桥梁工程第六章悬索桥56h

1、一、悬索桥概述二、悬索桥的基本结构及其设计与施工三、自锚式悬索桥存在的问题四、悬索桥的发展五、铁路悬索桥六、设计理念第六章 悬索桥第一节 悬索桥概述 悬索桥的组成及发展 悬索桥的设计流派 悬索桥的形式 悬索桥的选用原则及优点悬索桥的组成及发展受力特征：以主缆为主要承重结构，荷载通过锚碇和桥塔传给地基。主缆、吊杆为受拉构件；桥塔为压弯构件；加劲梁为受弯构件。悬索桥的发展：古代吊桥：早期制索材料为藤条、竹子、皮革、铁链等。 几乎大部分有关桥梁的历史书上都承认我国是最早有吊桥的国家，至少迄今有三千年左右的历史。除了我国之外，亚洲如缅甸、印度，美洲如秘鲁、智利等具有古老文化的国家也很早就有吊桥。 最早

2、的吊桥可能是独索桥。索用藤或竹编成，人伏在索上的木筒上滑溜过去。 因独索不安全，便有了多索桥。并列几根缆索上铺木板组成桥面，并在左右各悬几根缆索，夹以木板作为扶手。 世界上最著名的竹索桥是我国四川灌县的珠浦桥。桥建在战国李冰父子所创建的伟大水利工程都江堰口，横跨岷江内外二江上，共长330多米。最大跨约60m，是一座有中间墩的连续吊桥。江中共有木墩8个，石墩1个，墩的周围都打有防冲刷的木桩。全桥桥面共用竹索10根，每边栏杆各用竹索5根，桥面铺有木板可以行走马车。 原始的吊桥尚有其它各种不同的样式。印度尼西亚爪哇地区有椰子树干和竹造成的吊桥，既是吊桥又是伸臂桥，桥跨20米，高约11米，与近代的斜拉

3、桥也颇为相似。爪哇的竹斜拉桥 西藏自治区东南部珞瑜地区有一座环形的吊桥，桥跨达130多米，高出约40米，用四十多根藤索围成管状，索拉在两岸的大树或木桩上，人在索环中走过去。 近代悬索桥体系：1883年前属于奠基时期，1883-1945年是发展时期 建于公元1705年的四川大渡河的泸定铁索桥，主跨达103m，很可能是当时世界跨度最大的悬索桥。该桥已属于第一批国家保护的重要文物。19世纪采用眼杆(eyebar)与销铰作悬链的桥梁 英国1822年建成的跨度为99.7m的控威城堡桥(Conwy Castle Bridge)是最早的现代悬索桥之一，由Thomas Telford 设计。该桥跨径只有99.

4、7m，但与古代吊桥相比，有了本质的变化，出现了桥塔、吊杆、加劲梁等重要构件。荷载通过加劲梁经吊索传递给主缆最后分配给桥塔和锚碇，体系内力按构件刚度分配。 随后，托马斯又于1826年修建了梅奈海峡桥(Menai Straits Bridge)，该桥桥塔高46.7m，跨径176.6m，是当时英国第一座跨径居世界之首的桥梁。 打破这一格局的是1883年建成的美国Brooklyn Bridge，首次开始真正采用平行钢丝索制作主缆，悬索桥进入发展时期。 这一时期悬索桥的特点是：主缆是索链，用铁眼杆做成，桥塔为圬工结构。由于眼杆链式体系杆件之间接触面小，会产生应力集中，而制成眼杆所用的锻铁又是脆性材料，眼

5、杆索链容易在连接处破坏，并且跨径增大时索很难施工，这使悬索桥跨径难以增大。这一时期悬索桥的计算主要基于弹性理论。悬索桥的设计流派 悬索桥同梁桥、拱桥一样，是自古以来最基本的桥型之一，可以说它起源于我国，发展于美国，变革于英国，而现代建造最活跃的是欧州、日本，我国也正在快步追赶建造悬索桥的世界水平。自美国于1903年在纽约采用空中编缆法（AS）建成主跨488m的威廉姆斯堡（Williamsburg）大桥以来，真正意义上的大跨度悬索桥技术在世界范围已应用发展了100年，成为跨越千米以上最理想的桥型。据统计，全世界各类悬索桥总数已超过100座，其中跨度逾千米的已近20座。我国江阴长江大桥建于1999

