本發(fā)明屬于一種拱橋與懸索結(jié)構(gòu)的協(xié)作體系，具體涉及了一種連續(xù)纜拱橋。
背景技術(shù)：
：拱結(jié)構(gòu)是受壓為主，拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)是拱圈或拱肋。它在豎向荷載作用下，橋墩或橋臺將承受水平推力。而這種水平推力將顯著抵消荷載所引起在拱圈(或拱肋)內(nèi)的彎矩作用，所以其與同等跨度的梁相比，拱的彎矩和撓度要小的多。拱橋跨越能力較大、對地形適應能力強、造價經(jīng)濟且外形也較美觀，其在橋梁結(jié)構(gòu)當中應用相當廣泛。拱橋在我國的應用有著悠久的歷史,取得過輝煌的成就，極具代表性的是建于公元605年左右的趙州石拱橋。隨著材料的更新拱橋的跨度也在逐漸增加。目前拱橋按主拱的建筑材料劃分的4類拱橋的跨徑紀錄均在中國,它們分別是主跨徑146m的山西丹河新橋(石拱橋)、主跨徑420m的萬州(縣)長江大橋(鋼筋混凝土拱橋)、主跨徑460m的巫峽長江大橋(鋼管混凝土拱橋)和主跨徑552m的重慶朝天門大橋(鋼拱橋)。由此可以看出盡管材料的改進會提高拱橋的跨徑，但是這種提高是有局限的，拱橋本身的受力形式?jīng)Q定了其跨越能力不會太大。隨著拱橋的跨徑增加，其自重和水平推力會增大，從而導致拱橋的下部結(jié)構(gòu)工程量增大，施工費用增高；另外拱橋的穩(wěn)定性也會隨著跨徑的增加而降低，所以其在大跨徑橋梁中已不具優(yōu)勢，甚至不適用。懸索橋結(jié)構(gòu)具有受力性能好、跨越能力大、輕巧美觀、抗震能力強、結(jié)構(gòu)形式多樣及對地形適應能力好等特點，在許多跨越大江大河、高山峽谷、海灣港口等交通障礙物時，往往作為首選的橋型。懸索橋主要是由主塔、主纜、加勁梁、吊桿、鞍座、索夾、錨碇等構(gòu)件組成，根據(jù)是否存在錨碇可劃分為地錨式懸索橋和自錨式懸索橋。其中自錨式懸索橋主纜錨固于加勁梁上，但由于其自身結(jié)構(gòu)上的限制難以應用到特大跨徑的懸索橋上。通常，在大跨徑橋梁的選型上，更適合修建地錨懸索橋。但是在一般常規(guī)式的地錨式懸索橋，需要建造體積龐大的錨碇來錨固纜索，這就造成在地質(zhì)情況差的地方，錨碇結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)工程量非常大，往往成為工程的難點；地錨式懸索橋錨碇和錨碇基礎(chǔ)占有工程造價的相當可觀部分，成為影響懸索橋結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的重要方面；在城市地區(qū)或旅游區(qū)，修建體積龐大的錨碇，對環(huán)境美觀也會產(chǎn)生負面影響。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供了一種結(jié)合拱橋及懸索結(jié)構(gòu)的優(yōu)點、橋面系荷載由拱肋和纜索共同承擔的連續(xù)纜拱橋。纜索既是承載構(gòu)件，又起到完全平衡或部分平衡拱肋所產(chǎn)生的水平推力的作用。本發(fā)明的連續(xù)纜拱橋受力合理，具有承載力高、跨越能力大、經(jīng)濟效益好、外形美觀等優(yōu)點，特別適用于軟土地區(qū)及應用于多功能橋梁。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種連續(xù)纜拱橋，主要由主拱、邊拱、主纜、吊索、矮塔和主梁組成；所述的矮塔設(shè)在主拱的拱腳和邊拱的拱腳相交處；在主拱的拱腳、邊拱的拱腳以及矮塔的下方設(shè)有基礎(chǔ)墩臺；所述的主纜的兩端分別錨固在橋梁兩側(cè)的邊拱的拱腳上，并且矮塔的頂部支撐主纜；所述的主拱和主梁之間、邊拱與主梁之間以及主拱區(qū)域的主纜與主梁之間均分別布置設(shè)有吊索，使主梁的一部分荷載由主纜與主梁之間的吊索傳至主纜，另一部分荷載由主拱、邊拱和主梁之間的吊索傳至主拱、邊拱，減輕了主拱、邊拱受力，增加主拱、邊拱的穩(wěn)定性；主纜的水平分力參與平衡邊拱產(chǎn)生的水平推力，主拱的水平推力則由邊拱的水平推力平衡。在本發(fā)明中，作用于主梁上的荷載遵循以下傳力路徑：主梁→吊索→主拱、邊拱和主纜→矮塔和基礎(chǔ)墩臺→平衡或部分平衡。