大型悬索桥发展动态及关键技术分析

1、大型悬索桥发展动态及关键技术分析【摘要】随着世界经济建设的发展，交通运输在国民经济中的地位和作用日益重要。洲 际之间、海峡两岸和陆岛之间迫切需要修建大跨度，特大跨度或超长跨度桥梁。一些地方为 了避免深水基础施工的困难和高昂的造价，满足超级巨轮通航要求，需要修建1000m以上甚 至2000m以上的超大跨度桥梁。本文针对悬索桥施工及相关的技术进行简单叙述。【关键词】悬索桥施工技术1.悬索桥的发展1.1发展过程悬索桥是以悬索为主要承重结构的桥梁类型，主要由大缆、桥塔、锚碇、加劲梁和吊索 组成。构造简单，受力明确。由于其主要构件大缆承受拉力，材料利用效率最高。因此悬索 桥是目前跨度超过1000m时最优

2、可选桥型之一，并且认为在600m以上的跨度同其它桥型相 比也具有很强竞争力。悬索桥的发展具有几个重要里程碑：弹性理论的建立。挠度理论的建立。桥梁风工程学科的建立。流线型扁平钢箱梁和正交异性钢桥面板的广泛应用。有限元技术的发展，大跨度悬索桥有限位移理论的建立。1.2大跨度悬索桥研究前沿1.2.1大跨度悬索桥抗震研究大跨度悬索桥投资大，且作为交通工程的枢纽，其抗震设计与研究则是重中之重。对于 大跨度悬索桥，其抗震研究的前沿问题主要有：多点激励：大跨度桥梁的各支撑点可能位于显著不同的场地上，导致各支撑处输入 地震波的不同，因此，在地震反应分析中就要考虑多支撑不同激励。行波效应：由于地震波速是有限值，

3、当支座间距离很大时，必须考虑其到达各支座 的时间不同。合理的地震动输入：同一桥梁对不同地震动输入有不同的地震反应，桥梁设计中 究竟取怎样的地震动输入将起决定作用，合理的地震动输入至少应是桥址区的可能地震动， 所以地震动记录以及地区地震危险性分析研究变得相当重要。地基土相互作用：地基与土的相互作用主要体现在两个方面，即地基运动的改变 和结构动力特性的改变。为得到较为符合实际情况的桥梁基频和桥梁控制截面的内力就必须 考虑地基与土的相互作用。桥梁结构的各种减隔震，地震动控制的研究，目前国内外这一领域的研究非常活 跃，各种减隔震装置的应用效果，各种控制算法均得到了广泛的关注。强地震作用下结构的物理和几

4、何非线性分析研究。1.2.2大跨度悬索桥抗风研究1940年秋，美国华盛顿州建成才4个月的塔科马(Tacoma)悬索桥在不到20m / s的8级 大风作用下发生强烈的风致振动一反对称扭转振动，而导致桥面折断和桥梁坍塌，这才开始 了以风致振动为重点的桥梁抗风研究。抗风研究的前沿问题主要有：风振机理研究：颤振发散的微观机制、拉索风雨激振的机制以及能有效抑制风致振 动的气动措施及其机理。风振理论的精细化：通过典型工程的案例研究加以对比和验证，对现行的抖振和涡 振分析理论进行精细化的改进，甚至建立新的理论和方法。概率性评价方法：在世界桥梁设计规范已经向基于可靠度理论方向过渡的形势下， 应尽快改变中国抗风

5、设计规范仍采用基于经验安全系数的确定性方法来进行各类风振安全 检验的局面。CFD技术和数值风洞：随着计算流体动力学理论的进步，数值模拟方法将在抗风设 计中发挥愈来愈大的作用，数值风洞新技术应提到议事日程。桥梁等效风荷载：目前规范中规定的风荷载计算方法仍是近似的，应当通过对实桥 监测或全桥模型试验或者通过数值模拟等途径提高风载荷计算的精度和可靠性。1.2.3大跨度悬索桥健康监测技术在特大跨度桥梁运营阶段桥梁结构本身如何避免突发性损伤和积累性损伤带来的灾害 性后果成为近期工程技术界所广泛研究的内容。良好的检查养护、结构应力、变形等内在状 态的监控调整，不仅可使桥梁结构在其运营期内处于健康状态，而且

