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摘 要

本文依据南京青奥公园自锚式悬索桥设计任务书完成了对该桥的设计与计算工作。根据对该桥的总体设计，在Midas Civil软件的辅助下，使用抛物线法和迭代法分别建立了两个模型对该桥进行模拟，通过添加相关荷载与工况，计算出桥梁各个局部位置，如：主缆、吊杆、桥塔等，在不同荷载工况下的内力，并以此对局部进行设计与校验。同时本文对该桥的基础部分进行了受力分析与设计，对其施工过程进行了简单的介绍。

关键词：抛物线法 迭代法 主缆 吊杆 桩基础

目录

摘要 I

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 自锚式悬索桥的发展概况 1

1.1.2历史发展 1

1.1.3现代自锚式悬索桥 2

1.2 自锚式悬索桥受力特点及优势 2

1.3 自锚式悬索桥的缺点 3

1.4 设计的主要内容 3

第二章 总体设计及构造形式的选择 5

2.1 大桥概况 5

2.1.1 工程简介及技术标准 5

2.1.2 主要规范 5

2.2 结构总体设计 6

2.2.1 跨径布置 6

2.2.2 中跨主缆矢跨比和塔高 6

2.2.3吊杆间距 6

2.2.4 加劲梁高 7

2.2.5 横截面布置图 7

2.3 构造形式 8

2.3.1主梁 8

2.3.2 桥塔 10

第三章 采用抛物线法所建的模型 12

3.1 抛物线法理论及计算 12

3.1.1 抛物线法的概述 12

3.1.2 抛物线法主缆线形的计算 12

3.2 使用Midas Civil软件建立抛物线法模型 14

3.2.1 使用Midas Civil软件建立抛物线法模型的过程 14

3.2.2 恒荷载工况吊杆内力 14

第四章 采用迭代法所建立的模型及其恒荷载工况 16

4.1 桥梁的恒荷载 16

4.1.1 一期恒载 16

4.1.2 二期恒载 17

4.1.3 恒荷载的计算 18

4.2 迭代法理论概述 18

4.3使用Midas Civil软件建立抛物线法模型 18

4.3.1 使用Midas Civil软件建立迭代法模型的过程 18

4.3.2 主缆线形 20

4.3.3 无应力长度和初始内力 21

4.3.4 恒荷载工况 22

4.4迭代法模型与抛物线法模型的对比 24

4.4.1 主缆线形的对比 24

4.4.2 恒荷载工况吊杆内力的对比 24

4.5 恒荷载工况的整体位移 25

4.6 恒荷载工况的整体内力 26

第五章 活载工况和局部校验 28

5.1 活荷载 28

5.1.1 在Midas Civil中活载的添加方式 28

5.1.2 汽车荷载 29

5.1.3 人群荷载 30

5.1.4 恒载与活载的工况组合及结果 30

5.2 主缆的计算 32

5.2.1 使用Midas Civil软件进行主缆内力计算 32

5.2.2 采用抛物线法手算主缆内力 33

5.2.3 电算与手算的比较 35

5.2.4 主缆的强度校验 35

5.3 吊杆、索夹的计算 36

5.3.1 使用Midas Civil软件进行吊杆的内力计算 36

5.3.2 手算吊杆内力 37

5.3.3 电算结果与手算结果的比较分析 38

5.3.4 吊杆的强度验算 39

5.3.5 连接索夹与吊杆的钢销的验算 40

5.3.6 索夹的校验 41

5.4 桥塔计算 41

第六章 基础的计算 43

6.1 地质资料 43

6.2 设计过程 45

6.2.1 设计资料 45

6.2.2 单桩容许承载力的确定 45

6.2.3 桩顶荷载计算 47

6.2.4参数计算 48

6.2.5 桩的配筋 50

第七章 施工过程的概述 52

7.1 自锚式悬索桥施工过程 52

设计总结与感谢 55

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 自锚式悬索桥的发展概况

自锚式悬索桥不同于一般的悬索桥，它不需要庞大的锚碇，而是把主缆直接锚固到桥面板或者加劲梁的两端，由它们来承担主缆中的水平力。因此，端部支撑只需要承担拉索的竖向分力，这给不方便建造锚碇的地方修建悬索桥提供了一种解决办法。

