一种用于千米级斜拉桥的斜拉索装置及其安装方法

摘要

本发明公开了一种用于千米级斜拉桥的斜拉索装置，包括位于同一索位的第一斜拉索与第二斜拉索，第一斜拉索由钢制成，第二斜拉索由碳纤维增强复合材料制成，第一斜拉索和第二斜拉索的两端分别通过锚固装置固定连接在桥梁结构上。该拉索装置可以有效提高千米级斜拉桥的力学性能，降低造价成本。同时，本发明还公开了该斜拉索装置的安装方法，步骤10）确定第一斜拉索和第二斜拉索各自所占的斜拉索截面面积比例；步骤20）确定第一斜拉索的张拉索力和第二斜拉索的张拉索力；步骤30）将第一斜拉索和第二斜拉索锚固在桥梁上；步骤40）在第一斜拉索和第二斜拉索之间布置连接装置。该安装方法可以大幅度降低混合拉索自重，并减少垂度效应。

说明书

技术领域

本发明涉及一种斜拉索装置，具体来说，涉及一种用于千米级斜拉桥的斜拉 索装置，同时，本发明还涉及该斜拉索装置的安装方法。

背景技术

自第一座现代斜拉桥于1956年建成以来，斜拉桥取得了飞速发展。由于斜 拉桥具有结构刚度大、施工方便、经济性好等优点，在600米以下已基本取代了 悬索桥，在600至1000米的跨径内也极具竞争力。苏通大桥的建成更是将斜拉 桥跨度带入超千米时代。研究表明，超千米级斜拉桥在力学性能和经济性方面与 悬索桥相比仍具有竞争优势，因此可以预计斜拉桥将在更大跨径范围内取代悬索 桥。

申请者开展的超千米级斜拉桥可行性研究表明，利用现有常用钢材、混凝土 等材料，主跨1000m的斜拉桥方案仍然是成立的，但继续增大时存在不少问题。 制约跨度继续增大的因素主要包括如下几个方面：超长斜拉索的垂度效应过大， 结构整体刚度下降；斜拉索效率低导致主梁在临近主塔位置承受巨大的轴向力， 受厚钢板材料及焊接质量限制，钢箱梁截面面积已经接近极限；随跨度增大而增 加的结构自重导致基础结构复杂造价过高，极限静风荷载将引起过大的结构内 力；结构动力学性能、横向风振稳定性等均难以得到保证。

随着我国跨江、跨海工程建设高潮的兴起，需要在宽阔的江河入海口处和海 湾海峡等地修建超千米跨度的桥梁，成熟的解决方案是悬索桥。但这些地区往往 是承载能力差的软土地基，或地质条件恶劣，超大规模的重力式锚碇建设难度极 大，而且造价非常昂贵，因此并不是最佳方案，在此条件下如果采用斜拉桥将极 具竞争力。

为进一步增大斜拉桥跨径，传统钢拉索斜拉桥结构难度很大；CFRP轻质、 高强、耐腐蚀，用作斜拉索材料可以解决传统钢斜拉索自重大、垂度效应明显且 耐久性能差的缺点，但其弹性模量低，一般来说2000m斜拉索水平跨径或4000m 主跨斜拉桥范围内，CFRP斜拉索即使垂度效应小，其等效刚度仍明显低于传统 钢斜拉索，在目前千米级斜拉桥中（1000~3000m主跨）难以直接应用。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于千米级斜拉桥的斜 拉索装置，可以有效提高千米级斜拉桥的力学性能，降低造价成本。同时，本发 明还提供该斜拉索装置的安装方法，该安装方法可以按照两个斜拉索各自的强度 分别控制张拉索力，以达到大幅度降低混合拉索自重，并减少其垂度效应。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于千米级斜拉桥的斜拉索装置，该斜拉索装置包括位于同一索位的第 一斜拉索与第二斜拉索，第一斜拉索由钢制成，第二斜拉索由碳纤维增强复合材 料制成，第一斜拉索和第二斜拉索的两端分别通过锚固装置固定连接在桥梁结构 上。

