斜轴线塔内锚悬索桥的制作方法

本实用新型属于一种悬索桥，具体涉及了一种斜轴线塔内锚悬索桥。
背景技术：
：悬索桥结构具有受力性能好、跨越能力大、轻巧美观、抗震能力强、结构形式多样及对地形适应能力好等特点，在许多跨越大江大河、高山峡谷、海湾港口等交通障碍物时，往往作为首选的桥型。因此，人们也设计出了多种悬索桥结构。如中国专利申请号为201510012845.7公开了一种高扭转刚度的悬索桥，包括主梁、索塔、主缆和吊杆，主缆为一条且位于主梁纵向中心立面，吊杆分布于主梁横向两侧用于通过主缆悬吊主梁，使得主缆、吊杆和主梁形成横截面为空间三角形的结构；其利用三角形的稳定性，形成一个类似于三角形箱梁结构，从根本上提高悬索桥的整体扭转刚度和扭转震频，直接提高静风下扭转失稳的临界风速，同时，也可以增大了扭转震频和垂直震频的比例，从而提高了颤震的临界风速，也就保证了较大跨度的悬索桥的安全性；并且，并不增加现有悬索桥的材料和成本，而实际上，主缆为一根，可增加横截面积，并增加吊杆数量和横截面积，进一步增加扭转刚度。又如中国专利申请号为200920043292.1公开了一种自锚式悬索桥，包括索塔基础、索塔、索鞍、加劲梁、主缆和吊杆，所述加劲梁中设有在空钢管中灌注混凝土而形成的钢管混凝土组合构件；采用钢管混凝土加劲梁，不仅可以降低造价，而且施工方便，可以明显加快施工进度。再如中国专利申请号为201120102496.5公开了一种桥梁结构，包括有行车道梁、桥塔、锚碇、承重主缆，其特征是，承重主缆由一根主索和多根次索组合而成，自索塔开始，间隔一定距离将数根次索从承重主缆上分离，与车道梁连接，在承重主缆上的次索分离处设有分缆器。承重主缆由次索与主索构成，并用夹具组合在一起；分缆器具有次索从承重主缆分离形状的内腔，并且有紧固装置，能固定在承重主缆上；其结构能够优化悬索桥承重主缆的应力，节约材料。但是在一般常规式的地锚式悬索桥，需要建造体积庞大的锚碇来锚固主缆，这就造成在地质情况差的地方，锚碇结构的基础工程量非常大，往往成为工程的难点；地锚式悬索桥锚碇和锚碇基础占有工程造价的相当可观部分，成为影响悬索桥结构经济性的重要方面；在城市地区或旅游区，修建体积庞大的锚碇，对环境美观也会产生负面影响。技术实现要素：本实用新型的目的在于针对上述问题，提供了一种斜轴线塔内锚悬索桥。本实用新型的斜轴线塔内锚悬索桥可以省去了体积庞大的锚碇，减少了连接锚碇的主缆的计算长度，使主缆在恒载作用下应力和振幅减小；主缆绕过斜轴线索塔基础，与原地锚悬索桥相比，减少了索塔对地基的压力；主缆锚固在加劲梁上，由加劲梁提供轴力平衡主缆部分水平分力，从而提高悬索桥空气动力性能，同时减少基础水平推力，且减少投资；斜轴线索塔采用合理偏心线，在偏心力作用下不产生弯矩。