桥梁结构分析之悬索桥现状与展望

1、桥梁结构分析之悬索桥现状与展望悬索桥构造索塔锚碇缆索吊杆桥面系索塔吊杆缆索锚碇桥面系汇 报 提 纲一.悬索桥的发展二. 悬索桥的设计与材料技术三. 悬索桥的施工技术四. 悬索桥的评估、监测、养护技术五. 未来悬索桥发展趋势一、悬索桥的发展一、1930年前后美国的悬索桥第一次发展高峰二、20世纪40年代悬索桥发展史上的挫折塔科马桥的风毁三、20世纪50年代悬索桥发展的复杂局面风洞试验的兴起四、20世纪60年代欧美的悬索桥第二次发展高峰五、20世纪70年代80年代的欧洲与日本的悬索桥第三次发展高峰六、20世纪90年代以亚洲为主的悬索桥第四次发展高峰鲁克林大桥西堠门大桥（一）1930年前后美国的悬索

2、桥第一次发展高峰鲁克林大桥（英语：Brooklyn Bridge），是美国最老的悬索桥之一，主跨486m，其1,825米长的桥面横跨东河连接美国纽约州纽约市的曼.哈顿与布鲁克林。在1883年完工时是世界上最长的悬索桥以及第一座使用由钢铁制成的悬索的桥梁。美国国家历史地标。一、悬索桥的发展（一）1930年前后美国的悬索桥第一次发展高峰20世纪20年代美国各地建成较多的小跨度城市悬索桥。 20世纪30年代是美国修建大跨度悬索桥的最兴旺时期 1931年，第一座突破千米的悬索桥主跨1006米的美国纽约华盛顿桥1937年，主跨1280米的悬索桥，美国旧金山金门大桥一、悬索桥的发展旧金山的象征 （二）20

3、世纪40年代悬索桥发展史上的挫折塔科马桥的风毁1940年，美国华盛顿州 塔科马悬索桥 此桥的加劲梁不是钢桁梁而是下承式钢板梁。由于加劲梁断面抗风稳定性差，在建成当年的11月7日近中午的时候被风吹断一、悬索桥的发展（三）20世纪50年代悬索桥发展的复杂局面风洞试验的兴起 成立了塔科马桥的事故调查委员会，经过利用风洞进行三维模型试验，肯定了无衰减的反复力逐渐累积起来以后可以发生极度的共振乃至破坏 1950年按原有跨度重建塔科马新桥 塔科马新桥的设计，悬索桥的模型风洞试验从此在设计中成为必要的手段 美国还重新检查了一些在30年代所建悬索桥的抗风能力。 一、悬索桥的发展（四）20世纪60年代欧美的悬索

4、桥第二次发展高峰进入60年代后，美国1960年于纽约的圣劳伦斯河上建成跨度655m的Seaway Skyway桥1961年接着在纽约的东河上建成跨度为549m的Throngs-Neck桥1964年又再显身手于纽约海湾建成主跨超过金门大桥18m的维拉扎诺海峡桥（1298.5m），此桥的世界桥梁第一大跨度记录曾保持了17年之久，一直到1981年才被英国的主跨为1410m的恒伯尔桥打破目前维拉扎诺海峡桥在香港青马桥（1377) 之后 ，第九位英国主跨988m的塞文桥为代表 一、悬索桥的发展维拉扎诺海峡桥（五）20世纪70年代80年代的欧洲与日本的悬索桥第三次发展高峰1970年丹麦建成主跨为600m的

5、小贝尔特桥，1973年又在土耳其伊斯坦布尔建成主跨为1074m的博斯普鲁斯海峡第一大桥。一、悬索桥的发展博斯普鲁斯海峡第一大桥（五）20世纪70年代80年代的欧洲与日本的悬索桥第三次发展高峰1970年丹麦建成主跨为600m的小贝尔特桥，1973年又在土耳其伊斯坦布尔建成主跨为1074m的博斯普鲁斯海峡第一大桥。1981年英国建成当时世界第一大跨度（1410m）的恒伯尔桥，目前在南京四桥1418m之后，位居第6一、悬索桥的发展恒伯尔桥桥塔采用由横梁联系的钢筋混凝土空心双塔柱恒伯尔桥（六）20世纪90年代以亚洲为主的悬索桥第四次发展高峰1997年，丹麦大伯尔特桥桥, 主跨1624米悬索桥(3)19