进一步，所述的用于千米级斜拉桥的斜拉索装置，还包括连接装置，连接装 置固定连接在第一斜拉索与第二斜拉索之间。

进一步，所述的连接装置包括连杆和两个索夹，连杆位于第一斜拉索与第二 斜拉索之间，连杆两端分别通过一个索夹固定连接在第一斜拉索和第二斜拉索 上。

进一步，所述的连接装置至少为三个，连接装置均匀布置在第一斜拉索与第 二斜拉索之间，且相邻的连接装置之间的距离为2～5米。

上述的用于千米级斜拉桥的斜拉索装置的安装方法，该安装方法包括如下步 骤：

步骤10）确定第一斜拉索和第二斜拉索各自所占的斜拉索截面面积比例： 根据第二斜拉索的水平投影跨径a，确定第二斜拉索所占的斜拉索截面面积比例 p：当a≤800米时，p=0.55；当800米<a<1500米时，p=0.7；当a≥1500米时， p=0.85；然后确定第一斜拉索所占的斜拉索截面面积比例q，q=1-p；

步骤20）对斜拉索进行成桥索力优化，得到优化索力F，然后根据第一斜拉 索和第二斜拉索制成材料的抗拉强度之比，以及步骤10）确定的斜拉索截面面 积比例p，根据式（1）确定第一斜拉索的横截面积A₁，根据式（2）确定第一斜 拉索的张拉索力F₁，根据式（3）确定第二斜拉索的横截面积A₂，根据式（4）确 定第二斜拉索的张拉索力F₂，

A₁=F/(pσ₂+(1-p)σ₁)×(1-p)    式（1）

F₁=A₁σ₁                       式（2）

A₂=F/(pσ₂+(1-p)σ₁)×p        式（3）

F₂=A₂σ₂                       式（4）

式中，F₁+F₂=F，σ₁表示第一斜拉索的正常工作极限应力，σ₂表示第二斜 拉索的正常工作极限应力；

步骤30）在同一索位分别悬挂第一斜拉索和第二斜拉索，并按照步骤20） 确定的张拉索力进行张拉，通过锚固装置将第一斜拉索和第二斜拉索的张拉端及 锚固端锚固在桥梁上；

步骤40）在第一斜拉索和第二斜拉索之间布置横向或斜向的连接装置，该 连接装置锁紧在第一斜拉索和第二斜拉索上，确保第一斜拉索和第二斜拉索产生 相同索垂度，并在后期荷载作用下共同受力。

进一步，所述的用于千米级斜拉桥的斜拉索装置的安装方法，还包括步骤 50）：按成桥状态重新调整索力：按照实际成桥状态重新进行索力优化，得到实 际优化索力F,按照第一斜拉索和第二斜拉索强度分配比例，根据式（5）确定 第一斜拉索的实际张拉索力F₁′，根据式（6）确定第二斜拉索的实际张拉索力 F₂′，

F₁′=F′×F₁/(F₁+F₂)    式（5）

F₂′=F′×F₂/(F₁+F₂)    式（6）

然后按照实际张拉索力，对第一斜拉索和第二斜拉索分别进行二次调索。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

（1）可以有效提高千米级斜拉桥的力学性能。本发明的斜拉索装置采用由 钢制成的第一斜拉索和由碳纤维增强复合材料制成的第二斜拉索组合而成，且第 一斜拉索和第二斜拉索位于同一索位。在成桥阶段，第一斜拉索与第二斜拉索组 成的混合结构共同承担后期荷载，并按各自等效刚度自动分配后期荷载；在各自 拉索等效刚度形成过程中，由于碳纤维增强复合材料的存在，弥补第一斜拉索自 重大、垂度效应明显的劣势，而第一斜拉索弹性模量高，又可有效提高混合结构 整体等效刚度。如果该混合结构在其适用跨径内使用，更能高效发挥其力学与经 济性能优势。第一斜拉索和第二斜拉索互补两者劣势，并可分别锚固与控制索力， 使组合效应最优化，从而大幅度增大斜拉索跨径、从强度以及刚度两方面综合提 高千米级斜拉桥力学性能。由此，千米级斜拉桥的力学性能可以进一步提高，适 用跨径可以继续增大。

（2）降低造价成本。由于采用碳纤维增强复合材料斜拉索与钢斜拉索混合 的结构形式，并非像完全使用碳纤维增强复合材料斜拉索那般昂贵，并且碳纤维 增强复合材料轻质的特点可以降低基础造价，因此造价增加并不多。特别是相对 于同样跨径的悬索桥，本发明的斜拉索装置具有很大的经济优势。