主跨荷載由主拱和主纜共同承擔，邊跨荷載完全由邊拱承擔，邊拱既是承重構(gòu)件，又起到錨碇的作用；纜既是承重構(gòu)件，又起到系桿作用。在恒載作用下，邊拱產(chǎn)生的水平推力和背索水平張力在邊拱拱腳處平衡，主拱產(chǎn)生的水平推力、邊拱產(chǎn)生的水平推力、矮塔傳下來的水平力(矮塔為偏心塔時有此項)三者在主拱拱腳處平衡，結(jié)構(gòu)處于無推力狀態(tài)；在活載作用下，基礎(chǔ)墩臺承受推力并由大地平衡。當邊跨跨徑較小時，需要通過增大背索張力來保證矮塔只受豎向力作用，但增大背索張力會使得背索的豎向分力迅速增大，而增大施工成本。因此，在這種情況下可將矮塔設(shè)置為偏心塔，在保證矮塔彎矩為零的前提下，可使背索張力保持不變，從而減小邊拱的基礎(chǔ)墩臺的負擔。進一步說明，主纜和主梁之間的吊索以及主拱和主梁之間的吊索相互錯開布置。同一側(cè)的吊索相互錯開均勻布置，主拱和主纜平均分擔橋面系的荷載，是本發(fā)明的優(yōu)選方案。本發(fā)明總體構(gòu)思下，可以根據(jù)實際情況，即根據(jù)主拱產(chǎn)生的水平推力與主纜的水平張力的差值來合理調(diào)整吊桿的布置方式，使主拱和主纜共同分擔橋面系的荷載即可。進一步說明，所述的主拱和邊拱不傾斜時，為普通拱；所述的主拱和邊拱向內(nèi)傾斜時，為提籃拱。進一步說明，所述的主拱和邊拱為鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼混組合結(jié)構(gòu)；所述的主纜和吊索均分別采用鋼絞線；所述的基礎(chǔ)墩臺為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。進一步說明，所述的主拱的拱腳、邊拱的拱腳以及矮塔的底部均與基礎(chǔ)墩臺固結(jié)。進一步說明，所述的矮塔采用通常塔或者偏心塔。本發(fā)明的優(yōu)點：1.本橋在保持拱橋優(yōu)越性的前提下，拱既是承重構(gòu)件，又起到錨碇的作用；纜既是承重構(gòu)件，又起到系桿作用。橋面系的荷載由纜索和拱肋共同承擔，減輕了拱肋受力及變形，從而減少了拱肋截面面積，同時拱肋產(chǎn)生的水平推力也大幅度減少。2.纜索對穩(wěn)定性較差的拱圈起到了卸載作用，且該體系的非保向力效應更為顯著，這使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性大幅度增加，為拱結(jié)構(gòu)跨度的提升提供了新的有效途徑。3.纜拱橋受力合理，具有承載力高、跨越能力大、經(jīng)濟效益好、外形美觀等優(yōu)點，特別適用于軟土地區(qū)及多功能橋梁。4.施工方便，工期短。附圖說明圖1中本發(fā)明的立面圖。圖2-圖5是連續(xù)纜拱橋受力分析圖。附圖標記：1-主拱；2-邊拱；3-主纜；4-吊索；5-矮塔；6-主梁。具體實施方式力學及其結(jié)構(gòu)原理結(jié)合圖2-圖5對本發(fā)明的力學及其結(jié)構(gòu)原理進行說明：1.連續(xù)纜拱橋受力特征主跨荷載由拱肋和纜索共同承擔，邊跨荷載完全由拱肋承擔，拱既是承重構(gòu)件，又起到錨碇的作用；纜既是承重構(gòu)件，又起到系桿作用。在恒載作用下，邊拱產(chǎn)生的水平推力和背索水平張力在邊拱拱腳處平衡，主拱產(chǎn)生的水平推力、邊拱產(chǎn)生的水平推力、矮塔傳下來的水平力(當矮塔為偏心矮塔時有此項)三者在主拱拱腳處平衡，結(jié)構(gòu)處于無推力狀態(tài)；在活載作用下，墩臺承受推力并由大地平衡。2.偏心矮塔力學原理當主纜與矮塔的左右兩邊的夾角不一樣時，矮塔會受到一個較小水平力和一個較大豎向力的共同作用，如圖2所示，F(xiàn)X為矮塔所受的水平力，F(xiàn)y為矮塔所受的豎向力，L0為矮塔頂部順橋向方向截面的長度，為簡化計算，忽略矮塔自重，現(xiàn)分析如下：如圖2所示，對形心點取矩，由合力矩為零可推出矮塔的合力偏心線方程：則矮塔順橋向方向的任意截面長度為：L(z)＝2f(z)+L0(2)將(1)式代入(2)式可知：若保持矮塔的面積A不變則可推出矮塔的寬度線函數(shù)為：分析表明，當矮塔形心線滿足(1)式時，矮塔在如圖2所示的外力作用下，處于無彎矩狀態(tài)而只受軸向力作用。