簡潔而不簡單——應力帶橋

摘要

 

應力帶橋是一種張力結構，在許多方面類似于簡單的懸索橋。 應力帶設計很少見。 包括橋梁工程師在內的很少人熟悉這種形式，全球建造的人數不到50人。 懸掛纜索嵌入在橋面板中，該橋面板沿支撐件之間成懸鏈線弧形。

與簡單的懸索橋不同，應力帶在預應力和承受荷載時受到拉力而繃緊，這增加了上部橋面板的剛度。 這種橋通常由鋼筋索將上部混凝土板張緊而制成。 它們主要用于步行和自行車交通。 

應力帶橋非常經濟，美觀且幾乎無需維護，它們需要最少量的材料。 目前的研究，將應力帶橋與纜索或拱結合起來，以建造最經濟的應力帶橋。 它使這些特殊橋梁的特征成為重要橋梁結構研究中的一部分。

 

 

1、介紹

 

受應力的帶狀橋（也是應力帶橋）是一種張力結構（在許多方面類似于簡單的懸索橋）。懸掛纜索嵌入在橋面板中，該橋面板沿支撐件之間成懸鏈線弧形。與簡單的懸索橋不同，纜索在預應力和承受荷載時收到拉應力而繃緊，這增加了結構的剛度（簡單的懸架橋更容易搖擺和彈跳）。這種結構橋墩反力是向上的弧形推力，可以改變跨度，使用多個不同跨距。

這種橋通常由鋼應力帶拉緊的混凝土組合而成。當這種橋梁需要承載車輛交通的情況下，需要一定程度的剛度來防止結構的過度彎曲，這是通過在拉緊應力帶對混凝土施加壓力而獲得的。

 

 

應力絲帶對橋梁哲學家、思想家、知識分子都很有吸引力，請在不同的社區、國籍、國家、語言等之間建立橋梁而不是圍墻，以實現傳統的兄弟情誼。這可以通過建造應力帶橋來實現。

應力帶橋非常經濟，美觀且幾乎無需維護。它們需要最少量的材料。它們的建立不依賴現有地形條件，因此在施工期間對環境的影響最小。

 

 

 

 

應力帶橋是用于描述由細長的混凝土橋面板以懸鏈線形狀形成的結構的術語。它們可以設計成具有一個或多個跨度，并且具有連續且互補的平滑曲線。這些曲線融入自然環境及其形式，是最簡單和最基本的結構解決方案?？梢栽诓粚Νh境施加過度壓力的情況下建立應力帶橋。

應力帶橋在懸掛和斜纜索結構的設計中考慮了如何使用細長的混凝土橋面。它著眼于它們的特征;它們的剛度主要取決于預應力混凝土鋪面的張力剛度，以至于行人或風引起的運動不會被使用者感覺到不適。與纜索承載負載的懸索橋相反，在應力帶中，通過拉緊纜索和支座之間的橋面板，橋面板共享軸向拉力。由于結構緊張，兩側錨固力非常大。

 

 

 

2、FINSTERWALDER’S  應力絲帶橋理論

 

應力帶橋梁使用接觸網的理論，通過橋面板上的張力將載荷傳遞到錨固在地面上的橋臺。這個概念最初由德國工程師Ulrich Finsterwalder介紹。

第一座應力帶橋于20世紀60年代在瑞士建造。LakeHodges的新橋是北美第六座帶狀橋，其中三個相等的100.6m跨度是這種橋梁類型中最長的一座。

應力帶橋結合了懸浮的凹跨和支撐的凸跨。凹形跨度有利半徑大約2500m，而凸形跨度（取決于橋的設計速度）有利半徑大約3000m（600m）的半徑。

應力帶本身是鋼筋混凝土板，厚度一般約為25cm左右。這種預應力一般是三到四層直徑為1.2cm到2.5cm的高強度鋼筋。這些層間隔開，可以利用預應力套管接頭將預應力鋼筋垂直和水平分開。為了抵抗來自通行荷載的彎矩，橋面板在橫向的頂部和底部被固定約束。

 

德國工程師Ulrich Finsterwalder

 

3.應力帶橋的形式

 

