简洁而不简单——应力带桥

摘要

 

应力带桥是一种张力结构，在许多方面类似于简单的悬索桥。 应力带设计很少见。 包括桥梁工程师在内的很少人熟悉这种形式，全球建造的人数不到50人。 悬挂缆索嵌入在桥面板中，该桥面板沿支撑件之间成悬链线弧形。

与简单的悬索桥不同，应力带在预应力和承受荷载时受到拉力而绷紧，这增加了上部桥面板的刚度。 这种桥通常由钢筋索将上部混凝土板张紧而制成。 它们主要用于步行和自行车交通。 

应力带桥非常经济，美观且几乎无需维护，它们需要最少量的材料。 目前的研究，将应力带桥与缆索或拱结合起来，以建造最经济的应力带桥。 它使这些特殊桥梁的特征成为重要桥梁结构研究中的一部分。

 

 

1、介绍

 

受应力的带状桥（也是应力带桥）是一种张力结构（在许多方面类似于简单的悬索桥）。悬挂缆索嵌入在桥面板中，该桥面板沿支撑件之间成悬链线弧形。与简单的悬索桥不同，缆索在预应力和承受荷载时收到拉应力而绷紧，这增加了结构的刚度（简单的悬架桥更容易摇摆和弹跳）。这种结构桥墩反力是向上的弧形推力，可以改变跨度，使用多个不同跨距。

这种桥通常由钢应力带拉紧的混凝土组合而成。当这种桥梁需要承载车辆交通的情况下，需要一定程度的刚度来防止结构的过度弯曲，这是通过在拉紧应力带对混凝土施加压力而获得的。

 

 

应力丝带对桥梁哲学家、思想家、知识分子都很有吸引力，请在不同的社区、国籍、国家、语言等之间建立桥梁而不是围墙，以实现传统的兄弟情谊。这可以通过建造应力带桥来实现。

应力带桥非常经济，美观且几乎无需维护。它们需要最少量的材料。它们的建立不依赖现有地形条件，因此在施工期间对环境的影响最小。

 

 

 

 

应力带桥是用于描述由细长的混凝土桥面板以悬链线形状形成的结构的术语。它们可以设计成具有一个或多个跨度，并且具有连续且互补的平滑曲线。这些曲线融入自然环境及其形式，是最简单和最基本的结构解决方案。可以在不对环境施加过度压力的情况下建立应力带桥。

应力带桥在悬挂和斜缆索结构的设计中考虑了如何使用细长的混凝土桥面。它着眼于它们的特征;它们的刚度主要取决于预应力混凝土铺面的张力刚度，以至于行人或风引起的运动不会被使用者感觉到不适。与缆索承载负载的悬索桥相反，在应力带中，通过拉紧缆索和支座之间的桥面板，桥面板共享轴向拉力。由于结构紧张，两侧锚固力非常大。

 

 

 

2、FINSTERWALDER’S  应力丝带桥理论

 

应力带桥梁使用接触网的理论，通过桥面板上的张力将载荷传递到锚固在地面上的桥台。这个概念最初由德国工程师Ulrich Finsterwalder介绍。

第一座应力带桥于20世纪60年代在瑞士建造。LakeHodges的新桥是北美第六座带状桥，其中三个相等的100.6m跨度是这种桥梁类型中最长的一座。

应力带桥结合了悬浮的凹跨和支撑的凸跨。凹形跨度有利半径大约2500m，而凸形跨度（取决于桥的设计速度）有利半径大约3000m（600m）的半径。

应力带本身是钢筋混凝土板，厚度一般约为25cm左右。这种预应力一般是三到四层直径为1.2cm到2.5cm的高强度钢筋。这些层间隔开，可以利用预应力套管接头将预应力钢筋垂直和水平分开。为了抵抗来自通行荷载的弯矩，桥面板在横向的顶部和底部被固定约束。

 

德国工程师Ulrich Finsterwalder

 

3.应力带桥的形式

 

3.1 上层结构

典型的应力带桥面板由预制混凝土板和预应力钢筋组成，预制混凝土板具有在施工期间支撑它们的轴承筋，所述预应力钢筋张紧以形成最终设计的几何形状。在对桥面板施加应力之前，木板之间的接缝通常用现浇混凝土密封。预应力筋将水平力传递到桥台，然后使用地锚传递到地面。钢筋束被包裹在管道中，管道通常在张紧后进行灌浆，以锁定应力并保护它们免受腐蚀。由于桥面板中的弯曲较低，因此可以使挠度最小化并且导致基础中的静载荷和水平力的减小。