6、年1385m 美国、英国、日本和中国是悬索桥相对集中的四个大国。由于这些悬索桥的建设年代和国情条件差异，在结构特点上形成了各自的设计风格和设计流派。 美式悬索桥 英式悬索桥 日式悬索桥 中国悬索桥美式悬索桥美国是修建悬索桥的先驱，起步较早。1883年建成布鲁克林（Brookly）桥，中跨486m。1903年建成威廉斯堡（Williamsburg）桥，中跨487.5m。1909年建成曼哈顿（Manhattan）桥，中跨450m。1930年代就已成为建设悬索桥的高峰期，建成了两座跨度超过1000m的大桥乔治华盛顿桥（George Washington）和金门大桥（Golden Gate）。1940

7、年因塔科马（Tacoma）大桥风毁，悬索桥建设而一度受挫，转而进行风洞试验研究。1964年，悬索桥技术又开始复兴，美国又建成了维拉扎诺海峡桥（VarrazanoNarrows）。此外，美国也为其他国家设计修建了多座悬索桥，如葡萄牙的4月25日桥、委内瑞拉的Augostura桥等。这些桥具有如下一些共同特点，构成美式流派：主缆：空中编缆法（AS法）架设成缆加劲梁：钢桁梁适应双层桥面，并在塔处设吊拉支承及伸缩缝桥塔：铆接或栓接钢结构吊索：竖直4股骑挂式钢丝绳索夹：左右两半式，上下采用高强螺栓水平向紧固鞍座：大型铸钢结构、辊轴滑移支承桥面：钢筋混凝土板 1883年建成的布鲁克林桥虽经百年沧桑仍在使用

8、，它既是钢桥历史纪念的里程碑，也是纽约的象征，由于时代技术的制约墩实厚重的石塔沿袭了古典样式。罗布林父子设计建造。主缆镀锌、AS法编缆、气压沉箱。布鲁克林桥的创新： 首次采用平行钢丝索制作主缆，与链式体系相比，外荷载分散到每根钢丝上，克服了眼杆应力集中的缺点； 发明了AS法主缆施工； 随着主缆形式的改变，发明了塔顶鞍座、散索鞍等构件； 是当时跨度最大是悬索桥。 1883年悬索桥进入发展时期。近代悬索桥的发展得益于两大成就：一是布鲁克林桥的建造，在主缆材料（平行钢丝）和施工方法（空中纺线）上做出了贡献，并完善了近、现代悬索桥的体系和构造；二是挠度理论的出现，使悬索桥向轻型化发展，跨径有了质的飞跃

9、。 弹性理论没有考虑初应力的刚度贡献，并将平衡建立在变形前的位置。根据弹性理论计算出的加劲梁需要很大的刚度，因而这一时期的悬索桥有很深的加劲梁和笨拙的桥塔，大大限制了悬索桥的跨径。1888年，美国工程师约瑟夫.米兰提出了挠度理论，悬索桥跨径才有了发展。 挠度理论：恒载下，主缆重力刚度较加劲梁抗弯刚度大得多，结构受力在内部构件间按刚度分配，主缆承受大部分恒载。 主缆重力刚度：桥梁结构刚度由活载作用下的挠度来衡量。原本柔性的主缆承受巨大的自重，恒载轴力产生的初应力刚度，能抵抗较小的活载产生的变形。在活载作用下，索要达到新的平衡位置和索力状态，恒载索力越大，活载索力和变形增量越小。因此，悬索桥的刚度

10、由初始悬索拉力及形状决定，称为重力刚度。 1909年，莫西夫最早应用挠度理论设计了曼哈顿大桥(Manhattan Bridge)。主跨448.1m，总长2089m，主梁为双层钢桁梁，结构体系为三跨两铰式。曼哈顿大桥改变了传统悬索桥笨重的形象，用全钢桥塔代替圬工桥塔，第一次采用华伦式桁梁（三角形腹杆系）作为加劲梁，第一次采用骑跨式吊索。整座大桥纤细、美观。 1931年，安曼设计了乔治.华盛顿桥(George Washington Bridge)，主跨1067m，标志着悬索桥进入千米级。在该桥的设计中，安曼认识到：大跨悬索桥在活载下的刚度，加劲梁的贡献是有限的，因此，加劲梁的高度不必随跨径增大而增