本实用新型采取以下技术方案实现上述目的：一种斜轴线塔内锚悬索桥，主要由主梁、吊索、斜轴线索塔、水平杆和加劲梁组成；所述的吊索均匀布置在主缆和加劲梁之间；所述的斜轴线索塔的底部浇筑有斜轴线索塔基础，并且在斜轴线索塔基础的底部设有转向块Ⅱ；在斜轴线索塔的顶部设有索鞍；所述的水平杆的一端与斜轴线索塔连接，另一端设有转向块Ⅰ；所述的主缆的端部依次绕过斜轴线索塔顶部的索鞍、水平杆端部的转向块Ⅰ、斜轴线索塔基础底部的转向块Ⅱ，最终锚固在加劲梁上；所述的水平杆的安装高度为h，即水平杆至斜轴线索塔基础的竖直距离；所述的斜轴线索塔的高度为H，即斜轴线索塔塔顶至斜轴线索塔基础的竖直距离：当，即水平杆位于斜轴线索塔中上部时，水平杆处于轴向受压，在水平杆末端增设承压辅助墩Ⅱ，并且在加劲梁锚固主缆处设置承压辅助墩Ⅰ；所述承压辅助墩Ⅰ、承压辅助墩Ⅱ的底部分别浇筑承压辅助墩基础Ⅰ、承压辅助墩基础Ⅱ；当，即水平杆位于斜轴线索塔中部时，水平杆处于轴向受压，在加劲梁锚固主缆处设置承压辅助墩Ⅰ；所述承压辅助墩Ⅰ的底部浇筑承压辅助墩基础Ⅰ；当，即水平杆往下略偏移斜轴线索塔中部时，水平杆受偏心力作用，将水平杆的轴线调整为斜轴线，使水平杆处于无弯矩状态，并且在加劲梁锚固主缆处设置承压辅助墩Ⅰ；所述承压辅助墩Ⅰ的底部浇筑承压辅助墩基础Ⅰ；当，即水平杆往下偏移斜轴线索塔中部较远时，水平杆受偏心力作用，将水平杆的轴线调整为斜轴线，使水平杆处于无弯矩状态，并且将水平杆一端与桥面以下的斜轴线索塔浇筑为一个整体，成为一个双悬臂塔，主缆的端部最终锚固在双悬臂塔内侧。在本实用新型中，作用于加劲梁上的荷载遵循以下传力路径：加劲梁→吊索→主缆→斜轴线索塔→水平杆→斜轴线索塔基础→绕回加劲梁。作为本实用新型的进一步说明，在主缆端部的锚固处还设有散索鞍。作为本实用新型的进一步说明，所述的斜轴线索塔的轴线为斜线时，斜轴线索塔顶部的左右两端面与主缆分别形成的内夹角α和β不相等，主缆以β角自由绕过斜轴线索塔的塔顶，水平杆根据β角调整长度，此时斜轴线索塔受偏心力作用不产生弯矩，合力斜向下。与传统悬索桥不同，α角和β角的取值可不同，建议β角略小于α角，此时斜轴线索塔受偏心力作用；本桥斜轴线索塔轴线（形心线）为斜线，使斜轴线索塔在偏心作用力下只承受压力，处于无弯矩状态。作为本实用新型的进一步说明，所述的斜轴线索塔的轴线垂直地面时，斜轴线索塔顶部的左右两端面与主缆分别形成的内夹角α和β相等，斜轴线索塔轴心受压，其合力竖直向下，水平杆长度偏长。作为本实用新型的进一步说明，所述的水平杆的位置沿斜轴线索塔上下移动，当水平杆与桥面同高时，水平杆作为桥面的一部分。作为本实用新型的进一步说明，所述的水平杆采用钢结构格构柱形式或者钢箱或者混凝土箱型做成。采用钢结构格构柱形式或钢箱，可以有效的减小水平杆自重。在本实用新型中，地质状况较好时，可直接采用浅基础；地质状况一般时，在斜轴线索塔底部打桩；地质状况较差时，需做成由许多根打入或沉入土中的桩和连接桩顶的承台所构成的基础；在本实用新型中，主缆是这个体系的主要承重构件，主要承受拉力；吊索起连接加劲梁和主缆的作用，仅为传递荷载的构件，加劲梁、桥面系及活载等荷载通过吊索传给主缆；斜轴线索塔起支撑主缆的作用，主要承受压力；水平杆将索力传给斜轴线索塔，斜轴线索塔将力传至基础。本实用新型的优点：1.本实用新型作为一种新体系悬索桥，其不需要巨大锚碇，施工方便，工期短，具有更好的经济性。2.本实用新型的主缆锚固在加劲梁上，增加劲梁轴力，提高悬索桥抗风性能，同时减少基础水平推力。3.本实用新型通过增设水平杆，将主缆绕过斜轴线索塔基础，减小了斜轴线索塔地基压力。4.