3.2 下部结构

支座设计用于通过地锚将水平力从桥面板缆索传递到地面。行人、风和温度载荷会导致靠近桥台的桥面板弯曲力矩发生较大变化，因此必须考虑裂缝宽度和疲劳应力。地锚通常分两个阶段张紧，第一个阶段在桥面板铺设之前张紧，其余部分在桥面板完成之后张紧。如果仅在一个阶段受到压力，则临时情况下的桥台将抵抗大的不平衡力，所以桥台必须检查土压力，倾覆和滑动的结构以及永久性条件。

3.3 基础

抵抗应力带较大水平力的理想地面条件是岩石基础。这种情况很少，但肯定可以在桥台下方的某个深度发现有能力的土层，也可以设计出合适的基础。在土层条件不允许使用锚的某些情况下，也可以使用桩基，水平变形非常重要，在设计中要重点考虑。

 

 

 

4.与简单的悬索桥比较

 

应力带桥是一种张力结构，在许多方面类似于简单的悬索桥。悬挂缆索嵌入在桥面板中，该桥面板沿支撑件之间成悬链线弧形。与悬索桥相反，悬索桥承载负载，在应力带中，通过拉紧缆索和桥台之间的桥面板，桥面板共用轴向拉力。与简单的悬索跨不同，应力带在压缩时受到拉力，这增加了结构的刚度。简单的悬架桥很容易摇摆和弹跳。这种结构桥墩反力是向上的弧形推力，可以改变跨度，使用多个不同跨距。

这种桥通常由钢应力带拉紧的混凝土组合而成。

当这种桥梁需要承载车辆交通的情况下，需要一定程度的刚度来防止结构的过度弯曲，这是通过在拉紧应力带对混凝土施加压力而获得的。由于结构紧张，锚固力非常大。

 

 

一般悬索桥

 

 

应力带桥：马尔多纳多桥

 

5.施工技术

 

马尔多纳多桥的建设相对简单。桥台和桥墩首先建造。接下来，轴承缆索从桥台伸展到桥台，并覆盖在桥墩顶部的钢鞍座上。轴承筋在施工期间通常支撑结构，并且很少使用额外预拉力。一旦轴承缆索张紧到规定的设计力，预制板就会通过位于每个板四角的支撑杆悬挂。在这一点上，桥梁下垂成悬链状。

下一步是将后张紧管道放置在桥中。管道直接放置在轴承缆索和支撑杆的上方，支撑杆全部位于两个纵向槽中，这些槽沿着桥的长度延伸。在管道就位后，将浇筑的混凝土放置在纵向槽中的小横向闭合接头中。将混凝土浇注在木板之间的接缝中，并在进行最终张紧之前使其硬化。

在使浇注混凝土固化并达到其全部强度之后，桥梁被张紧。后张拉提升每个跨度，关闭面板之间的间隙，使整个桥进行压缩，并将桥转换为连续的预应力混凝土带。

 

 

 

 

6.结构系统

由拱形支撑的自锚式应力带结构的发展从下图中可以看出。很明显，多跨应力带的中间支撑也可以具有拱形（图a）。拱形用作鞍座，在后张紧期间和温度下降期间，应力带跨度可以从该鞍座上升，并且中心“带”可以在温度升高期间保持拱形形状。

在初始阶段，应力带表现为由跨侧支撑的鞍座支撑的双跨缆索（图b）。拱形由其自重，鞍座段的重量和轴承筋产生的径向力加载（图c）。在应力带与预应力筋后张紧后，应力带和拱形表现为一个结构。

可以选择应力带和拱形中的形状和初始应力，使得应力带HSR和拱形HA中的水平力相同。然后可以将应力带和拱形基脚与倾斜的压缩支柱连接，以平衡水平力。由水平力HSR.h产生的力矩然后由ΔV.LP抵抗。以这种方式，产生仅具有垂直反应的自锚定系统（图d）。

 

 