在不考慮矮塔自重情況下，其偏心線為線性函數(shù)，若保持矮塔截面面積不變，其寬度線為雙曲線(如圖3所示)，可保證材料得到充分的利用。當考慮矮塔自重時，分析如下：在考慮矮塔自重時，同樣保持面積A不變，假設(shè)矮塔高為H。如圖4所示，將墩臺等分成n等分，每一個窄條曲邊梯形用窄條矩形近似，每一個矩形的長度為：如圖5所示，取隔離體分析，對Oi取矩，由合力矩為零可知；由式(5)和式(6)，可推出坐標迭代式為:zi＝zi-1+Δ,(i＝0,1,···,n)(7)式中，z0＝0,x0＝0(9)根據(jù)最小二乘法，偏心線函數(shù)f(z)可用多項式P(z)近似，假設(shè)P(z)為：P(z)＝aqT(11)式中：a＝(a0,a1,···,ak)(12)q＝(1,z,···,zk)(13)a矩陣可由下式求出：由式(11)和式(14)可知:要求出J的最小值，需在式(15)中對a求導，矩陣形式：由式(7)、式(8)和式(17)可以導出：zTza＝zTx(18)式中：由式(18)可知:a＝(zTz)-1zTx(21)系數(shù)矩陣a可由式(21)求出，因此偏心線函數(shù)f(z)可用多項式表達為：f(z)≈P(z)＝(zTz)-1zTxqT(22)近似函數(shù)的收斂條件為：R＝|Pn(z)-Pn-1(z)|＜ε(23)式中Pn(z)和Pn-1(z)分別為矮塔分成n等分和n-1等分時的近似多項式。擬合度可定義為：當r接近1時，認為可以被很好的近似函數(shù)。此時,任意截面長度為：L(z)＝2(zTz)-1zTxqT+L0(25)由于矮塔的截面面積A保持不變，因此：2yi·(2xi+L0)＝A(26)由式(8)和式(26)可推出：同理，寬度線函數(shù)g(z)可用多項式Q(z)表示為：g(x)≈Q(z)＝(zTz)-1zTyqT(28)式中矩陣q和矩陣z分別見式(13)和式(19)，而同理任意截面寬度可表示為：W(z)＝2|(zTz)-1zTyqT|(42)綜上所述，當主纜與矮塔的左右兩邊的夾角不一樣時，矮塔受到豎向力和水平力的作用，利用上述方法可以使矮塔處于無彎矩狀態(tài)，此時稱之為偏心矮塔。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計進一步詳細說明。實施例：本實施例的纜拱橋的跨度布置均與盧浦大橋(總投資6.4億元)相同。如圖1所示，一種連續(xù)纜拱橋，主要由主拱1、邊拱2、主纜3、吊索4、矮塔5和主梁6組成；所述的矮塔5設(shè)在主拱1的拱腳和邊拱2的拱腳相交處；在主拱1的拱腳、邊拱2的拱腳以及矮塔5的下方設(shè)有基礎(chǔ)墩臺；所述的主纜3的兩端分別錨固在橋梁兩側(cè)的邊拱2的拱腳上，并且矮塔5的頂部支撐主纜3；所述的主拱1和主梁6之間、邊拱2與主梁6之間以及主拱1區(qū)域的主纜3與主梁6之間均分別布置設(shè)有吊索4，使主梁6的一部分荷載由主纜3與主梁6之間的吊索傳至主纜3，另一部分荷載由主拱1、邊拱2和主梁6之間的吊索傳至主拱1、邊拱2，減輕了主拱1、邊拱2受力，增加主拱1、邊拱2的穩(wěn)定性。主纜3的水平分力參與平衡邊拱2產(chǎn)生的水平推力，主拱1的水平推力則邊拱2的水平推力平衡。方案一：采用上述的結(jié)構(gòu)形式，主拱高跨比為1/5，纜索垂跨比為1/10；方案二：同樣采用上述的結(jié)構(gòu)形式，但高跨比為1/6；纜索垂跨比為1/13。若采用常規(guī)設(shè)計，需設(shè)置截面面積較大的拱肋，經(jīng)計算，與盧浦大橋相比，方案一的主拱拱肋受力減少30％，因此拱肋面積減少30％，此費用即省去0.61億元；方案一需增加纜索和矮塔，此費用為0.1億。因此，與盧浦大橋相比，方案一共省了0.51億。同時主拱拱肋軸力減小40％，穩(wěn)定承載力提高60％。經(jīng)計算，與盧浦大橋相比，方案二的主拱拱肋受力減少25％，因此拱肋面積減少25％，此費用即省去0.52億元；方案二需增加纜索和矮塔，此費用為0.1億。因此，與盧浦大橋相比，方案二共省了0.42億。同時主拱拱肋軸力減小30％，穩(wěn)定承載力提高50％。實施例技術(shù)參數(shù)對比表費用節(jié)省(億元)主拱拱肋軸力減少(％)穩(wěn)定承載力提高(％)方案一0.514060方案二0.423050當前第1頁1 2 3