过去建造的自锚式悬索桥加劲梁大多采用钢结构。2002年7月在大连建成了世界上第一座钢筋混凝土材料的自锚式悬索桥—金石滩金湾桥，为该类桥型的研究提供了宝贵的经验。

1.1.2历史发展

19世纪后半叶，奥地利工程师约瑟夫·朗金和美国工程师查理斯·本德分别独立构思出自锚式悬索桥的造型。本德于1867年申请了专利，朗金于1870年在波兰建造了一座小型的铁路自锚式悬索桥。

20世纪初期自锚式悬索桥在德国兴起。1915年，德国在科隆的莱茵河上建造了第一座大型自锚式悬索桥——科隆—迪兹桥，主跨185m。世界各国的工程师都认为该桥是一种创新，在它建成的15年里影响了其它桥梁的设计。于1929年在德国建成的科隆—米尔海姆桥，主跨315m，是当时欧洲跨径最大的悬索桥。此桥虽于1945年被毁，但它至今仍然保持着自锚式悬索桥的跨径记录。在20世纪30年代，工程师们认为自锚式悬索桥加劲梁中的轴力将使该种桥梁的受力性能接近于弹性理论，所以这段期间美国和德国修建了许多座自锚式悬索桥。

1.1.3现代自锚式悬索桥

1990年修建的日本此花大桥，又名大阪北港桥，是自1954年以来修建的第一座大型自锚式公路悬索桥，跨径300m。韩国永宗大桥是世界上第一座双层行车的公铁两用自锚式悬索桥，其结构造型和尺寸都与此花大桥很相似。此外，还有美国旧金山—奥克兰海湾新桥、韩国Sorok桥、爱沙尼亚Muhu岛桥等都是自锚式悬索桥。

自锚式悬索桥在我国修建较少，而且这种桥型在国内的发展也较落后于国外。2002年在大连建成了世界上第一座加劲梁采用钢筋混凝土材料的自锚式悬索桥，使这种桥型在我国也得到发展。至目前为止，国内外自锚式悬索桥已修建了20余座。

1.2 自锚式悬索桥受力特点及优势

本课题最终决定选择自锚式悬索桥作为最终的方案。现从结构角度简述选择自锚式悬索桥的理由。

无论是自锚式还是地锚式，悬索桥的受力有以下特点：

（1）悬索桥是由主缆、主塔、鞍座、锚碇、吊索等构件构成的柔性悬吊体系。成桥时，主要由主缆和主塔承受结构自重（包括加劲梁在内）。成桥后，结构共同承受外荷载作用，受力按刚度分配。

（2）主缆是结构中最主要的承重构件，是几何可变体，主要承受拉力作用。

（3）主塔是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件，在恒载作用下，以轴向受压为主，有活载作用下，以压弯为主，呈梁柱构件特性。

（4）吊索是将加劲梁自重、外荷载传递到主缆的传力构件，是联系加劲梁和主缆的纽带，承受轴向拉力。

对于悬索桥而言最主要的问题是刚度，悬索桥需要用重力刚度来满足活载刚度的需求，如果跨度较小，则恒载相对较小，重力刚度不足，对于地锚式悬索桥而言就必须增加梁高来提高刚度，这样造价就会过高。但是如果采取自锚式悬索桥的方案，就可以较好的解决中小跨度所带来的刚度和造价问题。

自锚式悬索桥的特点是：主缆拉力水平分力直接传递给加劲梁（轴向压力）承受；竖直分力（较小）由端支点承受。它的优点是：不需要修建大体积锚碇，受地形限制小；多采用钢筋混凝土加劲梁，不仅刚度得到提高，而且主缆传递的压力节省了大量预应力构造和装置，建造和后期维护费用较低，同时也克服了钢材容易压屈的缺点。这样，自锚式悬索桥在中小跨径上是很有竞争力的方案。

1.3 自锚式悬索桥的缺点

1.由于主缆直接锚固于加劲梁上，梁承受了很大的轴向力，为此需加大梁的截面，对于钢结构的加劲梁会明显增加造价，对于混凝土梁则增加了主梁自重，从而增加了主缆用钢量，以这种桥型的跨径是受限的。

2.施工步骤受到限制，主缆锚固于主梁上，所以必须在主梁、主塔做好之后再吊装主缆，安装吊索，因此需要搭建大量临时支架以安装主梁。所以自锚式悬索桥若跨径增大，其额外的施工费用就会增多。

