连续缆拱桥的制作方法

本发明属于一种拱桥与悬索结构的协作体系，具体涉及了一种连续缆拱桥。
背景技术：
：拱结构是受压为主，拱桥的主要承重结构是拱圈或拱肋。它在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力。而这种水平推力将显著抵消荷载所引起在拱圈(或拱肋)内的弯矩作用，所以其与同等跨度的梁相比，拱的弯矩和挠度要小的多。拱桥跨越能力较大、对地形适应能力强、造价经济且外形也较美观，其在桥梁结构当中应用相当广泛。拱桥在我国的应用有着悠久的历史,取得过辉煌的成就，极具代表性的是建于公元605年左右的赵州石拱桥。随着材料的更新拱桥的跨度也在逐渐增加。目前拱桥按主拱的建筑材料划分的4类拱桥的跨径纪录均在中国,它们分别是主跨径146m的山西丹河新桥(石拱桥)、主跨径420m的万州(县)长江大桥(钢筋混凝土拱桥)、主跨径460m的巫峡长江大桥(钢管混凝土拱桥)和主跨径552m的重庆朝天门大桥(钢拱桥)。由此可以看出尽管材料的改进会提高拱桥的跨径，但是这种提高是有局限的，拱桥本身的受力形式决定了其跨越能力不会太大。随着拱桥的跨径增加，其自重和水平推力会增大，从而导致拱桥的下部结构工程量增大，施工费用增高；另外拱桥的稳定性也会随着跨径的增加而降低，所以其在大跨径桥梁中已不具优势，甚至不适用。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。悬索桥主要是由主塔、主缆、加劲梁、吊杆、鞍座、索夹、锚碇等构件组成，根据是否存在锚碇可划分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。其中自锚式悬索桥主缆锚固于加劲梁上，但由于其自身结构上的限制难以应用到特大跨径的悬索桥上。通常，在大跨径桥梁的选型上，更适合修建地锚悬索桥。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缆索，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：本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供了一种结合拱桥及悬索结构的优点、桥面系荷载由拱肋和缆索共同承担的连续缆拱桥。缆索既是承载构件，又起到完全平衡或部分平衡拱肋所产生的水平推力的作用。本发明的连续缆拱桥受力合理，具有承载力高、跨越能力大、经济效益好、外形美观等优点，特别适用于软土地区及应用于多功能桥梁。为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种连续缆拱桥，主要由主拱、边拱、主缆、吊索、矮塔和主梁组成；所述的矮塔设在主拱的拱脚和边拱的拱脚相交处；在主拱的拱脚、边拱的拱脚以及矮塔的下方设有基础墩台；所述的主缆的两端分别锚固在桥梁两侧的边拱的拱脚上，并且矮塔的顶部支撑主缆；所述的主拱和主梁之间、边拱与主梁之间以及主拱区域的主缆与主梁之间均分别布置设有吊索，使主梁的一部分荷载由主缆与主梁之间的吊索传至主缆，另一部分荷载由主拱、边拱和主梁之间的吊索传至主拱、边拱，减轻了主拱、边拱受力，增加主拱、边拱的稳定性；主缆的水平分力参与平衡边拱产生的水平推力，主拱的水平推力则由边拱的水平推力平衡。在本发明中，作用于主梁上的荷载遵循以下传力路径：主梁→吊索→主拱、边拱和主缆→矮塔和基础墩台→平衡或部分平衡。主跨荷载由主拱和主缆共同承担，边跨荷载完全由边拱承担，边拱既是承重构件，又起到锚碇的作用；缆既是承重构件，又起到系杆作用。