6、97年，中国香港青马大桥, 主跨1377米, 是当时最大跨度公铁二用悬索桥(7)1998年，日本明石海峡大桥，主跨1991米，是世界最大跨度悬索桥(1)1999年，中国江阴长江大桥，主跨1385米，中国第一座超千米悬索桥(8)一、悬索桥的发展大伯尔特桥加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊接就位。序号桥名主跨长/m国家竣工日期1明石海峡大桥1991日本19982西堠门大桥1650中国20093大伯尔特桥1624丹麦19964润扬长江公路大桥1490中国20055南京长江四桥1418中国20126亨伯尔桥1410英国19817江阴长江公路大桥1385中国19998香港青马桥1377中国19979

7、维拉扎诺桥1298.5美国196410金门桥1280美国193710阳逻长江大桥1280中国2007世界前十名悬索桥一览表 序号桥名主跨长/m国家竣工日期1明石海峡大桥1991日本19982西堠门大桥1650中国20093大伯尔特桥1624丹麦19964润扬长江公路大桥1490中国20055南京长江四桥1418中国20126亨伯尔桥1410英国19817江阴长江公路大桥1385中国19998香港青马桥1377中国19979维拉扎诺桥1298.5美国196410金门桥1280美国193710阳逻长江大桥1280中国2007世界前十名悬索桥一览表 中国主跨500m以上悬索桥序号桥名跨径(m)结构型

8、式竣工年地理位置1虎门二桥坭洲水道桥688+1680双塔双跨钢箱梁2018广东2舟山西堠门大桥578+1650+485单跨双铰箱梁2009浙江3润扬长江公路大桥1490单跨双铰箱梁 2005江苏省4南京长江四桥1418双塔三跨钢箱梁 2012江苏省5江阴长江公路大桥1385单跨双铰箱梁1999江苏省6青马大桥1377单跨双铰钢桁梁1997香港7武汉阳逻长江公路大桥1280单跨钢箱梁2007湖北8虎门二桥大沙水道桥1200单跨钢箱梁广东9吉首矮寨大桥1176单跨钢桁架梁湖南10广州黄埔珠江大桥1108单跨钢箱梁2008广东11镇胜高速关岭坝陵河大桥1088单跨钢桁架梁2007贵州12泰州长江公路

9、大桥1080+1080三塔双跨钢箱梁江苏省13马鞍山长江公路大桥左汊桥1080+1080三塔双跨钢箱梁安徽14宜昌长江公路大桥246.255+960+246.255单跨双铰箱梁2001湖北省15西陵长江大桥225+900+255单跨双铰箱梁1996湖北省16沪蓉西巴东四渡河大桥900单跨钢桁架梁 桥面距谷底560m湖北17虎门大桥302+888+348.5单跨双铰箱梁1997广东省18张花高速澧水特大桥200+856+190单跨钢桁架叠合梁悬索桥湖南19武汉鹦鹉洲长江大桥225+850+850+225三塔四跨钢箱梁悬索桥湖北20陕西葫芦河大桥160+700+200钢箱梁2008陕西21厦门海沧

10、大桥230+648+230三跨连续钢箱梁1999福建省22镇胜高速关岭北盘江公路大桥636单跨双铰钢桁加劲梁悬索桥贵州23重庆鱼嘴长江大桥180+616+205单跨钢箱梁2008重庆市24重庆鹅公岩长江大桥210+600+210三跨连续钢箱梁2000重庆市25重庆万州长江二桥289580289单跨双铰钢桁架加劲梁2004重庆市26重庆忠县长江大桥560单跨双铰钢管桁梁重庆市27达孜大桥500单跨双铰砼板梁1984西藏进入二十世纪以来，悬索桥进入了一个朝低高度主梁、高强度材料和大跨径方向发展的阶段，加劲梁以桁架为主，梁的高跨比在1/150左右。二战后，悬索桥进入了新的发展时期，欧洲各国采用了抗风