（3）大幅度降低混合拉索自重，并减少其垂度效应。由于碳纤维增强复合 材料自重比钢材料轻很多，当采用碳纤维增强复合材料斜拉索与钢斜拉索混合的 结构形式时，混合结构自重比仅仅采用钢斜拉索的自重要大大降低，而斜拉索垂 度效应主要与自重有关，自重越轻，其垂度效应越小。所以说，采用该混合结构 可达到大幅度降低拉索自重并减少其垂度效应的技术效果。

附图说明

图1是本发明安装在桥梁上的结构示意图。

图2是本发明的横截面示意图。

图3是本发明的布局俯视图。

图4是本发明的俯视图。

图中有：第一斜拉索1、第二斜拉索2、锚固装置3、连杆4、索夹5、粘结 胶体6、主塔7、主梁8。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至图4所示，本发明的一种用于千米级斜拉桥的斜拉索装置，包括位 于同一索位的第一斜拉索1与第二斜拉索2，第一斜拉索1由钢制成，第二斜拉 索2由碳纤维增强复合材料制成，第一斜拉索1和第二斜拉索2的两端分别通过 锚固装置固定连接在桥梁结构上。桥梁结构主要包括主塔7和主梁8。第一斜拉 索1的张拉端和第二斜拉索2的张拉端分别固定连接在主塔7上，第一斜拉索1 的锚固端和第二斜拉索2的锚固端分别固定连接在主梁8上。

进一步，所述的用于千米级斜拉桥的斜拉索装置，还包括连接装置，连接装 置固定连接在第一斜拉索1与第二斜拉索2之间。所述的连接装置包括连杆7 和两个索夹5，连杆7位于第一斜拉索1与第二斜拉索2之间，连杆7两端分别 通过一个索夹5固定连接在第一斜拉索1和第二斜拉索2上。所述的连接装置至 少为三个，连接装置均匀布置在第一斜拉索1与第二斜拉索2之间，且相邻的连 接装置之间的距离为2～5米。为保证后期荷载作用下，第一斜拉索1与第二斜 拉索2共同受力以及产生相同索垂度，设置连接装置。该连接装置也可避免在荷 载作用下，第一斜拉索1与第二斜拉索2之间接触碰撞，防止“打架”。

上述结构的用于千米级斜拉桥的斜拉索装置，包括第一斜拉索1与第二斜拉 索2，第一斜拉索1由钢制成，第二斜拉索2由碳纤维增强复合材料制成。将第 一斜拉索1与第二斜拉索2同时应用于斜拉桥中，组合两者优势，互补两者劣势， 从而达到有效提高千米级斜拉桥力学性能的目的。通过在同一索位对第一斜拉索 1与第二斜拉索2进行组合，分别使第二斜拉索2发挥碳纤维增强复合材料轻质、 高强、耐腐蚀的特点，弥补第一斜拉索1自重大、垂度效应明显的劣势；而第一 斜拉索1发挥其弹性模量高的优势，有效提高混合斜拉索整体等效刚度，且避免 完全使用第二斜拉索2而形成过高造价。本发明的技术方案解决单独使用钢或者 碳纤维增强复合材料作为斜拉索材料而带来的力学性能以及经济性能的劣势。

上述结构的用于千米级斜拉桥的斜拉索装置，第一斜拉索1与第二斜拉索2 在同一索位并以一定间距布置，共同通过锚固装置3锚固在桥梁上。该锚固装置 3可采用共用一块锚垫板的形式，直接将第一斜拉索1与第二斜拉索2简单组合 起来锚固在桥梁上，或者锚固装置3分别采用一块锚垫板，锚垫板间隔一定距离， 分别对第一斜拉索1与第二斜拉索2进行锚固。不论哪种锚固形式，均不影响各 自的锚固性能。显然，在主梁8与主塔7处可采用相同的锚固方式。

上述的用于千米级斜拉桥的斜拉索装置的安装方法，包括如下步骤：

步骤10）确定第一斜拉索1和第二斜拉索2各自所占的斜拉索截面面积比 例：根据第二斜拉索2的水平投影跨径a，确定第二斜拉索2所占的斜拉索截面 面积比例p：当a≤800米时，p=0.55；当800米<a<1500米时，p=0.7；当a≥ 1500米时，p=0.85；然后确定第一斜拉索1所占的斜拉索截面面积比例q，q=1-p。