由于水平杆将主缆分为上下两部分，与传统地锚悬索桥相比，减少了连接锚碇段主缆的计算长度，从而减小了恒载作用下主缆的应力及振幅，同时节约了背索索长。5.斜轴线索塔基础和承压辅助墩基础采用明挖基础时，可以同时开挖，施工方便，经济性好。附图说明图1中本实用新型中实施例1的立面图。图2中本实用新型中实施例2的立面图。图3中本实用新型中实施例3的立面图。图4中本实用新型中实施例4的立面图。图5-图11是本实用新型斜轴线塔内锚悬索桥的受力分析图。附图标记：1-主缆；2-吊索；3-斜轴线索塔；4-承压辅助墩Ⅰ；5-水平杆；6-加劲梁；7-斜轴线索塔基础；8-承压辅助墩基础Ⅰ；9-索鞍；10-转向块Ⅰ；11-转向快Ⅱ；12-散索鞍；13-承压辅助墩Ⅱ；14-承压辅助墩基础Ⅱ。具体实施方式结合图5-图11对本实用新型的力学原理进行说明：1.理想偏心线假设斜轴线索塔如图5所示，N为轴力，Q为剪力，H0为加劲梁以上塔高，记IB为l1，DC为l2，塔面积为A。若使塔的面积保持不变，又在偏心受力下不产生弯矩，则必须满足如下关系式：(1)由(1)式可以推出：(2)(2)式即为塔的理想偏心线。当已知塔高为H0、塔面积为A、IB为l1时，可以求出DC为：(3)将(2)式代入(3)式可以推出：(4)如图6所示，塔任意点的宽度为2y、长度为（l1+2x），依据塔面积A不变可知：(5)将(2)式代入(5)式可以推出：(6)(6)式即为塔的宽度曲线，如图5所示，由(6)式可知塔顶宽度为A/l1，塔底宽度为A/(l1+2H0Q/N)。综上所述，不改变塔的面积，亦可使其在偏心力作用下不产生弯矩。2.斜轴线塔内锚悬索桥受力分析斜轴线塔内锚悬索桥受力如图7所示，G1、G2分别为斜轴线索塔、承压辅助墩的重力，S为主缆张力，X1为基础水平方向所受的地基反力，Y1、Y2为基础竖直方向所受的地基反力，h为桥面高度，H为斜轴线索塔高度，α、β、γ、ϴ为主缆与斜轴线索塔的夹角，N0为加劲梁轴力，N1为斜轴线索塔上部轴力，N2为水平杆B2B3段轴力，N3为斜轴线索塔下部轴力，N4为水平杆B3B4段轴力，N5为承压辅助墩轴力，Q1为斜轴线索塔上部剪力，Q2水平杆剪力，Q3为斜轴线索塔下部剪力，分析如下：1).基地反力如图7所示，由水平方向合力平衡可知:(7)由(7)式可以推出:(8)如图7所示，由O2节点弯矩平衡可知:(9)由(9)式可以推出:(10)如图7所示，由O1节点弯矩平衡可知:(11)由(11)式可以推出:(12)由(8)式、(10)式、(12)式可以算出基地反力。2).斜轴线索塔上部剪力和轴力如图8所示，由水平方向合力平衡可知:(13)由(13)式可以推出:(14)如图8所示，由竖向合力平衡可知:(15)由(15)式可以推出:(16)由(14)式、(116)式可以算出斜轴线索塔上部剪力和轴力，由剪力Q1、轴力N1按(2)式确定斜轴线索塔的理想偏心线。3).水平杆B2B3段轴力和剪力如图9所示，由水平方向合力平衡可知:(17)由(17)式可以推出:(18)如图9所示，由竖向合力平衡可知:(19)由(19)式可以推出:(20)由(18)式、(20)式可以算出水平杆B2B3段轴力和剪力，由剪力Q2、轴力N2按(2)式确定水平杆B2B3段的理想偏心线。