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如何看待浣纱大桥(浙江诸暨)的混凝土斜拉板设计?

2015-01-08  pgl147258

浙江的浣纱大桥用混凝土板做受拉构件,好像用了预应力钢筋.但是混凝土的受拉比受压差好多吗,是考虑经济因素还是这样的结构本身就合理了?

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马骋的回答(25票)】:

第一次回答 2013-10-15

第一次回答 2013-10-17 (更改了徐腾飞老师提出的几个问题)

1. 这是一座什么桥

目前看来我还是很适合回答本题的,最近正在学习斜拉桥体系,经常与老师讨论此类问题,同时手头还有一座与之相似的桥梁的图纸。

题主在认识这个问题上存在一定的误区,在我看来,认识、分析一座桥,最好按以下顺序:

  • 结构层次,判断结构体系

  • 构件层次,分析各构件的受力特点

  • 材料层次,分析材料受力状态

2. 结构体系判断

广义的来说,这座桥是一座斜拉桥,但不是典型的斜拉桥。把南浦大桥、南京长江二桥、苏通大桥等看做典型斜拉桥,那么典型斜拉桥的特征是:

  • 主跨大,300-1000 m

  • 主塔高,100-300 m

  • 密索体系,竖向荷载完全由拉索承担

  • 主梁由拉索弹性支承,只承担局部荷载

显然本桥与以上典型特征均不相符:

  • 主跨50-60 m,是不是接近一个NB简支梁的跨度(百度地图测距)

  • 主塔30-40 m,目测

  • “稀索”体系,塔-梁-墩固接(目测,不一定准确)

话归正题,这种桥在传统意义上为:话归正题,这种桥在传统意义上为:斜板型矮塔斜拉桥,源于瑞士Ganter Bridge。

在前沿研究中,这种桥是典型的在前沿研究中,这种桥是典型的索辅体系桥梁,典型的案例有沈阳三好桥:

请注意,以上的体系划分请注意,以上的体系划分不是玩文字游戏,看图片也不能局限于形式,而要看到其结构体系的本质。索辅体系桥梁与斜拉桥的本质区别在于,以梁为主,以索为辅

这一类桥梁特点在于,跨度小,主梁刚度大,在50-100米的跨度内,混凝土主梁自身可以承担相当大的荷载,而不像斜拉桥中那样,主梁只作为桥面系。以三好桥为例,主梁跨度100 m,承担60%荷载;钢塔高度50 m,斜拉索承担40%荷载。由于承重体系的不同,索辅桥梁与普通斜拉桥在设计、施工上存在相当大的差别。

对于本桥,主跨仅50-60 m,斜拉板更多的作为主梁的体外预应力加劲,故实际承担拉力的不是整个混凝土板,而是内包的斜拉索,混凝土的功能下面详述。不必从结构设计原理的角度来考虑预应力混凝土受拉构件设计的问题了。

3. 构件分析,斜拉板 VS 斜拉索

本桥的斜拉板与三好桥的斜拉索本质是一样的,混凝土更多的是外包层,那么为什么要加这一层外包呢?以下是一座桥梁的两张不同方案,斜拉板设计和斜拉索设计在结构体系上是一致的,跨度及主梁结构都差不多,区别仅在于拉索设计。

以下斜拉板设计的思路及优势摘自某设计说明书:

  1. 主桥结构美观新颖,线形流畅。(与传统桥型相比)

  2. 采用刚构体系,减少了支座的养护工作量。伸缩缝的数量较方案一少,桥梁结构的的整体刚度大,梁、塔变形皆较小,行车舒适性更优。(与简支体系相比)

  3. 采用了斜拉板,可大大减少主梁的预应力钢束用量,预应力拉索由于有了外包混凝土的保护,活载应力变幅小,可以不考虑疲劳问题,钢束的使用应力可以提高到0.7 R ,可节约大量的钢丝;耐久性好,没有腐蚀问题

  4. 各拉索的锚固点在梁上较为分散,减少了应力集中程度,设计和施工均较容易处理。

  5. 低塔的同时也降低了板的高度,相应地减少了板的斜向支承长度和板的自重内力,减少了板的混凝土工程量和重量。板的刚度大,能很好地抵抗板身自重弯矩

  6. 拉索斜度较大,因而水平分力较大,可以更好地抵消主梁靠近塔段负弯矩引起的拉力,为采用等截面创造条件

  7. 克服了拉索本身的振动问题,而且改善了全桥的风振性能。

综上,与斜拉索方案相比

  • 斜拉板刚度大,解决了斜拉索疲劳、振动、应力集中、提高拉索强度潜力;

  • 混凝土保护了斜拉索,避免了腐蚀,增强耐久性。

与简支梁/连续梁相比

  • 有效分担主梁荷载,避免连续梁跨中下挠问题,行车平顺;

  • 实现主梁等截面设计,避免了连续梁在支点粗重的外形。

最后,还具备了景观优势,这也是本桥为何采用这种“匪夷所思”的设计的原因所在。

至此,题主是否对浣纱大桥的设计者肃然起敬呢?