同样显而易见的是，应力带可以悬挂在拱门上。 然后可以开发几种自锚系统。 下图展示了使用这种系统的一些概念。

图a显示了固定在细长预应力混凝土桥面的锚块上的拱形结构。 拱形不仅由其自重和应力带加载，而且还由预应力筋的径向力加载，类似我们常说的系杆拱桥。

图b示出了具有与上图d中所示结构类似的静态行为的结构。 为了减小应力带锚块的张力，可以通过倾斜的压缩支柱连接应力带和拱脚，这些压力支柱完全或部分地平衡应力带水平力。

图c示出了类似的结构，其中细长的预应力混凝土带在未悬挂在拱形结构的部分中具有增加的弯曲刚度。

 

 

7.优点

 

7.1应力带人行桥是非常经济，美观和几乎免维护的结构。

7.2它们需要最少量的材料。

7.3它们的建立不依赖现有地形条件，因此在施工期间对环境的影响最小。

7.4如果给定适当的条件，它们可以快速方便地构建，而不会产生错误的工作应力带桥允许长跨度和最少数量的桥墩，并且桥墩可以比斜拉桥或悬索桥所需的短。

 

8.应力带在全球各地的桥梁

 

 

 

9.部分案例

9.1 Lake Hodges bridge

完成时间：2009年5月

总长：301.7m，3跨，每跨100.6m

宽：3.66m

设计：林同棪国际。 

这是世界上最长的应力带桥。早些时候，只有一条9英里的公路连接着湖的南北两侧，骑自行车的人和行人不得不来回绕行。现在，这个优雅的结构使高速公路的行人和骑自行车的人不会对环境或视觉景观产生严重影响。

这座桥的建设公司评估了可能适用于该位置的各种桥梁类型。它们包括预制钢桁架设计，各种混凝土梁替代品，一种层压木桥和大跨度替代品如斜拉桥和悬索桥。还考虑了钢带概念。钢桁架，混凝土和胶合木具有庞大的超级结构，并且由于非常高的塔而避免了长跨度概念。

很明显，所选择的桥梁类型必须具有以下特征： -

§ 

·最小的环境影响。

·长跨度，湖中码头数量最少。

·能够在水面上建造而不会造成耽误工期。

·视觉效果极小，结构融入景观。

·设计应在干燥和潮湿条件下都能很好地工作。

在考虑了上述选项后，应力带桥在美学和功能上是完美的选择。

 

 

 

 

9.2 Börstel Bridge

工程师：斯图加特Schlaich Bergerm annund合伙人

建筑师：克劳斯伯里，法兰克福

总长度：96m

最大跨度：35m

主跨布置：25m+20m+35m

宽度：3.5m

总投资：约1141000欧元，每平米造价约3400欧元

完成时间：2000年建成，当时德国的钢材价格每吨约350欧元

 

 

 

 

9.3 兰卡斯特人行桥

费用：160万美元

完成日期：2010年

 

 

 

9.4 马尔多纳多桥（公路桥）

 

 

 

 

 

9.5 罗格河步行桥

下垂最大：1.54m

跨度：73.15m +84.73m +42.67m

桥面宽度：4.27m

建筑成本：1320000美元

 

 

 

9.6 Terwillegar bridge

总长：262m

 

 

 

 

9.7 Signature Pedestrian Bridge 

总长：64m

 

 

 

9.8 Essing bridge

总长：189.91m

跨度：73m

 

 

 

9.9 Aarestege bridge

跨度：15.20m+74.00m+13.20m

 

 

9.10 Abrollsattel bridge

跨度:30m+78m+35m+30m

 

 

9.11 Stuttgart-Vaihingen bridge

桥长:37m

宽:3.5m

 

 

 

10.总结

 

应力带桥是一种多功能形式的桥梁，适应性结构形式适用于各种要求。细长的桥面板在视觉上令人愉悦，并且对周围环境产生视觉冲击，给人以轻微的美感。后张紧混凝土可最大限度地减少开裂并确保耐用性。很少需要轴承和伸缩接头，最大限度地减少维护和检查。在施工方法中也有优点，因为使用预制段的安装不依赖于特定的现场条件并且允许节省人力的安装和短的交付时间。使用轴承筋可以消除对现场模板工作和大型工厂的需求，有助于快速施工程序和环境保护。

发现了各种不同的地形和土层条件，以及许多需要建造美观且具有成本效益的人行天桥的区域：应力带桥可以为这些挑战提供优雅的解决方案