11、大。美国旧金山金门大桥 （Golden Gate Bridge ） 该桥建于1937年（约翰.施特劳斯）。大桥颜色为桔红色，主跨为1280m。“她造型优美，比例协调，是桥梁工程的一颗明珠，以至于本世纪的设计师们已无法超越了。”云海中的金门大桥大桥有6车道。主塔塔高227m当年主塔施工情况大桥工人当年架设主缆的情况两根主缆直径为90cm当年架设主缆施工情况 由于挠度理论的应用，1885年到1945年期间的悬索桥主梁向纤细化发展，钢桥塔代替了圬工桥塔，加劲梁由深桁梁变为浅桁梁。 但挠度理论的极端应用和对加劲梁作用的忽视导致了巨大的灾难。1941年莫西夫设计的塔科玛桥（Tacoma Narrows）

12、在一场68km/h的持久风速下振毁，仅通车三个月。 塔科玛桥主跨长853m，加劲梁为钢板梁，高跨比只有1:350，宽跨比1:72，几乎比金门大桥(宽跨比1:47）和华盛顿大桥(宽跨比1:33)小一倍。塔科玛桥风毁事故与卡门涡街 冯卡门（TheodorevonKrmn1881-1963）是美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀在美国加州理工学院时的导师。 卡门涡街是流体力学中重要的现象。在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。如水流过桥墩，风吹过高塔

13、、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，甚至使物体损坏。 塔科玛桥花费640万美元，建成4个月后，碰到了一场风速为68km/h的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近9米），直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。人们在调查这一事故收集历史资料时，惊异地发现：从1818年到19世纪末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了11座悬索桥。 第二次世界大战结束后，人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于

14、机翼的颤振；而以冯卡门为代表的流体力学家认为，塔科玛桥的主梁有着钝头的H型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。冯卡门1954年在空气动力学的发展一书中写道：塔科玛海峽大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构，采用了平板来代替桁架作为边墙。不幸，这些平板引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引起的。 20世纪60年代，经过计算和实验，证明了冯卡门的分析是正确的。塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门涡街；卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧

15、向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。 塔科玛桥事故引起了工程师们对悬索桥加劲梁抗扭刚度的重视，并使人们开始关注大跨度桥梁的空气动力稳定性。但也使悬索桥的发展停滞了近10年。 1950年塔科玛桥重建，悬索桥进入现代发展阶段。 1950年塔科玛桥重建 1964年修建了维拉扎诺海峡桥，主跨1298m，双层公路，上下层各六车道。双面悬索，每面均为双索。钢加劲桁架用刚构式横断面以增加抗扭刚度。当时世界前十二位的长大悬索桥全部都是美国的，形成了索轻、梁劲、塔薄、墩重的美国式风格。 这座吊桥建在被阿肯色河分隔开的1,053尺高的峡谷之上。于1929年在6个

16、月之内由行业生手所造，作为世界最高的悬索桥名噪一时。英式悬索桥 1960年代起步，1964年建成第一座悬索桥福斯桥，随后在英国和土耳其建成塞文（Severn）桥、博斯普鲁斯一桥、二桥和恒比尔（Humber）桥等典型英式悬索桥，形成了英式流派，其主要特征如下： 加劲梁：流线型扁平箱梁 桥塔：焊接钢结构或钢筋混凝土结构 吊索：端销接，斜向布置 索夹：上下两半式，两侧采用高螺栓竖向紧固 1966年英国建造的塞文桥(Severn Bridge)采用了流线型的扁平钢箱梁，被称为现代扁平箱梁悬索桥之父，主跨988m。像机翼一样的断面形状其空气动力稳定性非常好，而且箱梁的扭转刚度也较大，同时塞文桥采用了斜吊

17、杆，以其独特的形态强烈地冲击了桥梁界，形成了悬索桥的英国式风格。 塞文桥梁高3m，高跨比1:324，与塔科马桥的1:350非常接近。但塔科马桥板梁锐利的边缘被流线型代替，抗扭刚度很小的开口截面被抗扭刚度很大的宽箱梁代替。这是一次世界桥梁史上公认的重大进步。 该桥长1560米，宽33米，高165米，六车道。 1973年10月30日正式通车，宛如一根纽带把欧亚两部分连结起来，那天有25万人从欧洲过桥到达亚洲。 “这座由英国人设计的欧亚大桥是一座难忘的结构物。”英国恒比尔桥英国恒比尔大桥（建于1981年）恒比尔大桥的主塔 桥塔采用混凝土框架结构，塔高155.5m；北桥塔基础为实体混凝土，南桥塔基础为