11、性能好的薄壁箱形截面加劲梁。鲁克林大桥西堠门大桥汇报提纲一.悬索桥的发展二. 悬索桥的设计与材料技术三. 悬索桥的施工技术四. 悬索桥的评估、监测、养护技术五. 未来悬索桥发展趋势（一）悬索桥计算方法的发展弹性理论挠度理论有限位移理论二、悬索桥的设计与材料技术加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊接就位。（一）悬索桥计算方法的发展弹性理论不考虑结构体系变形对内力的影响，按普通的结构力学方法计算，计算结构偏大。这种方法只适用于跨度小于200m且加劲梁的高度为跨径的1/40左右时的悬索桥。二、悬索桥的设计与材料技术加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊接就位。日本明石海峡大桥（一）悬索桥计算方法的

12、发展弹性理论挠度理论 弹性理论过分强调加劲梁刚度的作用, 使梁高过大, 外形显得笨重, 在跨度上也难以有很大提高。在悬索桥的建造中, 人们开始认识到主缆重力刚度的作用。1888年, 在维也纳由米兰提出了挠度理论,挠度理论以加劲梁整体和主缆索整体为研究对象，考虑悬索竖向变形对内力的影响忽略挠度理论中活载引起的主缆水平分力与竖向位移之间的非线性关系。计算结果：加劲梁弯距较弹性理论结果要小。二、悬索桥的设计与材料技术加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊接就位。日本明石海峡大桥（一）悬索桥计算方法的发展弹性理论挠度理论有限位移理论挠度理论的简化, 使它的应用范围限制在600 m以下的悬索桥，对于跨度

13、大于600 m的悬索桥悬索桥的每根构件作为研究对象，适于大跨径该方法是适合于电算的有限元方法，全面考虑大位移引起的悬索桥几何非线性因素，计算结果比挠度理论精确。二、悬索桥的设计与材料技术加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊接就位。日本明石海峡大桥 （一）悬索桥计算方法的发展弹性理论挠度理论有限位移理论（二）悬索桥设计理论的新发展（1）抗震理论（2）抗风理论。（3）耐久性分析理论 二、悬索桥的设计与材料技术加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊接就位。日本明石海峡大桥 （一）悬索桥计算方法的发展弹性理论挠度理论有限位移理论（二）悬索桥设计理论的新发展（1）抗震理论是结构抗震设计的未来发展方向，

14、是21世纪桥梁抗震设计的大潮流。二、悬索桥的设计与材料技术加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊接就位。日本明石海峡大桥 （一）悬索桥计算方法的发展弹性理论挠度理论有限位移理论（二）悬索桥设计理论的新发展（1）抗震理论（2）抗风理论 桥梁抗风设计数值化和精细化是现代桥梁防灾减灾技术的热点问题之一，主要通过理论分析、C F D数值模拟手段，对桥梁风振机理及流体-同体耦合作用进行更深的研究，进一步提高和完善CFD技术，建立“数值风洞”和“桥梁抗风虚拟现实”技术，实现“全物理、全系统、三维、高分辨率、高逼真”的桥梁结构气动弹性数值模拟。二、悬索桥的设计与材料技术加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊

15、接就位。 （一）悬索桥计算方法的发展弹性理论挠度理论有限位移理论（二）悬索桥设计理论的新发展（1）抗震理论（2）抗风理论。（3）耐久性分析理论 材料方面主要集中在大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀问题研究；在构件方面主要集中在锈蚀钢筋混凝土构件的受力性能研究；在结构方面主要集中在调查、评估等方法研究 研究热点包括耐久性计算机数值模拟分析系统、耐久性基础研究、基于全寿命的混凝土桥梁设计方法二、悬索桥的设计与材料技术加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊接就位。日本明石海峡大桥 （一）悬索桥计算方法的发展弹性理论挠度理论有限位移理论（二）悬索桥设计理论的新发展（1）抗震理论（2）抗风理论。（3）耐