3.1 上層結構

典型的應力帶橋面板由預制混凝土板和預應力鋼筋組成，預制混凝土板具有在施工期間支撐它們的軸承筋，所述預應力鋼筋張緊以形成最終設計的幾何形狀。在對橋面板施加應力之前，木板之間的接縫通常用現澆混凝土密封。預應力筋將水平力傳遞到橋臺，然后使用地錨傳遞到地面。鋼筋束被包裹在管道中，管道通常在張緊后進行灌漿，以鎖定應力并保護它們免受腐蝕。由于橋面板中的彎曲較低，因此可以使撓度最小化并且導致基礎中的靜載荷和水平力的減小。

3.2 下部結構

支座設計用于通過地錨將水平力從橋面板纜索傳遞到地面。行人、風和溫度載荷會導致靠近橋臺的橋面板彎曲力矩發生較大變化，因此必須考慮裂縫寬度和疲勞應力。地錨通常分兩個階段張緊，第一個階段在橋面板鋪設之前張緊，其余部分在橋面板完成之后張緊。如果僅在一個階段受到壓力，則臨時情況下的橋臺將抵抗大的不平衡力，所以橋臺必須檢查土壓力，傾覆和滑動的結構以及永久性條件。

3.3 基礎

抵抗應力帶較大水平力的理想地面條件是巖石基礎。這種情況很少，但肯定可以在橋臺下方的某個深度發現有能力的土層，也可以設計出合適的基礎。在土層條件不允許使用錨的某些情況下，也可以使用樁基，水平變形非常重要，在設計中要重點考慮。

 

 

 

4.與簡單的懸索橋比較

 

應力帶橋是一種張力結構，在許多方面類似于簡單的懸索橋。懸掛纜索嵌入在橋面板中，該橋面板沿支撐件之間成懸鏈線弧形。與懸索橋相反，懸索橋承載負載，在應力帶中，通過拉緊纜索和橋臺之間的橋面板，橋面板共用軸向拉力。與簡單的懸索跨不同，應力帶在壓縮時受到拉力，這增加了結構的剛度。簡單的懸架橋很容易搖擺和彈跳。這種結構橋墩反力是向上的弧形推力，可以改變跨度，使用多個不同跨距。

這種橋通常由鋼應力帶拉緊的混凝土組合而成。

當這種橋梁需要承載車輛交通的情況下，需要一定程度的剛度來防止結構的過度彎曲，這是通過在拉緊應力帶對混凝土施加壓力而獲得的。由于結構緊張，錨固力非常大。

 

 

一般懸索橋

 

 

應力帶橋：馬爾多納多橋

 

5.施工技術

 

馬爾多納多橋的建設相對簡單。橋臺和橋墩首先建造。接下來，軸承纜索從橋臺伸展到橋臺，并覆蓋在橋墩頂部的鋼鞍座上。軸承筋在施工期間通常支撐結構，并且很少使用額外預拉力。一旦軸承纜索張緊到規定的設計力，預制板就會通過位于每個板四角的支撐桿懸掛。在這一點上，橋梁下垂成懸鏈狀。

下一步是將后張緊管道放置在橋中。管道直接放置在軸承纜索和支撐桿的上方，支撐桿全部位于兩個縱向槽中，這些槽沿著橋的長度延伸。在管道就位后，將澆筑的混凝土放置在縱向槽中的小橫向閉合接頭中。將混凝土澆注在木板之間的接縫中，并在進行最終張緊之前使其硬化。

在使澆注混凝土固化并達到其全部強度之后，橋梁被張緊。后張拉提升每個跨度，關閉面板之間的間隙，使整個橋進行壓縮，并將橋轉換為連續的預應力混凝土帶。

 

 

 

 

6.結構系統

由拱形支撐的自錨式應力帶結構的發展從下圖中可以看出。很明顯，多跨應力帶的中間支撐也可以具有拱形（圖a）。拱形用作鞍座，在后張緊期間和溫度下降期間，應力帶跨度可以從該鞍座上升，并且中心“帶”可以在溫度升高期間保持拱形形狀。

在初始階段，應力帶表現為由跨側支撐的鞍座支撐的雙跨纜索（圖b）。拱形由其自重，鞍座段的重量和軸承筋產生的徑向力加載（圖c）。在應力帶與預應力筋后張緊后，應力帶和拱形表現為一個結構。

可以選擇應力帶和拱形中的形狀和初始應力，使得應力帶HSR和拱形HA中的水平力相同。然后可以將應力帶和拱形基腳與傾斜的壓縮支柱連接，以平衡水平力。由水平力HSR.h產生的力矩然后由ΔV.LP抵抗。以這種方式，產生僅具有垂直反應的自錨定系統（圖d）。