4).水平杆B3B4段轴力和承压辅助墩轴力如图10所示，由水平方向合力平衡可知:(21)如图10所示，由竖向合力平衡可知:(22)由(21)式、(22)式可以算出水平杆B3B4段轴力和承压辅助墩轴力。5).斜轴线索塔下部剪力和轴力如图11所示，由竖向合力平衡可知:(23)将(16)式代入(23)式可知：(24)如图11所示，由水平方向合力平衡可知:(25)将(18)式、(21)式代入(25)式可知：(26)由(24)式、(26)式可以算出斜轴线索塔下部剪力和轴力。综合上所述，计算模型存在五个待定参数和十一个基本未知量,即β、γ、ϴ、α、N0和X1、Y1、Y2、N1、N2、N3、N4、N5、Q1、Q2、Q3，当待定参数根据设计需求确定后，即可通过上述关系式求出十一个基本未知量。下面结合附图和实施例对本实用新型的结构设计进一步详细说明。实施例1：本实施例的斜轴线塔内锚悬索桥的跨度布置均与润扬长江大桥相同。如图1所示，一种斜轴线塔内锚悬索桥，主要由主梁1、吊索2、斜轴线索塔3、水平杆5和加劲梁6组成；所述的吊索2均匀布置在主缆1和加劲梁6之间；所述的斜轴线索塔3的底部浇筑有斜轴线索塔基础7，并且在斜轴线索塔基础7的底部设有转向块Ⅱ11；在斜轴线索塔3的顶部设有索鞍9；所述的水平杆5的一端与斜轴线索塔3连接，另一端设有转向块Ⅰ10；所述的主缆1的端部依次绕过斜轴线索塔3顶部的索鞍9、水平杆5端部的转向块Ⅰ10、斜轴线索塔基础7底部的转向块Ⅱ11，最终锚固在加劲梁6上；水平杆5位于斜轴线索塔3中上部时，水平杆3处于轴向受压，在水平杆5末端增设承压辅助墩Ⅱ13，并且在加劲梁6锚固主缆1处设置承压辅助墩Ⅰ4；所述承压辅助墩Ⅰ4、承压辅助墩Ⅱ13的底部分别浇筑承压辅助墩基础Ⅰ8、承压辅助墩基础Ⅱ14。在主缆1端部的锚固处设有散索鞍12。水平杆5与桥面同高。β取为45°、γ取为45°、ϴ取为50°、α取为60°、N0取为主缆张力的一半，斜轴线索塔、水平杆均采用钢箱结构，加劲梁采用钢结构。若采用常规设计，需设置巨大的锚碇及深基础，经计算，与润扬长江大桥相比，省去了锚碇，此费用即省去2.8亿元。斜轴线塔内锚悬索桥由于增设辅助墩、水平杆，此费用为0.5亿。因此，与润扬长江大桥普通地锚桥悬索桥相比，斜轴线塔内锚悬索桥一共省了2.3亿。同时斜轴线塔内锚悬索桥索塔轴力减小45%，索塔侧向刚度提高15.3%，工期减少11个月。实施例2：本实施例的斜轴线塔内锚悬索桥的跨度布置均与五峰山长江大桥相同。如图2所示，一种斜轴线塔内锚悬索桥，主要由主梁1、吊索2、斜轴线索塔3、水平杆5和加劲梁6组成；所述的吊索2均匀布置在主缆1和加劲梁6之间；所述的斜轴线索塔3的底部浇筑有斜轴线索塔基础7，并且在斜轴线索塔基础7的底部设有转向块Ⅱ11；在斜轴线索塔3的顶部设有索鞍9；所述的水平杆5的一端与斜轴线索塔3连接，另一端设有转向块Ⅰ10；所述的主缆1的端部依次绕过斜轴线索塔3顶部的索鞍9、水平杆5端部的转向块Ⅰ10、斜轴线索塔基础7底部的转向块Ⅱ11，最终锚固在加劲梁6上；水平杆5位于斜轴线索塔3中部时，水平杆3处于轴向受压，在加劲梁6锚固主缆1处设置承压辅助墩Ⅰ4；所述承压辅助墩Ⅰ4的底部浇筑承压辅助墩基础Ⅰ8。