18、混凝土沉井，围堰法施工；塔身采用滑模法施工。The Humber Bridge 从塔顶俯视桥面主跨1410m恒比尔大桥的主跨长度保持了世界纪录16年大桥底部大桥桥面大桥全景日式悬索桥 1970年代以后日本开始兴建悬索桥，这时国际上悬索桥的技术发展已日臻完善，日本结合自己的国情，吸收了世界上的先进技术，融合形成了日式流派： 主缆：一律采用预制束股法（PWS法）架设成缆 加劲梁：沿袭美式桁梁型式，且在下层布置铁路，少数公路桥亦开始采用英式流线型箱梁结构 桥塔：钢结构，主要采用焊接、少数采用栓接 吊索：沿用美式竖向4股骑挂式钢丝绳 鞍座：铸焊混合式 主缆锚固：预应力锚固系统日本南备赞濑户大桥建于19

19、88年日本明石海峡大桥 1998年建成，跨径布置960+1991+960m，三跨双铰简支加劲钢桁梁悬索桥。设计基本风速46m/s。目前世界第一大悬索桥(跨度1991m)Akashi Kaikyo Bridge中跨1991m，20世纪在悬索桥类型中，中跨长度世界第一。The main towers made of steel reached 297 m above the sea level 主塔297m如此重的桥跨全靠主塔支承着。这是主塔施工的情况。主塔基础主塔基础施工的情况移动主塔沉箱就位水下浇注混凝土 矢跨比由设计之初的1/8.5降到1/10，使得钢桥塔降低了约30m，但塔高仍由约283m

20、。由于塔高特别大，在抗风方面的措施是：塔柱截面外形从矩形切去四角形成十字形，每个塔柱还安装了质量为84t和114t的调制阻尼器(TMD)各一个。主塔施工情况两个主塔初见雄姿当年大桥架设主缆的情况安装主钢缆 由于主缆的质量与跨径成平方的关系增长，因此如此大的跨度必然需要更大直径的主缆。在初步设计中曾考虑每侧一对，全桥4根主缆，以避免主缆直径过大。但四主缆体系不仅施工是要有较宽的猫道，还会增大锚碇中的散索室与锚固部分的空间尺寸，以及成倍增长的鞍座、索夹与吊索的数量。 当时新开发的钢丝强度已经从1580MPa提高到1800MPa。考虑到超大跨径悬索桥主缆的钢丝应力中，恒载应力占绝大部分比例，而活载所

21、占比例非常小（仅8%左右），而恒载应力是比较稳定可靠的，所以将安全系数从过去的2.5降低到2.2。因此，最终以提高主缆强度并适当降低安全系数，使传统的每侧一根主缆的方案得以成立。 该桥最初规划为公铁两用桥，主跨为1780m，因此加劲钢桁梁是对双层桥面最适宜的形式。主跨改为1990m，并取消双线铁道后，对加劲肋的结构形式进行了比较研究。 经研究发现，采用类似赛文桥的扁平钢箱梁，在55-61m/s风速时即发生弯扭扭转振动，不能满足日本相应抗风设计标准（加劲肋设计风速60m/s，桥塔67m/s），进而提出了既能满足振动限界风速标准，又有实施可能性的3种方案： 双箱梁方案：中央部分设置过风孔的两箱并列

22、加劲肋形式，如需满足既定振动限界风速，就必须增加用钢量； 桁架箱梁结合梁方案：在桁架外罩以箱梁形式的有孔扁平梁形式，在较低风速下就会发生涡流激振，为抑制该种激振，会产生抗震性降低的问题； 变截面箱梁：在主塔附近采用刚度大的非流线型B截面，在跨中部分采用流线型、空气动力性良好的F截面，研究证明其抗风性能良好。 经过风洞试验对桁架和箱梁形式进行研究比较，抗风设计上以何种方案没有致命弱点为判断标准，两种加劲肋各有利弊。最终采用桁架加劲肋的原因： 箱梁形式为确保其抗风稳定性，就有比桁架形式增大用钢量的倾向； 桁架形式确保抗风稳定性的自由度相对大一些； 桁架形式在架设时的抗风对应措施容易做到； 箱梁形式在架设时占用海面的范围大。90,000 tons of steel was used in constructing the stiffening girders.大桥的加劲钢箱梁用了钢材90000吨。这是架设钢箱梁的情况中国悬索桥 1995年建成中国第一座现代悬索桥汕头海湾大桥，随后进入迅猛发展时期，相继建成了西陵长江大桥、虎门大桥、丰都长江大桥、厦门海沧大桥、江阴长江大桥、重庆鹅公岩长江大桥和宜昌长江公路桥等，另有江苏润扬长江大桥、