3.锚固区局部受力复杂。

1.4 设计的主要内容

（1）对桥梁进行总体设计，拟定自锚式悬索桥的主要尺寸，包括悬索桥的跨径，矢高，塔高，主缆截面尺寸，吊杆间距及吊杆截面，锚索倾角，加劲梁的横截面形式和梁高等等。

（2）根据总体设计得到的信息使用Midas Civil软件进行抛物线法建模，并进行一些初步的分析和判断。

（3）确定恒荷载工况，使用Midas Civil软件中建模的悬索桥建模助手进行迭代法建模，并对其进行分析。

（4）确定活荷载工况，进行荷载组合，计算局部校验。

（5）进行基础设计。

（6）进行施工过程的设计。

（7）相关图纸的绘制，如桥型布置图，桥型结构图，细部构造图，基础构造图等等。

第二章 总体设计及构造形式的选择

2.1 大桥概况

2.1.1 工程简介及技术标准

本课题位于南京市浦口青奥体育公园内。跨河桥连接以下AB两个地块，A地块：青奥会赛场及辅助用房和南京市青少年奥林匹克培训基地，B地块：市级体育中心的主体育场、游泳馆、体育馆及全民健身中心。该桥横跨城南河，桥型为双塔自锚式悬索桥。该跨河桥除解决城南河两岸场馆间行人和小型机动车交通外，也是青奥公园城南河风光带上的一座重要的景观桥，是行人观赏沿河风光的重要场所。

桥跨为150m；道路等级：城市景观步行桥（可通行小型机动车）；通航净空：通航净空55×5m；道路横向布置：桥宽14.4m~20.5m，中间设行车道，两侧设人行道；桥梁荷载等级：按满布人群荷载3.5kN/m2；最大纵坡：3.5%；行车道按城-B荷载验算；桥面不设横坡；抗震设防标准：抗震设防烈度为7度，设计分组为第一组，地震动峰值加速度为0.10g，抗震设防类别为B类；结构安全等级：二级，重要性系数取1.0。

2.1.2 主要规范

[1] CJJ11—2011.城市桥梁设计规范[S].

[2] JTGD60—2004.公路桥涵设计通用规范[S].

[3] CJ166—2011.城市桥梁抗震设计规范[S].

[4] CJJ69—95.城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

[5] GB50017—2003.钢结构设计规范[S].

[6] JTGD62—2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[7] JTGD63—2007.公路桥涵地基与基础设计规范[S].

2.2 结构总体设计

2.2.1 跨径布置

悬索桥的跨径要根据地形和地质条件来确定桥塔和桥台的位置，并由此确定悬索桥的跨径。桥塔把悬索桥分成中跨和两个边跨,边跨与中跨之比与竖向变形有关,并且还受到地形的影响,通常采用1:2至1:4之间。

对于自锚式悬索桥而言，其边中跨之比如果过小，会导致其主缆在主梁的锚点处竖向分力过大，以至于在该处要加更多的额外配重，以抵消该分力，当然这还与桥塔的高度有关。

南京青奥公园自锚式悬索桥的跨径为150m，在综合考虑以上因素后，跨径布置如下，中跨，边跨，边中跨之比。

2.2.2 中跨主缆矢跨比和塔高

从悬索桥的受力来看,矢高f越大,主索中的内力越小,用钢量越少,也就是矢跨比越大,每延米总用钢量越少。当中跨跨径越大时,悬索的自重所占比重大大突出,反之中跨跨径较小时,就不那么突出。但矢跨比加大必然增加桥塔高度和悬索长度,也会增加竖向变形。一般认为最有利的矢跨比为16/一1/7,但在工程实践中为了减小桥塔高度和减小竖向挠度。

南京青奥公园自锚式悬索桥的中跨主缆矢高，，塔高从桥塔处桥面算起，南京青奥公园自锚式悬索桥的塔高(桥面至塔顶缆索中心线)。

2.2.3吊杆间距

吊杆间距直接涉及到桥面构造和桥面材料的用量。跨径在80米到200米范围内的悬索桥,吊杆间距一般取3-8米,随着跨径的增加吊杆间距也应该增大。

南京青奥公园自锚式悬索桥的跨径为150m，跨径不大，且该桥以景观作用为主，虽可通行车辆，但总体而言对于受力要求不高，故吊杆间距不宜过密，综合考虑后，缆索在箱梁上的锚固点至距离其最近的第一根吊杆间距为4.5m，桥塔中心线至距离其最近的主跨第一根吊杆间距为5.5m，其余位置的吊杆间距均为5m。