步骤20）对斜拉索进行成桥索力优化，得到优化索力F，然后根据第一斜拉 索1和第二斜拉索2制成材料的抗拉强度之比，以及步骤10）确定的斜拉索截 面面积比例p，根据式（1）确定第一斜拉索1的横截面积A₁，根据式（2）确定 第一斜拉索1的张拉索力F₁，根据式（3）确定第二斜拉索2的横截面积A₂，根 据式（4）确定第二斜拉索2的张拉索力F₂，

A₁=F/(pσ₂+(1-p)σ₁)×(1-p)    式（1）

F₁=A₁σ₁                       式（2）

A₂=F/(pσ₂+(1-p)σ₁)×p        式（3）

F₂=A₂σ₂                       式（4）

式中，F₁+F₂=F，σ₁表示第一斜拉索1的正常工作极限应力，σ₂表示第二斜拉 索2的正常工作极限应力。对斜拉索进行成桥索力优化的方法是现有技术。例如， 采用《同济大学学报：自然科学版》，1998年第26卷第3期，第235-240页， 肖汝诚和项海帆发表的《斜拉桥索力优化的影响矩阵法》一文中公开的影响矩阵 法，进行成桥索力优化。

步骤30）在同一索位分别悬挂第一斜拉索1和第二斜拉索2，并按照步骤 20）确定的张拉索力进行张拉，通过锚固装置3将第一斜拉索1和第二斜拉索2 的张拉端及锚固端锚固在桥梁上。

在步骤30）中，位于第一斜拉索1和第二斜拉索2的张拉端和锚固端的锚 固装置共用同一块锚垫板。

在步骤30）中，向第二斜拉索2两端的锚固装置3中填充粘结胶体6。由于 碳纤维增强复合材料抗剪切能力较差，所以通过在锚固装置3中填充粘结胶体6， 可避免第二斜拉索2被锚固装置3直接横向剪坏。

步骤40）在第一斜拉索1和第二斜拉索2之间布置横向或斜向的连接装置， 该连接装置锁紧在第一斜拉索1和第二斜拉索2上，确保第一斜拉索1和第二斜 拉索2产生相同索垂度，并在后期荷载作用下共同受力。

进一步，所述的用于千米级斜拉桥的斜拉索装置的安装方法，还包括步骤 50）：按成桥状态重新调整索力：按照实际成桥状态重新进行索力优化，得到实 际优化索力F,按照第一斜拉索1和第二斜拉索2强度分配比例，根据式（5） 确定第一斜拉索1的实际张拉索力F₁′，根据式（6）确定第二斜拉索2的实际张 拉索力F₂′，

F₁′=F′×F₁/(F₁+F₂)    式（5）

F₂′=F′×F₂/(F₁+F₂)    式（6）

然后按照实际张拉索力，对第一斜拉索1和第二斜拉索2分别进行二次调索。

在后期荷载作用下，所产生的索力变化在第一斜拉索1和第二斜拉索2之间 按等效刚度比例进行分配。等效刚度比例是指基于斜拉索垂度效应，第一斜拉索 1和第二斜拉索2的轴向刚度之比。

在施工阶段，第一斜拉索1与第二斜拉索2分别张拉，按照各自强度分别控 制张拉索力（其中，第二斜拉索2的抗拉强度远大于第一斜拉索1），以达到大 幅度降低混合拉索自重并减少其垂度效应的技术效果。也就是说，第一斜拉索1 与第二斜拉索2总的施工索力F仍可按照常规索力优化方法从成桥优化索力倒拆 得到，然后再按强度分配到第一斜拉索1与第二斜拉索2中分别张拉，最大程度 发挥斜拉索各自材料的强度性能。在成桥阶段，第一斜拉索1与第二斜拉索2 组成的混合结构共同承担后期荷载，并按各自等效刚度自动分配后期荷载；在各 自拉索等效刚度形成过程中，由于碳纤维增强复合材料的存在，弥补第一斜拉索 1自重大、垂度效应明显的劣势，而第一斜拉索1弹性模量高，又可有效提高混 合结构整体等效刚度。如果该混合结构在其适用跨径内使用，更能高效发挥其力 学与经济性能优势。由此，千米级斜拉桥的力学性能可以进一步提高，适用跨径 可以继续增大。