16、久性分析理论 （三）二、悬索桥的设计与材料技术加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊接就位。日本明石海峡大桥 （一）悬索桥计算方法的发展弹性理论挠度理论有限位移理论（二）悬索桥设计理论的新发展（1）抗震理论（2）抗风理论。（3）耐久性分析理论 （三）新材料技术钢管混凝土和钢纤维结构工程材料应用：碳纤维作为预应力筋材，矮寨大桥大跨径的悬索桥缆索系统：研发了5.0毫米系列1860兆帕高强镀锌钢丝，为悬索桥的跨越能力提供支撑二、悬索桥的设计与材料技术加劲梁为扁平钢箱，分段运至桥下后吊装焊接就位。汇报提纲一.悬索桥的发展二. 悬索桥的设计与材料技术三. 悬索桥的施工技术四. 悬索桥的评估、监测、养护技

17、术五. 未来悬索桥发展趋势（一）上部结构的施工技术（二）下部结构的施工技术三、悬索桥的施工技术技术南京长江四桥西堠门大桥（一）上部结构的施工技术 2大技术难题:(1)钢主缆材料强度的利用率和经济性急剧降低，(2)抗风稳定性不足 1悬索桥的缆索系统制造及安装、架设技术吊索材料方面开发了8x55SWS(41WS)+1wR多丝镀锌线接触结构的吊索钢丝绳，并对钢丝绳内部的填充材料进行研究，提高此材料的耐久性和耐腐蚀性 在主缆索股制造方面，研发了超长大规格高强的主缆索股的编制锚固技术在主缆架设方面，牵引先导索架设方法的创新 火箭抛绳法牵引先导索过江直升飞机的牵引法飞艇架设先导索牵引先导索直接过江 三、悬

18、索桥的施工技术南京长江四桥西堠门大桥直升飞机吊拉西候门大桥航道繁忙导索采用质轻高强度细纤维绳。多导几次绳索，才能拽拉牵引索。火箭射击拖拉四渡河大桥澧水特大桥山区大峡谷采用小钢丝绳后接锦纶绳，过江后倒换粗绳，再倒换细钢丝绳，一直换到36mm直径的钢丝绳。摇控飞艇吊拉坝陵河大桥矮寨大桥山区峡谷有风不能起飞采用质轻高强细纤维绳先导索直径仅1mm，承受的拉力达450kg。要倒几次绳索，才能拽拉牵引索。沉索过江润扬大桥南汊桥牵引索顺利过江由牵引船从南岸沿江底铺设到北岸，再跨过北塔顶，然后两岸锚碇后方的卷扬机同时拽拉，将横躺在江底45m深的钢索呈马鞍形绷出水面，至距江面65m的高空中。25t智能化卷扬机，

19、将长2900m、近18t重的牵引索将通过它绞紧、收缩。（一）上部结构的施工技术 2大技术难题: (1)钢主缆材料强度的利用率和经济性急剧降低， (2)抗风稳定性不足 1悬索桥的缆索系统制造及安装、架设技术吊索材料方面开发了8x55SWS(41WS)+1wR多丝镀锌线接触结构的吊索钢丝绳，并对钢丝绳内部的填充材料进行研究，提高此材料的耐久性和耐腐蚀性 在主缆索股制造方面，研发了超长大规格高强的主缆索股的编制锚固技术在主缆架设方面，牵引先导索架设方法的创新 火箭抛绳法牵引先导索过江直升飞机的牵引法飞艇架设先导索牵引先导索直接过江 2.大跨度悬索桥锚固系统发展钢框架锚固系、预应力粗钢筋锚固体系、预应

20、力钢绞线锚固系、 存在检测、维护困难, 防腐不可靠可更换预应力锚固体系。三、悬索桥的施工技术技术南京长江四桥西堠门大桥（一）上部结构的施工技术 2大技术难题: (1)钢主缆材料强度的利用率和经济性急剧降低， (2)抗风稳定性不足 1悬索桥的缆索系统制造及安装、架设技术2.大跨度悬索桥锚固系统发展钢框架锚固系、预应力粗钢筋锚固体系、预应力钢绞线锚固系、 存在检测、维护困难, 防腐不可靠可更换预应力锚固体系。中交第二公路勘察设计研究院有限公司预应力钢束预埋管道设计为蜂窝式的可更换式预应力锚固系统 ,三、悬索桥的施工技术技术南京长江四桥西堠门大桥（一）上部结构的施工技术 1悬索桥的缆索系统制造及安装