在恒载作用下，边拱产生的水平推力和背索水平张力在边拱拱脚处平衡，主拱产生的水平推力、边拱产生的水平推力、矮塔传下来的水平力(矮塔为偏心塔时有此项)三者在主拱拱脚处平衡，结构处于无推力状态；在活载作用下，基础墩台承受推力并由大地平衡。当边跨跨径较小时，需要通过增大背索张力来保证矮塔只受竖向力作用，但增大背索张力会使得背索的竖向分力迅速增大，而增大施工成本。因此，在这种情况下可将矮塔设置为偏心塔，在保证矮塔弯矩为零的前提下，可使背索张力保持不变，从而减小边拱的基础墩台的负担。进一步说明，主缆和主梁之间的吊索以及主拱和主梁之间的吊索相互错开布置。同一侧的吊索相互错开均匀布置，主拱和主缆平均分担桥面系的荷载，是本发明的优选方案。本发明总体构思下，可以根据实际情况，即根据主拱产生的水平推力与主缆的水平张力的差值来合理调整吊杆的布置方式，使主拱和主缆共同分担桥面系的荷载即可。进一步说明，所述的主拱和边拱不倾斜时，为普通拱；所述的主拱和边拱向内倾斜时，为提篮拱。进一步说明，所述的主拱和边拱为钢结构、混凝土结构或者钢混组合结构；所述的主缆和吊索均分别采用钢绞线；所述的基础墩台为钢筋混凝土结构。进一步说明，所述的主拱的拱脚、边拱的拱脚以及矮塔的底部均与基础墩台固结。进一步说明，所述的矮塔采用通常塔或者偏心塔。本发明的优点：1.本桥在保持拱桥优越性的前提下，拱既是承重构件，又起到锚碇的作用；缆既是承重构件，又起到系杆作用。桥面系的荷载由缆索和拱肋共同承担，减轻了拱肋受力及变形，从而减少了拱肋截面面积，同时拱肋产生的水平推力也大幅度减少。2.缆索对稳定性较差的拱圈起到了卸载作用，且该体系的非保向力效应更为显著，这使结构的稳定性大幅度增加，为拱结构跨度的提升提供了新的有效途径。3.缆拱桥受力合理，具有承载力高、跨越能力大、经济效益好、外形美观等优点，特别适用于软土地区及多功能桥梁。4.施工方便，工期短。附图说明图1中本发明的立面图。图2-图5是连续缆拱桥受力分析图。附图标记：1-主拱；2-边拱；3-主缆；4-吊索；5-矮塔；6-主梁。具体实施方式力学及其结构原理结合图2-图5对本发明的力学及其结构原理进行说明：1.连续缆拱桥受力特征主跨荷载由拱肋和缆索共同承担，边跨荷载完全由拱肋承担，拱既是承重构件，又起到锚碇的作用；缆既是承重构件，又起到系杆作用。在恒载作用下，边拱产生的水平推力和背索水平张力在边拱拱脚处平衡，主拱产生的水平推力、边拱产生的水平推力、矮塔传下来的水平力(当矮塔为偏心矮塔时有此项)三者在主拱拱脚处平衡，结构处于无推力状态；在活载作用下，墩台承受推力并由大地平衡。2.偏心矮塔力学原理当主缆与矮塔的左右两边的夹角不一样时，矮塔会受到一个较小水平力和一个较大竖向力的共同作用，如图2所示，FX为矮塔所受的水平力，Fy为矮塔所受的竖向力，L0为矮塔顶部顺桥向方向截面的长度，为简化计算，忽略矮塔自重，现分析如下：如图2所示，对形心点取矩，由合力矩为零可推出矮塔的合力偏心线方程：则矮塔顺桥向方向的任意截面长度为：L(z)＝2f(z)+L0(2)将(1)式代入(2)式可知：若保持矮塔的面积A不变则可推出矮塔的宽度线函数为：分析表明，当矮塔形心线满足(1)式时，矮塔在如图2所示的外力作用下，处于无弯矩状态而只受轴向力作用。在不考虑矮塔自重情况下，其偏心线为线性函数，若保持矮塔截面面积不变，其宽度线为双曲线(如图3所示)，可保证材料得到充分的利用。当考虑矮塔自重时，分析如下：在考虑矮塔自重时，同样保持面积A不变，假设矮塔高为H。