一种主缆地锚的自锚式悬索桥
技术领域
本发明涉及桥梁建造工程技术领域，特别是涉及到一种主缆地锚的自锚式悬索桥。
背景技术
悬索桥是指通过索塔悬挂的主缆作为上部结构主要承重构件的桥梁。根据主缆锚固位置的不同，分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。地锚式悬索桥的主缆端部锚固于两岸的锚碇上，利用锚碇承担主缆的拉力，虽然跨越能力大，但是锚碇规模大，造价昂贵。自锚式悬索桥的主缆锚固于主梁两端，无需设置体积庞大的锚锭，通过加劲梁的受压形成内部自平衡体系，在一定范围内具有良好的经济指标，也为建造锚碇困难的地区修建悬索桥提供了一种解决办法。
自锚式悬索桥梁端的主缆锚固区是关系到全桥结构安全的关键点，不仅要承担主缆锚固力，还要将集中的缆力传递至整个加劲梁截面，因此主缆锚固及主缆力传递方式的设计非常重要。目前自锚式悬索桥的主缆锚固结构大致分为三类：
（1）混凝土锚固系统。设置混凝土锚箱，主缆进入混凝土锚箱后散开锚固。这种锚固形式一般锚固体需要做得很大，主缆散开需要很大空间，而且存在混凝土开裂的问题。
（2）钢结构锚固系统。相比混凝土锚固系统，采用钢结构系统能有效减小锚固体体积。由于主缆力很大，所需用钢量非常大，由于钢结构存在稳定问题，锚固体需要增加许多肋板，锚固体构造较为复杂。
（3）环形锚固系统。主缆采用钢丝绳，连续绕在预应力混凝土的帽梁上。这种锚固系统能有效减小锚固结构尺寸，提高抗震性能，但主缆架设难度大，锚固体受力复杂。
另外，目前自锚式悬索桥的主缆一般采用后锚式结构，与地锚式悬索桥的前锚式结构相比，后锚式结构的索股安装难度大，套管内的索股难以进行有效的防腐处理，且不方便检修，影响桥梁的使用寿命。
发明内容
为了解决上述存在问题。本发明提供一种主缆地锚的自锚式悬索桥，将主缆在加劲梁端部绕过转索鞍后铅垂向下锚固在边墩的基础上，可以大大简化梁端主缆锚固区的构造，方便主缆的锚固和养护。为达此目的：
本发明提供一种主缆地锚的自锚式悬索桥，包括主缆、索塔、加劲梁、吊索和边墩，所述索塔位于桥面两侧或中间，所述索塔顶部设主索鞍支撑主缆，所述加劲梁的两端设有转索鞍，所述主缆在加劲梁的端部绕过转索鞍后铅垂向下锚固在边墩的基础上，所述主缆在转索鞍下方的锚固段包括整缆段和散索段，两段之间设有散索套，所述散索套设有顺桥向的固定支撑，所述吊索均匀布置在主缆和加劲梁之间，所述边墩位于加劲梁端部的下方，所述边墩顶部设支座支撑加劲梁。
作为本发明进一步改进，所述主缆在边墩基础上的锚固采用前锚式结构，本申请可以采用前锚式结构。
作为本发明进一步改进，所述加劲梁为钢梁或混凝土梁或钢-混凝土组合梁，本申请钢梁、混凝土梁和钢-混凝土组合梁均可以使用。
作为本发明进一步改进，所述自锚式悬索桥采用双跨或多跨布置形式，本申请双跨或多跨布置形式均可以使用。
本发明的有益效果：
1.主缆在加劲梁端部仅通过转索鞍进行转向，不需要构造和受力复杂的锚箱结构，简化了梁端主缆锚固区的构造。
2.主缆在边墩基础上的锚固采用前锚式结构，便于主缆的锚固和养护。
3.主缆在梁端通过转索鞍支撑，转索鞍两侧主缆拉力的合力会给梁端施加水平力和向下的竖向力，水平力使加劲梁受压并形成自平衡体系，向下的竖向力则通过梁端传递给边墩及其基础，抵消大部分主缆对边墩基础的拉力，设计科学合理。
4.传统自锚式悬索桥的主缆对梁端锚固区产生上拔力，加劲梁的端部通常需要进行压重以避免边墩的支座受拉，本发明的主缆对梁端的竖向力是下压力，边墩的支座不会出现受拉，主缆对边墩基础的不平衡拉力由边墩和基础的自重来抵消，从而可以省去大量的压重，降低了成本和施工难度。
5.主缆铅垂向下锚固在边墩的基础上，不会对边墩基础产生水平力，避免了传统地锚式悬索桥的锚碇承受水平拉力的问题。
附图说明
图1为本发明主缆地锚的自锚式悬索桥的结构体系示意图；
图2为本发明梁端处结构受力平衡示意图；
图3为本发明边墩基础的受力平衡示意图；
图4为本发明梁端转索鞍处结构受力平衡示意图。
图中标记为，1.主缆；2.索塔；3.加劲梁；4.吊索；5.主索鞍；6.转索鞍；7.边墩；8.散索套；9.支座。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种主缆地锚的自锚式悬索桥，将主缆在加劲梁端部绕过转索鞍后铅垂向下锚固在边墩的基础上，可以大大简化梁端主缆锚固区的构造，方便主缆的锚固和养护。
本发明提供如图1所示的一种主缆地锚的自锚式悬索桥，包括主缆1、索塔2、加劲梁3、吊索4和边墩7，所述索塔2位于桥面两侧或中间，索塔顶部设主索鞍5支撑主缆1，所述加劲梁4的两端设有转索鞍6，所述主缆1在梁端绕过转索鞍6后铅垂向下锚固在边墩7的基础上，主缆1在转索鞍下方的锚固段包括整缆段和散索段，两段之间设有散索套8，使主缆的索股散开后锚固，所述散索套8设有顺桥向的固定支撑，防止温度作用下散索段的索股产生较大的顺桥向变形而引起索股内力的改变，所述吊索4均匀布置在主缆1和加劲梁4之间，所述边墩7位于加劲梁3端部的下方，边墩顶部设支座9支撑加劲梁。
