桥的风致振动形态，遇到台风时候，在迎风面拉紧碳纤维反向缆索，背风面放松碳纤维反向缆索，以便提高单叶双曲面空间缆索体系悬索桥的抗风稳定性。(8)安装刚性中央扣和桥面铺装为了加强单叶双曲面空间缆索体系和加劲梁的协同工作能力，在跨中区域，应设置门式钢架型刚性中央扣，刚性扣将加劲梁与椭圆形钢结构加强环圈梁连接在一起，可将加劲梁的扭转振动与空间缆索体系的扭转振动在一定程度上耦合起来，可将空间缆索和加劲梁的扭转振动同侧向水平振动在一定程度上耦合起来，以便提高空间缆索体系悬索桥的空间刚度，增强大跨径悬索桥的抗风稳定性。在跨中处，可以设置间距约为3 4米的相互刚性连接的2个椭圆形钢结构加强环圈梁，以便在跨中处设置双排门式钢架型的刚性中央扣，在悬索桥中间区域，间隔100 120米，设置数道门式钢架型刚性扣，在桥跨1/4区域，设置数道间距120 150米柔性缆索扣，进ー步加强空间缆索体系悬索桥的空间刚度，提高特大跨径海峡悬索桥的抗风稳定性。最后，安装桥梁栏杆，进行浙青混凝土桥面铺装，完善桥面排水系统，进行桥梁油漆、涂装施工，组织施工验收，通车运营。
权利要求
1.一种单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥,包括筒网状空间主缆(I)、桥塔(2)、钢圈塔头(3)、吊杆(5)、加劲钢梁(6)和锚碇(8)，所述筒网状空间主缆(I)作为悬索桥的主缆与钢圈塔头(3)连接，所述钢圈塔头(3)设置在桥塔(2)顶端，所述加劲钢梁(6)通过吊杆(5)悬吊在筒网状空间主缆(I)的下方，其特征在于，所述筒网状空间主缆(I)是由数根钢丝缆索空间交叉构成的，其空间构型为单叶双曲面空间索网下垂形成的封闭筒管状索网，筒网状空间主缆(I)的钢丝缆索穿过钢圈塔头(3)上的预留孔洞，筒网状空间主缆(I)的两端锚固于锚碇(8)之中，沿悬索桥纵向在筒网状空间主缆(I)中设置多道椭圆形钢环梁(4)，筒网状空间主缆(I)的钢丝缆索穿过椭圆形钢环梁(4)并与之固定连接，吊杆(5)的上端固定于椭圆形钢环梁(4)上，吊杆(5)下端与加劲钢梁(6)连接，在悬索桥中间区域设置有数道门式刚性中央扣(7)，所述门式刚性中央扣(7)下端与加劲钢梁(6)连接，上端与椭圆形钢环梁(4)连接。
2.一种建造权利要求1所述单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥的施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 第一步:开挖基坑，施工桥梁基础，建造悬索桥的桥塔(2)、钢圈塔头(3)和锚碇(8)；第二步:在架设牵引索和修建临时施工猫道后，依据单叶双曲面方程，进行精确的测量和放样，多股缆索空间交叉布置，牵引筒网状空间主缆(I)的钢丝缆索穿过钢圈塔头(3)的预留孔，采用锚具将筒网状空间主缆(I)锚固于锚碇(8)之中，架设筒网状空间主缆(1)，进行空间缆索的紧缆工作和线形调整后，采用U型夹具固定筒网状空间主缆(I)的交叉点；第三步:内外层结构形式的椭圆形钢环梁(4)运输到位，安装椭圆形钢环梁(4)，采用夹具将筒网状空间主缆(I)与椭圆形钢环梁(4)牢固连接，在椭圆形钢环梁(4)的内部设置型钢支撑，形成横向刚性断面，加强筒网状空间主缆(I)的空间刚度； 第四步:将吊杆(5)的上端牢固安装在椭圆形钢环梁(4)的吊耳上，吊装加劲钢梁(6)到位，将加劲钢梁(6)固定连接在吊杆(5)的下端； 第五步:在悬索桥桥中间区域，安装门式刚性中央扣(7)，将门式刚性中央扣(7)的下端与加劲钢梁(6)连接，上端与椭圆形钢环梁(4)连接，加强筒网状空间主缆(I)和加劲钢梁(6)的协同工作能力，提高抗风稳定性，最后安装栏杆和桥面铺装，形成单叶双曲面空间缆索体系的特大跨径悬索桥。
全文摘要
本发明提供一种单叶双曲面空间索网主缆的特大跨径悬索桥，利用单叶双曲面的直纹特性，改革传统悬索桥的竖向平行缆索体系，将粗重的集中缆索，改为分散的空间钢丝缆索，多股钢丝缆索空间交叉布置，固定空间索网主缆交叉节点，形成单叶双曲面形式的空间缆索体系，设置椭圆形钢结构加强环圈梁，安装吊杆和加劲梁，设置门式刚性中央扣，建造一种单叶双曲面空间缆索体系的特大跨径悬索桥。本发明的新型空间缆索体系悬索桥，具有跨越能力强、空间结构刚度大、扭弯频率比值高和抗风稳定性好等优点。新型空间主缆体系悬索桥可从根本上解决大跨径悬索桥抗风稳定性问题，可用于跨海连岛的工程，建造3000～5000米的特大跨径海峡悬索桥。
文档编号E01D11/02GK103088750SQ20131002762
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月24日 优先权日2013年1月24日
发明者徐文平, 陈有春, 石先旺, 张文明, 孔维平, 郭迅, 张宇峰, 刘高, 陈岳 申请人:东南大学