如图4所示，将墩台等分成n等分，每一个窄条曲边梯形用窄条矩形近似，每一个矩形的长度为：如图5所示，取隔离体分析，对Oi取矩，由合力矩为零可知；由式(5)和式(6)，可推出坐标迭代式为:zi＝zi-1+Δ,(i＝0,1,···,n)(7)式中，z0＝0,x0＝0(9)根据最小二乘法，偏心线函数f(z)可用多项式P(z)近似，假设P(z)为：P(z)＝aqT(11)式中：a＝(a0,a1,···,ak)(12)q＝(1,z,···,zk)(13)a矩阵可由下式求出：由式(11)和式(14)可知:要求出J的最小值，需在式(15)中对a求导，矩阵形式：由式(7)、式(8)和式(17)可以导出：zTza＝zTx(18)式中：由式(18)可知:a＝(zTz)-1zTx(21)系数矩阵a可由式(21)求出，因此偏心线函数f(z)可用多项式表达为：f(z)≈P(z)＝(zTz)-1zTxqT(22)近似函数的收敛条件为：R＝|Pn(z)-Pn-1(z)|＜ε(23)式中Pn(z)和Pn-1(z)分别为矮塔分成n等分和n-1等分时的近似多项式。拟合度可定义为：当r接近1时，认为可以被很好的近似函数。此时,任意截面长度为：L(z)＝2(zTz)-1zTxqT+L0(25)由于矮塔的截面面积A保持不变，因此：2yi·(2xi+L0)＝A(26)由式(8)和式(26)可推出：同理，宽度线函数g(z)可用多项式Q(z)表示为：g(x)≈Q(z)＝(zTz)-1zTyqT(28)式中矩阵q和矩阵z分别见式(13)和式(19)，而同理任意截面宽度可表示为：W(z)＝2|(zTz)-1zTyqT|(42)综上所述，当主缆与矮塔的左右两边的夹角不一样时，矮塔受到竖向力和水平力的作用，利用上述方法可以使矮塔处于无弯矩状态，此时称之为偏心矮塔。下面结合附图和实施例对本发明的结构设计进一步详细说明。实施例：本实施例的缆拱桥的跨度布置均与卢浦大桥(总投资6.4亿元)相同。如图1所示，一种连续缆拱桥，主要由主拱1、边拱2、主缆3、吊索4、矮塔5和主梁6组成；所述的矮塔5设在主拱1的拱脚和边拱2的拱脚相交处；在主拱1的拱脚、边拱2的拱脚以及矮塔5的下方设有基础墩台；所述的主缆3的两端分别锚固在桥梁两侧的边拱2的拱脚上，并且矮塔5的顶部支撑主缆3；所述的主拱1和主梁6之间、边拱2与主梁6之间以及主拱1区域的主缆3与主梁6之间均分别布置设有吊索4，使主梁6的一部分荷载由主缆3与主梁6之间的吊索传至主缆3，另一部分荷载由主拱1、边拱2和主梁6之间的吊索传至主拱1、边拱2，减轻了主拱1、边拱2受力，增加主拱1、边拱2的稳定性。主缆3的水平分力参与平衡边拱2产生的水平推力，主拱1的水平推力则边拱2的水平推力平衡。方案一：采用上述的结构形式，主拱高跨比为1/5，缆索垂跨比为1/10；方案二：同样采用上述的结构形式，但高跨比为1/6；缆索垂跨比为1/13。若采用常规设计，需设置截面面积较大的拱肋，经计算，与卢浦大桥相比，方案一的主拱拱肋受力减少30％，因此拱肋面积减少30％，此费用即省去0.61亿元；方案一需增加缆索和矮塔，此费用为0.1亿。因此，与卢浦大桥相比，方案一共省了0.51亿。同时主拱拱肋轴力减小40％，稳定承载力提高60％。经计算，与卢浦大桥相比，方案二的主拱拱肋受力减少25％，因此拱肋面积减少25％，此费用即省去0.52亿元；方案二需增加缆索和矮塔，此费用为0.1亿。因此，与卢浦大桥相比，方案二共省了0.42亿。同时主拱拱肋轴力减小30％，稳定承载力提高50％。实施例技术参数对比表费用节省(亿元)主拱拱肋轴力减少(％)稳定承载力提高(％)方案一0.514060方案二0.423050当前第1页1 2 3