结构设计在于结构体系优化、构件受力合理、充分发挥材料性能,再加上一些创意,就能设计出一座安全、经济、实用、美观的桥梁。

4. 问题更正

第一次回答后,徐老师指出了一些问题,在此做出更正。知错能改,鼓励鼓励吧。

"混凝土主梁自身可以承担相当大的荷载,而不像斜拉桥中那样,主梁只作为桥面系。"(我)

原文这句话表述有误,由于斜拉索的水平分力,斜拉桥主梁按偏压构件设计,因此不只是桥面系的功能。我想表达的是,斜拉桥的竖向荷载基本由斜拉索承担,而不是主梁

钢绞线的疲劳问题可以缓解的话,混凝土的疲劳呢,混凝土一旦疲劳开裂,钢绞线锈蚀换索这是个麻烦事。锚固点或者说板与主梁的交接节点,受力会很复杂,很可能就会疲劳开裂(徐)
我查到的文献也谈到了这类桥梁的缺陷:

斜拉板有更高的安全度,结构性能较好,但同时因为自重的增加引起地震时惯性力的增大,收缩和徐变的反应也变得复杂,且无法更换预应力钢筋,所以这种桥梁有逐渐减少的趋势。(文献)

这么小的跨度谈抗风,这是耍流氓。(徐)

在本桥问题上,抗风不是显著考虑。但在最初的瑞士的大跨度山谷桥Ganter Bridge设计中,很可能与抗风设计有关。

这么矮的桥塔,板索给主梁的巨大水平力,会引起主梁的稳定性问题。(徐)
这一点,我暂时无法判断。

5. 装饰性假斜拉大爆料

@叶水枫 提到的装饰假斜拉/假拱确实存在,下面就以轻松的心态随意欣赏这些糊弄外行人的“神作”吧。真假自己判断。

欣赏之余,这些装饰构造设计也不容易,还要考虑如何把塔柱立起来,不能让风吹倒吧,但还不能影响主梁受力。拉索不能张紧(影响结构受力),也不能松弛(给使用者带来不安全感)……

总是,这里学问也多了,自己琢磨吧。

【徐腾飞的回答(18票)】:

谢邀

我在网上没有搜到太多关于这座大桥的资料。

从你提供的这几张图片上看,有几个概念先要明确。

受拉的肯定不是混凝土,绝对不可能是素混凝土。

混凝土中肯定是有钢筋,而且可能有高强钢绞线(也就是你说的预应力钢筋)

从图中,看不出钢筋或者钢绞线与混凝土是如何粘结的。

如果是无粘结,在混凝土中留有管道穿过钢绞线,那这个桥就是一座典型的斜拉桥。

混凝土起得作用是装饰与保护钢绞线防止锈蚀的作用。

如果有有粘结的,那就是用预应力钢筋混凝土构件来受拉。比起单纯的钢绞线受拉,混凝土也是起到了一个装饰盒保护钢绞线的作用。

【徐振飞的回答(1票)】:

不出意外应该是座矮塔斜拉桥,拉筋部分做了保护处理,看上去好像混凝土浇筑的一样。我这儿手头就有一个类似的桥,但是拉筋没做保护,加个保护层就跟这个桥效果一样了。前面@徐腾飞老师和@马骋工程师提到的观点我赞同!

【Asdpotter的回答(0票)】:

谢邀。

个人愚见该混凝土里面包含有钢筋或钢绞线,这点和@徐腾飞 老师说的一样。更加详细的答案只能参考设计说明或相关的工程人员才能给出了:)

【叶水枫的回答(0票)】:

你确定这是混凝土吗?看起来像是钢的。

如果是混凝土,是不是仅仅为了迎合业主审美做的装饰呢?

如果不是装饰,我能想到的受力优势就是这个“拉索”可以承担一定的弯矩

【芙蓉惊涛的回答(0票)】:

矮塔斜拉桥斜拉索的装饰

原文地址:知乎

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