21、、架设技术 2.大跨度悬索桥锚固系统发展（二）下部结构的施工技术 1.锚碇基础 2.大型深水基础三、悬索桥的施工技术技术南京长江四桥西堠门大桥（二）下部结构的施工技术 1.锚碇基础 冷冻排桩法支护方案 锚碇基础周边冰冻形成一个封锁结构，通过桩抵抗土压力和周边的水压力，分别解决封水和低抗土压力的问题。案例：江苏润扬长江大桥南汊悬索桥南锚碇 圆形地下连续墙支护方案 悬索桥锚碇基础以前多采用矩形连续墙 圆形连续墙，受力和经济性较好 案例：湖北阳逻大桥的南锚碇基础施工 三、悬索桥的施工技术技术湖北阳逻大桥的南锚碇基础施工润扬长江大桥（二）下部结构的施工技术 1.锚碇基础2.大型深水基础高桩承台基础、沉

22、井基础 泰州长江大桥主塔基础达58.244.188.0m，采用分节浮运下沉法进行施工 三、悬索桥的施工技术技术湖北阳逻大桥的南锚碇基础施工润扬长江大桥（一）上部结构的施工技术 1悬索桥的缆索系统制造及安装、架设技术 2.大跨度悬索桥锚固系统发展（二）下部结构的施工技术 1.锚碇基础 2.大型深水基础 (三）施工机械方面技术 三、悬索桥的施工技术技术南京长江四桥西堠门大桥 (三）施工机械方面技术 1在主梁架设缆载吊机方面 跨缆吊机采用模块化设计，单件模块尺寸小，重量轻，便于制造、运输、安装和保管；通过更换模块（或局部尺寸调整）即可适用于不同跨径悬索桥钢箱梁吊装施工；中央控制系统采用计算机控制和智

23、能化设计，所有工作机构的工作状态全部受中央控制系统监测和控制，自动化程度及同步控制精度高。（荷载控制精度5%， 伸长量差值控制在10mm以内），提高了设备的安全性和可靠性； 设备重量轻，安全起吊能力大； 跨缆吊机采用一套自备的安装系统提升安装至主缆。该方法既可用于吊机安装，也可用于吊机的拆除，并可在跨中或在塔根部进行拆除 。三、悬索桥的施工技术技术南京长江四桥西堠门大桥 (三）施工机械方面技术 1.在主梁架设缆载吊机方面 2.在紧缆机方面采用模块化设计这样便于制造运输和安装。自动控制液压千斤顶的行程保证了我们主缆的成型质量。紧固蹄的结构形状既有利于主缆成形，又不会损伤主缆表面钢丝。液压系统采用

24、高、低压组合泵，可单独或并联使用，高、低压泵的工作压力可自动转换，加大了千斤顶顶伸速度调节范围，更加切合和满足紧缆施工的实际作业要求，提高了紧缆效率。(4)研制和采用了先进的s形的钢丝缠丝机。在泰州长江大桥施工中，第一次成功应用国产S型钢丝缠丝机。形钢丝在悬索桥主缆表面缠绕后，钢丝间相互压扣为一体，密封效果良好，能有效阻挡雨水和雾气凝结水的侵入，减缓介质对悬索桥主缆的腐蚀三、悬索桥的施工技术技术泰州长江大桥s形的钢丝缠丝机汇报提纲一.悬索桥的发展二. 悬索桥的设计与材料技术三. 悬索桥的施工技术四. 悬索桥的评估、监测、养护技术五. 未来悬索桥发展趋势有损检测 主缆防护层打开，解除主缆缠丝，并用楔子将主缆楔开，才能够观察到主缆内层钢丝的腐蚀状况。对主缆内部钢丝的状况需要进行记录、分类统计，并加以修复。最后再将主缆重新紧缆、缠丝、涂装防护层 悬索桥主缆由上万根钢丝组成，即使能够打开主缆也不可能对每根钢丝逐一进行检测; 在主缆鞍座、锚碇处