悬索桥

也称吊桥。主要承重结构由缆索(包括吊杆)、塔和锚碇三者组成的桥梁。其缆索几何形状由力的平衡条件决定,一般接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆,把桥面吊住,在桥面和吊杆之间常设置加劲梁,同缆索形成组合体系,以减小活载所引起的挠度变形。

现代悬索桥,是由索桥演变而来(见桥梁工程发展史)。适用范围以大跨度及特大跨度公路桥为主,是当今跨度超过1000米的唯一桥式。

结构主要类型

(1)不设加劲梁的柔式悬索桥(图1a),仅在活载对恒载的比值较小时采用;

(2)只主跨吊于悬索并在该跨设加劲梁(图1b),如有边跨则边跨用独立的简支梁;

(3)三跨吊于悬索,加劲梁为三跨简支梁(图1c);

(4)三跨吊于悬索,加劲梁为三跨连续梁(图1d);

(5)自锚式悬索桥(图1e),和组合体系桥中的系杆拱相似,其悬索的水平拉力不传给锚碇基础,而是传给加劲梁;

(6)缆索中段同加劲桁架上弦合为一体(图1f),在缆索用眼杆组成时,构造并不复杂,可节省材料并提高刚度。

图

构造

缆索

过去曾用竹索、铁索、调质钢眼杆,现主要使用冷拔碳素钢丝制成下列三种形式:

(1)平行丝大缆,常用J.A.罗布林所发明的“空中编缆法”就地制造,现今跨度750米以上的桥都使用此法;

(2)由钢丝绳组成的钢丝绳缆,施工较快,但其弹性模量较低,只适用于跨度较小的桥;

(3)由平行钢丝绳股组成的大缆,绳股可在工厂预制,保持了平行丝大缆的优点,并在施工上有所改进。

空中编缆法是在缆索全长范围内设置一无端绳圈,将携丝滑轮固定其上。再将一岸桥头的卷筒(丝盘)钢丝引套于携丝滑轮,驱动无端绳圈,即将两股钢丝带到对岸。对岸将钢丝卸下套在锚固用的靴跟形铸件(索靴)上,并将对岸的卷筒钢丝引套于携丝滑轮,驱动无端绳圈,将对岸的钢丝带回原岸。在同一缆索内的所有钢丝都这样编好后,在缆索截面外围用若干千斤顶将钢丝挤紧,再用软钢丝密缠,使其几何尺寸稳定,并具有良好抗锈性。采用这一构造的美国布鲁克林桥,建于1883年,其缆索至今完好。

以往曾用石塔,今则以钢塔为主,有时也用钢筋混凝土塔。到60年代,美国仍采用铆接多室钢箱形截面,英国则开始采用栓焊结构,并将箱形截面从多室改为单室,以节约钢材。因缆索在塔顶有一转角,其支承须设鞍式构造(称为索鞍)。当桥承受荷载时,索鞍将因两侧缆索伸长量不等而发生纵向线变位。由于将底端固定于桥墩的钢塔能在塔顶发生相应的弹性变位,故索鞍可以固结于塔顶;对于不能发生较大弹性变位的“刚性塔”,其索鞍下需设辊轴,使之像梁式桥活动支座那样活动(见桥梁支座)。

锚碇

缆索的拉力通过灌筑在混凝土中的钢质构件传递给混凝土和地基。当地基为坚实岩层时,只需顺缆索方向凿一隧道(坑洞),将固定缆索的钢质构件置于其中,再用混凝土将隧道填实即成。这种锚碇称隧道式。当地基没有岩层可利用时,则需灌筑巨型混凝土块,凭重量及相应的摩阻力来抵抗拉力。这种锚碇称重力式。

悬索桥概况

当前世界上的悬索桥以美国最发达;英国次之,并于最近建成世界上最大跨度的悬索桥。日本则有几座大跨度公铁两用悬索桥正在施工。

美国悬索桥

美国在1883年建成主跨为 487米的布鲁克林桥,是早期著名的悬索桥,采用从塔顶辐射至加劲梁的许多斜缆,以增加抗风稳定性,虽不甚美观,却从构造上提供了抗御风害的榜样。1909年建成的曼哈顿桥(主跨为448米),采用了“挠度理论”,即在内力分析中将荷载使结构产生挠度的影响考虑进去,它标志着长跨悬索桥在静力分析上的成熟。在1931年跨越哈得孙河的乔治·华盛顿桥,以单层桥面8条车道通车,其主跨为1066.8米,一跃而为前纪录安巴萨德桥跨度564米的两倍。它是按双层车道设计,加劲梁采用桁架式,另有6车道布置在下弦。全桥有缆索4根,每根外径为0.9米,各由直径5毫米的钢丝26474根组成。分为左右两对,中心距为32.31米,对主跨度的比为1:33。在其以8车道通车的30年内,它的加劲桁架尚未建造,以“柔式”悬索桥的轻盈姿态成功地抵抗了风力的袭击。嗣因交通量增长,在1962年按原计划将加劲梁及下层桥面建成。1937年建成的金门桥主跨更大,为1280.2米,加劲梁仍取桁架式(高度为7.62米),桥的宽跨比降到1:47。它在风力作用下的振幅已引起注意。1940年建成的塔科马海峡(Tacoma Narrows)桥,主跨为853.4米,加劲梁采用钢板梁式,高度仅2.42米,高跨比为1:350,宽跨比更降到1:72,由两道钢板梁和一层不透风桥面组成的开口截面桥跨结构(桥身),其抗扭能力很弱。当风从侧面吹来时,因桥身的阻挡,分为上下两股不稳定的旋涡越过桥身,旋涡对桥身的吸力和压力产生扭矩和弯矩,使桥身振动加剧。1940年11月7日,在风速仅19米/秒的持久袭击下,桥面上下振幅近9米,左右扭转达45°角,加劲梁、桥面、吊杆相继破坏。这就是闻名的塔科玛桥事故。对于有50年不曾发生这类风害事故的桥梁界来讲,这是使人震惊的大事故。事后美国学者在进行空气动力稳定理论研究和风洞试验的基础上,提出防止悬索桥风害的两项措施:

(1)用透风结构削弱涡流的吸力及压力。例如采用桁架式加劲梁,在桥面设置透风缝。

(2)提高桥身结构的抗扭及抗弯刚度。例如加宽桥身,加高加劲桁架梁,在左右两主梁间设置强大的联结系。1950年采用这两项措施利用原桥墩将塔科马新桥建成后,美国继续在悬索桥兴建中取得新成绩,如1964年建成了主跨为1298.2米的韦拉扎诺海峡桥。(见彩图)

美国韦拉扎诺海峡桥,世界上大跨度公路悬索桥之一,主跨1298.4米,1964年建成 英国悬索桥

1879年的英国泰湾 (Firth Tay)桥的风害事故(见桥梁事故),曾使欧洲人对于易遭风害的悬索桥避而不谈达70年之久。到50年代,在美国对塔科马桥的事故研究取得进展时,英国人对于兴建福斯湾桥和塞文河桥展开研究。福斯湾桥主跨达1006米建于1964年,在抗风措施中采用了美国建议,加劲梁用桁架式。但为减轻恒载、节省钢材,其主桥采用正交异性钢桥面板。从风洞模型试验得知:若将加劲梁做成扁平而两头尖的流线箱型,使风力分成上下两股,则几乎不发生涡流而沿其表面滑过,从而结构所受的风压、扭矩、弯矩都可以大大减小。塞文河桥于1966年建成,在加劲梁设计方面采用了这一建议,其上缘按正交异性板布置,兼充桥面(图2);因其所受的风压减小,缆索和塔相应受力减小,使其用钢量更为节省。尽管塞文河桥主跨986.6米约为福斯湾桥主跨的98%,但其用钢量(14490吨)仅为后者的65%。它的吊杆稍形倾斜,可对钢缆和桥面间的相对位移起约束作用,并增加了结构体系的刚度,有助于桥面震荡的衰减,但吊杆布置及构造稍嫌复杂。

图

此后,丹麦小贝尔特桥(主跨600米)、土耳其博斯普鲁斯海峡桥(1973年建,主跨1074米)、英国亨伯桥都因采用流线型焊接箱梁而在经济上受益。斜张桥也吸取了这一经验。最近风洞模型试验结果又提出:若在加劲梁横截面两端设置风嘴(尖角)或导流器,并减小梁高对宽度之比,则对抗风性能的改进更为有益,而对保持下缘连续,使梁截面呈闭合箱形,则无必要。(见彩图)

英国亨伯桥,目前世界上跨度最大(1410.8米)的公路悬索桥,1981年建成 土耳其博斯普鲁斯海峡桥,联结欧亚大陆的公路悬索桥,主跨1074米,1973年建成 日本悬索桥

从60年代起,日本对兴建长跨悬索桥很积极。1973年将主跨 712米的关门桥建成,为在本州、四国间兴建三条联络桥的工作提供了经验。三条联络桥中,有两条的桥梁为公铁两用桥。鸣门公铁两用悬索桥主跨876米,已于1985年建成。明石海峡公路桥的主跨计划达1990米,由于铁路活载产生的加劲梁梁端伸缩量和角变位相当大,特采用缓冲梁,使这两种变位分散;为改进抗风性能,结构的形状及尺寸均用风洞模型试验决定;为改进抗地震性能,进行了动力模型试验及振动分析;为避免疲劳开裂,进行了桁架节点大型试件疲劳试验。

中国悬索桥

20世纪30~40年代,中国开始采用钢丝绳缆修建悬索桥。1940年建成的滇缅公路昌淦澜沧江桥的主跨为135米,用轻型钢桁架做加劲梁。1948年在云南建成继成桥,为跨度140米的柔式悬索桥。中华人民共和国成立后,1951年在四川泸定建成大渡河新桥,跨度为130米。其后30多年来曾建成一批悬索桥,如在四川省渡口市建成跨度172与185米的悬索桥各一座;又如1969年在重庆建成了朝阳桥,主跨186米,为了消灭加劲梁的S形挠曲,采用了双悬索式,加劲梁是由钢筋混凝土桥面板和钢梁结合而成的箱形梁(见实腹梁桥)。1985年在西藏建成的达孜拉萨河桥跨度达415米。

参考书目
  1. H.Shirley-Smith,The World's Great Bridɡes,PhoenixHouse,London,1964.
  2. 小西一郎著,戴振藩译:《钢桥》⑤,人民铁道出版社,北京,1981。(小西一郎編,《鋼橋》,丸善株式会社,東京,1976。)