悬索桥

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[外文]：suspensionbridge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。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。塔以往曾用石塔，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(TacomaNarrows)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）英国悬索桥1879年的英国泰湾(FirthTay)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。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）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H.Shirley-Smith，TheWorld's　Great　Bridɡes，PhoenixHouse，London，1964.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。）