 

 

同樣顯而易見的是，應力帶可以懸掛在拱門上。 然后可以開發幾種自錨系統。 下圖展示了使用這種系統的一些概念。

圖a顯示了固定在細長預應力混凝土橋面的錨塊上的拱形結構。 拱形不僅由其自重和應力帶加載，而且還由預應力筋的徑向力加載，類似我們常說的系桿拱橋。

圖b示出了具有與上圖d中所示結構類似的靜態行為的結構。 為了減小應力帶錨塊的張力，可以通過傾斜的壓縮支柱連接應力帶和拱腳，這些壓力支柱完全或部分地平衡應力帶水平力。

圖c示出了類似的結構，其中細長的預應力混凝土帶在未懸掛在拱形結構的部分中具有增加的彎曲剛度。

 

 

7.優點

 

7.1應力帶人行橋是非常經濟，美觀和幾乎免維護的結構。

7.2它們需要最少量的材料。

7.3它們的建立不依賴現有地形條件，因此在施工期間對環境的影響最小。

7.4如果給定適當的條件，它們可以快速方便地構建，而不會產生錯誤的工作應力帶橋允許長跨度和最少數量的橋墩，并且橋墩可以比斜拉橋或懸索橋所需的短。

 

8.應力帶在全球各地的橋梁

 

 

 

9.部分案例

9.1 Lake Hodges bridge

完成時間：2009年5月

總長：301.7m，3跨，每跨100.6m

寬：3.66m

設計：林同棪國際。 

這是世界上最長的應力帶橋。早些時候，只有一條9英里的公路連接著湖的南北兩側，騎自行車的人和行人不得不來回繞行?，F在，這個優雅的結構使高速公路的行人和騎自行車的人不會對環境或視覺景觀產生嚴重影響。

這座橋的建設公司評估了可能適用于該位置的各種橋梁類型。它們包括預制鋼桁架設計，各種混凝土梁替代品，一種層壓木橋和大跨度替代品如斜拉橋和懸索橋。還考慮了鋼帶概念。鋼桁架，混凝土和膠合木具有龐大的超級結構，并且由于非常高的塔而避免了長跨度概念。

很明顯，所選擇的橋梁類型必須具有以下特征： -

§ 

·最小的環境影響。

·長跨度，湖中碼頭數量最少。

·能夠在水面上建造而不會造成耽誤工期。

·視覺效果極小，結構融入景觀。

·設計應在干燥和潮濕條件下都能很好地工作。

在考慮了上述選項后，應力帶橋在美學和功能上是完美的選擇。

 

 

 

 

9.2 B?rstel Bridge

工程師：斯圖加特Schlaich Bergerm annund合伙人

建筑師：克勞斯伯里，法蘭克福

總長度：96m

最大跨度：35m

主跨布置：25m+20m+35m

寬度：3.5m

總投資：約1141000歐元，每平米造價約3400歐元

完成時間：2000年建成，當時德國的鋼材價格每噸約350歐元

 

 

 

 

9.3 蘭卡斯特人行橋

費用：160萬美元

完成日期：2010年

 

 

 

9.4 馬爾多納多橋（公路橋）

 

 

 

 

 

9.5 羅格河步行橋

下垂最大：1.54m

跨度：73.15m +84.73m +42.67m

橋面寬度：4.27m

建筑成本：1320000美元

 

 

 

9.6 Terwillegar bridge

總長：262m

 

 

 

 

9.7 Signature Pedestrian Bridge 

總長：64m

 

 

 

9.8 Essing bridge

總長：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

橋長:37m

寬:3.5m

 

 

 

10.總結

 

應力帶橋是一種多功能形式的橋梁，適應性結構形式適用于各種要求。細長的橋面板在視覺上令人愉悅，并且對周圍環境產生視覺沖擊，給人以輕微的美感。后張緊混凝土可最大限度地減少開裂并確保耐用性。很少需要軸承和伸縮接頭，最大限度地減少維護和檢查。在施工方法中也有優點，因為使用預制段的安裝不依賴于特定的現場條件并且允許節省人力的安裝和短的交付時間。使用軸承筋可以消除對現場模板工作和大型工廠的需求，有助于快速施工程序和環境保護。

發現了各種不同的地形和土層條件，以及許多需要建造美觀且具有成本效益的人行天橋的區域：應力帶橋可以為這些挑戰提供優雅的解決方案