在主缆1端部的锚固处设有散索鞍12。水平杆5与桥面同高。β取为45°、γ取为45°、ϴ取为50°、α取为60°、N0取为主缆张力的一半，斜轴线索塔、水平杆均采用混凝吐箱型结构，加劲梁采用钢结构。若采用常规设计，需设置巨大的锚碇及深基础，经计算，与五峰山长江大桥相比，增设水平杆、辅助墩、省去了锚碇，斜轴线塔内锚悬索桥省去1.8亿，索塔轴力减小35%，索塔侧向刚度提高20.5%，基坑开挖深度降低25m，工期减少10个月。实施例3：本实施例的斜轴线塔内锚悬索桥的跨度布置均与南京长江四桥相同。如图3所示，一种斜轴线塔内锚悬索桥，主要由主梁1、吊索2、斜轴线索塔3、水平杆5和加劲梁6组成；所述的吊索2均匀布置在主缆1和加劲梁6之间；所述的斜轴线索塔3的底部浇筑有斜轴线索塔基础7，并且在斜轴线索塔基础7的底部设有转向块Ⅱ11；在斜轴线索塔3的顶部设有索鞍9；所述的水平杆5的一端与斜轴线索塔3连接，另一端设有转向块Ⅰ10；所述的主缆1的端部依次绕过斜轴线索塔3顶部的索鞍9、水平杆5端部的转向块Ⅰ10、斜轴线索塔基础7底部的转向块Ⅱ11，最终锚固在加劲梁6上；水平杆5往下略偏移斜轴线索塔3中部时，水平杆5受偏心力作用，将水平杆5的轴线调整为斜轴线，使水平杆5处于无弯矩状态，并且在加劲梁6锚固主缆1处设置承压辅助墩Ⅰ4；所述承压辅助墩Ⅰ4的底部浇筑承压辅助墩基础Ⅰ8。在主缆1端部的锚固处设有散索鞍12。水平杆5与桥面同高。β取为45°、γ取为45°、ϴ取为50°、α取为60°、N0取为主缆张力的一半，斜轴线索塔、水平杆均采用钢结构格构柱形式，加劲梁采用钢结构。若采用常规设计，需设置巨大的锚碇及深基础，经计算，与南京长江四桥相比，省去了锚碇，此费用即省去4.5亿元。斜轴线塔内锚悬索桥由于增设辅助墩、水平杆，此费用为1.8亿。因此，与润扬长江大普通地锚桥悬索桥相比，斜轴线塔内锚悬索桥一共省了2.7亿。同时斜轴线塔内锚悬索桥索塔轴力减小38.6%，索塔侧向刚度提高25.6%，工期减少16个月。实施例4：如图4所示，一种斜轴线塔内锚悬索桥，主要由主梁1、吊索2、斜轴线索塔3、水平杆5和加劲梁6组成；所述的吊索2均匀布置在主缆1和加劲梁6之间；所述的斜轴线索塔3的底部浇筑有斜轴线索塔基础7，并且在斜轴线索塔基础7的底部设有转向块Ⅱ11；在斜轴线索塔3的顶部设有索鞍9；所述的水平杆5的一端与斜轴线索塔3连接，另一端设有转向块Ⅰ10；所述的主缆1的端部依次绕过斜轴线索塔3顶部的索鞍9、水平杆5端部的转向块Ⅰ10、斜轴线索塔基础7底部的转向块Ⅱ11，最终锚固在加劲梁6上；水平杆（5）往下偏移斜轴线索塔（3）中部较远时，水平杆（5）受偏心力作用，将水平杆（5）的轴线调整为斜轴线，使水平杆（5）处于无弯矩状态，并且将水平杆（5）一端与桥面以下的斜轴线索塔（3）浇筑为一个整体，成为一个双悬臂塔，主缆（1）的端部最终锚固在双悬臂塔内侧。实施例1～3技术参数对比表费用节省（亿元）索塔轴力减(%)索塔侧向刚度（%）工期缩短（月）实施实例12.34513.314实施实例21.83520.510实施实例32.736.625.616当前第1页1 2 3