进一步的，所述主缆1在边墩基础上的锚固采用前锚式结构，可以方便主缆的锚固和养护。
进一步的，所述加劲梁3可采用钢梁或混凝土梁或钢-混凝土组合梁
进一步的，所述自锚式悬索桥可采用双跨、多跨等布置形式。
本发明梁端处结构受力平衡示意图如图2所示，T为主缆的拉力，θ为桥面以上主缆在转索鞍处的切线角，加劲梁下方主缆铅垂布置。
根据力的分解，转索鞍上方主缆拉力的水平分力为：Tcosθ，该水平力即为主缆传递给加劲梁的压力，主缆的水平拉力与加劲梁的压力形成内部自平衡体系。
转索鞍上方主缆拉力的竖向分力为：Tsinθ，转索鞍下方主缆竖向拉力为：T，转索鞍处主缆合力提供给梁端的竖向力为T-Tsinθ=T(1-sinθ)，力的方向为铅垂向下。
根据力的平衡，梁底支座的反力与转索鞍处主缆合力提供给梁端的竖向力大小相等、方向相反，即主缆对梁端的竖向力是下压力，支座不会出现受拉。
本发明边墩基础的受力平衡示意图如图3所示，T为主缆的拉力，θ为桥面以上主缆在转索鞍处的切线角，G为边墩和基础的自重。
边墩基础的不平衡拉力为：T- T(1-sinθ)-G=T sinθ-G，
当上式小于0，即G>T sinθ时，边墩基础就不会出现上拔力。
本发明梁端转索鞍处结构受力平衡示意图如图4所示，T为主缆的拉力，θ为桥面以上主缆在转索鞍处的切线角，加劲梁下方主缆铅垂布置，α为转索鞍滑动面与主缆的夹角，α与θ存在如下关系：
α=[180o-(90 o +θ)]/2=45 o –θ/2
即转索鞍的滑动面与水平面的夹角为：
α+θ=45 o –θ/2+θ=45 o +θ/2
转索鞍提供给主缆的支撑力为：
2Tsinα=2Tsin(45 o –θ/2)
转索鞍提供给主缆的支撑力的方向垂直于转索鞍滑动面。
主缆对转索鞍的下压力与转索鞍提供给主缆的支撑力大小相等、方向相反。
下面以实际工程为实施例对本发明进一步详细说明。
本实施例的自锚式悬索桥的总体布置与桃花峪黄河大桥相同，为双塔三跨自锚式钢箱梁悬索桥，跨径布置为(160+406+106)m，立面布置如图1所示，桥面宽度39m，主缆共2根，布置在钢箱梁的两侧，每根主缆共有37根索股，每根索股由127根直径为5.3mm的高强镀锌钢丝组成。该桥主缆锚固采用钢结构锚固系统，锚固段长25.84m，集中了主缆锚固、缆力扩散、散索套、压重、支座及伸缩缝等功能，构造非常复杂。
根据大桥的设计，单根主缆的主缆锚固处的切线角为15.152o，运营状态下单根主缆锚固处的缆力为53076kN，主缆提供给加劲梁的上拔力为53076×sin15.152o =13873kN，单侧2根主缆供给加劲梁的上拔力为2×13873 =27746kN，为保证主缆锚固梁段处支座不出现上拔力，本桥在主缆锚固梁段加劲梁箱体端部双层钢箱梁施加压重，单侧压重27500kN，剩余的少量上拔力由梁体自重作用在支座上的压力抵消，全桥压重总计55000kN，实桥采用了2200m3混凝土进行压重。
大桥边墩设计采用空心薄壁墩，单侧与主缆对应位置设两个边墩，墩身为单箱单室截面，基础采用钻孔灌注桩加承台，以大桥的北侧边墩为例，单个边墩混凝土方量为1298m3，其承台的混凝土方量为737 m3，共计2035 m3，自重为50875kN，远大于单根主缆的上拔力13873kN，因此，采用发明提供的主缆地锚的方案时，利用边墩和基础的自重作为压重，边墩基础不会出现上拔力，可以省去全桥2200m3的混凝土压重，降低了成本和施工难度，主缆对梁端的竖向力是下压力，边墩的支座也不会出现受拉。
采用本发明的方案时，主缆在梁端的锚固只需要设置转索鞍，由于主缆转向角度与塔顶主索鞍处的角度比较接近，因此转索鞍的尺寸与塔顶索鞍的尺寸大致相当，主缆对转索鞍的下压力为2×53076×sin(45 o –15.152 o /2)=64509kN。梁端只需设置加劲构造承受转索鞍的压力，不需要考虑主缆索股的散开锚固，构造上可以大大简化。
转索鞍下方的主缆锚固段设置在边墩箱室内，利用边墩的箱室作为主缆的散索室，根据主缆散索段的锚固需要，边墩底部截面顺桥两侧各渐变加宽1m即可满足要求。边墩上方的支座改为横桥向2个支座，支座顺桥向的位置移至边墩中心附近，以承受转索鞍传递下来的主缆的下压力，主缆锚固段从2个支座中间位置进入边墩箱室。散索套顺桥向的固定支撑设置在边墩箱室的侧壁上。主缆索股的锚固采用前锚式结构，施工和养护都比较方便。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
