Cable-stayed bridges : stay-cable layout, material quantities and preliminary optimization

Abstract

Abstract

This study presents a cost comparison of different types of cable-stayed bridges. An analytical calculation method is used to determine the costs, which are based on the material quantities of the stay-cables, tower and stiffening girder using the permanent load stress levels. The cost of the counterweights or forces required to balance the bridge is also taken into account. The material quantities for the stay-cables and the stiffening girder are calculated using equations derived by applying the force-length method.

The calculation assumes that the stay cables are pre-stressed curtain structures. The material quantities for the cables, towers and stiffening girders, as well as the required counterweights, are solved using the integration method. The calculations are performed linearly using a plane structure. The calculation method can be applied to both symmetric and asymmetric cable-stayed bridges, as well as bridges where the cable configuration of the back span cables is different.

The initial data required for the analysis are the dimensions of the bridge spans, the height of the tower and the weight of the deck in the main span and the estimated stresses for the prevailing permanent loads on the bridge cables, tower and stiffening girder. The calculations cover both harp and fan type cable-stayed bridges. For a harp bridge, the inclination of the tower can be given as an input, and for the fan bridges three different cable arrangements have been considered, also taking into account the position of the anchors at the top of the tower. The cross-sectional dimensions of the tower are defined at its base and are assumed to remain constant. The calculation also allows the user to select the material of the towers.

The study uses Excel to calculate the comparative costs of the potential solutions in order to find the optimized alternative. The selection of input values and the subsequent interpretation of the results requires the use of empirical knowledge of cable-stayed bridges. The effects of different construction and installation methods are not considered in the calculations.

Tiivistelmä

Tässä tutkimuksessa esitetään erityyppisten vinoköysisiltojen kustannusvertailujen tekeminen analyyttisellä laskentamenetelmällä. Kustannukset perustuvat vinoköysien, pylonin ja jäykistyspalkin materiaalimääriin käyttäen pysyvän kuorman jännitystasoja sekä kustannuksiin, jotka aiheutuvat sillan tasapainon edellyttämistä vastapainoista- tai voimista. Vinoköysien ja jäykistyspalkin materiaalimäärät lasketaan voima-pituus-menetelmän mukaan johdetuilla laskentakaavoilla.

Laskennassa oletetaan, että vinoköydet ovat esijännitettyjä verhorakenteita. Köysien, pyloneiden ja jäykistävien palkkien materiaalimäärät sekä tarvittavat vastapainot ratkaistaan integrointimenetelmällä. Laskelmat suoritetaan lineaarisesti käyttäen tasorakennetta. Laskentamenetelmää voidaan soveltaa sekä symmetrisiin että epäsymmetrisiin vinoköysisiltoihin sekä myös siltoihin, joissa takimmaisten jännevälien köysirakenne on toisistaan poikkeava rakenne.

Analyysissä tarvittavat lähtötiedot ovat sillan jännevälien mitat, pylonin korkeus ja pääjännevälin kannen paino sekä arvioidut pysyvien kuormien mukaiset jännitystasot köysille, pylonille ja jäykistyspalkille. Laskelmat kattavat sekä harppu- että viuhkamaiset köysisillat. Harppusillalle voidaan lähtötietona antaa pylonin kaltevuus, ja viuhkasiltojen osalta on tarkasteltu kolmea erilaista köysisjärjestelyä ottaen huomioon myös ankkureiden sijainti pylonin yläosassa. Pylonin poikkileikkaukselle esitetään mitoitus otaksumalla pylonin poikkileikkaus vakioksi. Pylonin rakennusmateriaali voidaan myös valita.

Tässä tutkimuksessa johdetutuilla laskentakaavoilla ja Excel-ohjelmilla voidaan vertailla ratkaisuvaihtoehtoja ja arvioida niiden kustannuksia muuttujia varioimalla. Esitetty laskentamenettely soveltuu vinoköysisiltojen alustavaan suunnitteluun. Lähtöarvojen valinnassa ja tulosten tulkinnassa tarvitaan kokemusperäistä tietoa vinoköysisilloista. Eri rakennus- ja asennusmenetelmien vaikutuksia ei ole otettu huomioon laskelmissa.