2.2.4 加劲梁高

悬索桥加劲梁梁高主要根据刚度条件和材料用量最少来确定,为保证悬索桥跨径四分点处必要的刚度要求,加劲梁的梁高一般应为l/40-l/60,随着跨径的增大,自重所占的比例越大,要求加劲梁刚度大的矛盾就越不突出，加劲梁的梁高与跨径之比常取较小的比例。

南京青奥公园自锚式悬索桥的主梁设计高度为2m。

2.2.5 横截面布置图

南京青奥公园自锚式悬索桥以景观作用为主，同时需满足车辆通行的要求，故在桥面中心设宽为7m的双向两车道，其余位置除锚固区外均为人行道，常规位置横截面布置图如图2-1，桥塔处位置横截面布置如图2-2。

图2-1 1号截面桥面布置图

图2-2 2号截面桥面布置图

2.3 构造形式

2.3.1主梁

2.3.1.1主梁的构造

主梁采用扁平钢箱梁截面，梁高2m，梁宽18.5m，不设横坡，桥塔处为避让桥塔，梁宽变为10.65m。箱梁顶板厚16mm,底板厚12mm。扁平钢箱梁内每隔5m设一道横隔板，横隔板厚度为12mm。

图2-2，图2-3为扁平钢箱梁截面详图。

图2-3 扁平钢箱梁1号截面详图

图2-4 扁平钢箱梁2号截面详图

2.3.1.2 主梁在建模过程中的处理

Midas Civi的截面模型中没有提供钢箱梁的截面模型，且笔者所用的钢箱梁其真实情况较为复杂，难以采用Midas Civil所提供的截面特性计算器生成真实的梁截面特性。

笔者采用的方法如下，首先在Autocad软件中设计出完整的梁截面，并生成整个梁截面的面域，并查询面域的特性值，可得到其真实的面域特性，包括面积、惯性矩等等。图2-4和图2-5就是1号截面和2号截面在计算时所使用的面域图。然后用Midas Civil截面设计中提供的数值界面进行箱梁截面模拟，所用的基本模型为实腹式长方形，在截面特性中输入Autocad软件计算所得的截面特性值即可。

图2-5 1号截面计算所用面域图

图2-6 2号截面计算所用面域图

2.3.2 桥塔

2.3.1.1 桥塔的构造

主塔从承台到上顶面的距离为32.8m，从承台到主缆中心线的距离为29.3m，从承台到箱梁顶面的距离为14.3m。整个主塔为钢筋混凝土结构，下接承台及钻孔灌注桩基础。

2.3.1.2 桥塔的美学设计

南京作为六朝古都，其城门为城市的特色，体现着城市的历史底蕴，主塔的上部为拱门形状，正是对南京的城门的模仿，体现着南京特色。图2-6为桥塔截面示意图。

图2-7 桥塔截面示意图

第三章 采用抛物线法所建的模型

3.1 抛物线法理论及计算

3.1.1 抛物线法的概述

抛物线法是把成桥状态下的主缆线形近似当做抛物线来进行计算。它适用于小跨径和自重轻的悬索桥。抛物线法根据成桥状态下悬索桥布置形成的纵断面线形和由此确定的控制主缆线形基本点的位置，来分析主缆及其他构件成桥时的构形以及受力状态。

3.1.2 抛物线法主缆线形的计算

若坐标原点选在塔顶处，抛物线方程为：

对于中跨而言，l_中=81m，f_中=13.5m。

在利用抛物线法进行主缆拉力计算时，认为拉力的水平分力处处相等，与此同时我们近似认为中跨与边跨所受的荷载也是相等的，于是有以下结论：

其中，l_边=34.5m，由此可得f_边=2.45m。

于是利用以上抛物线方程可计算出坐标原点在塔顶处的中跨坐标与边跨坐标，并将其置于整体坐标系中，可得表3-1中抛物线法z坐标。(由于结构具有对称性，这里只给出了本桥前侧、左半部分的坐标)

表3-1抛物线法所计算的缆索坐标

注：

1、上表所使用的整体坐标系如图3-1.

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