6、还可降低维修成本、延 长使用寿命。大跨度桥梁健康监测系统的研究涉及测试、分析和决策等多个学科。其理论核 心为基于振动的损伤识别技术。理论上，这一概念可用于对桥梁结构损伤与老化的诊断，但 距离实用性的系统目标尚有很大的差距。最基本的问题在于以目前的测试水准，仅能较准确 测量结构的低频响应，而低频响应多为结构的整体模态，对整体响应贡献小的局部，即使在 整体模态中有所反映，但由于量值过小，往往也容易淹没在噪声/误差和不确定因素引起的 扰动之中，故除非出现非常精确的测试技术或结构产生严重的损伤才可能对局部损伤进行诊 断。实际上不同类型、部位的结构损伤对结构各阶模态的影响程度有极大的不同。寻找特定 结构

7、形式不同损伤对其动力模态的敏感因素，并尽可能排除噪声对结果判断的影响，有可能 在一定程度上推进此技术的实用化过程。推动健康监测技术在实践中真正的应用，基本实现大型桥梁健康监测，长期/定时，自 动，经济，不妨碍交通的要求，尚有许多问题有待研究。然而此项技术的最终成功应用，其 在结构安全/可靠，延长结构使用寿命和科学探索等方面将产生重大的技术变革。悬索桥施工2.1悬索桥施工的特点悬索桥是由刚度相差较大的构件(主缆、吊索、梁)组成的结构,与其他形式的桥梁相 比,具有显著可挠的特点。在整个施工过程中，悬索桥结构的几何形状变化很大。悬索桥结构几何形状对温度的变化非常敏感。施工阶段中消除误差比较困难。在悬

8、索桥的施工过程中，主缆一旦施工完毕,是无法 调整其长度的，而且吊索的长度也无法像斜拉桥施工中那样通过对斜拉索的重复张拉进行调 整。悬索桥的吊索长度即使可以调整，也只能通过垫片微幅调整。加劲梁段之间的联接是先上翼缘临时铰接、下翼缘张开，等到加劲梁全部吊装完毕， 才将临时铰接变为刚性联接。在吊梁的某些阶段，颤振失稳的临界风速有可能大大低于成桥 状态的临界风速。悬索桥的吊梁与鞍座顶推不是同时进行。在吊梁时，塔顶与鞍座一起发生位移，塔根 承受一定的弯矩。为了不让塔根应力超限,吊梁到一定程度，就要释放塔根的弯矩一次。具体 的做法是用千斤顶调整鞍座与塔顶之间的相对位置，使塔顶回到原来没有水平位移时的状 态

9、。实际施工中，为了减少恶劣气候条件下现场焊接的工作量，总希望能一次安装较长的 节段。如果一次安装的节段长度太长,则有节段最外侧的吊索超载、加劲梁的弯曲应力超限 的危险。2.2部分施工要点2.2.1施工顺序悬索桥施工的总体程序大跨度悬索桥施工的项目很多，施工图纸内容复杂，几乎每一道 工序都有其技术难点和复杂的技术细节。因此，需要对悬索桥的构造、施工程序及各个技术 细节有一个比较系统的了解。悬索桥是由主缆、主塔、加劲梁、吊索等组成的一种柔性悬挂 体系,主缆是这个体系的主要承重结构，其形状直接影响到整个体系的受力分配和变形。主塔 是悬索桥抵抗竖向荷载的主要承重构件，在外荷载的作用下，以轴向受压为主。

10、加劲梁是悬索 桥保证车辆行驶、提供结构刚度的二次结构，主要承受弯曲内力。吊索是将外荷载传到主缆 的传力构件,是联系加劲梁和主缆的纽带，承受轴向拉力。在施工方法上，悬索桥一般正常的 顺序为:基础f主塔f锚碇f主悬索f加劲梁。2.2.2施工的技术要点主塔施工大跨度悬索桥桥塔的高度通常都在100m以上,所以在施工过程中要确保其抗风稳定性。 主塔的施工方法是:钢筋混凝土塔一般采用爬模或高塔吊装；钢结构则多用爬式吊机或高塔 吊吊装。在施工过程中,首先是做好对塔柱垂直度的测量与控制;其次是塔顶鞍座的吊装及初 始和终了位置的调整，方法是吊装使用塔顶吊机，调整鞍座用水平千斤顶。锚碇施工施工程序是:开挖基坑，灌

11、筑基础，在基础上安装锚固钢缆用的锚碇支架、锚杆和后背梁 埋于其内。锚杆的作用是将钢缆的力传给后背梁，故其后端与后背梁连接一起埋入锚块内， 前端露出锚块前端面一定距离,以便与经过扩散鞍座之后散开的钢缆连接。因此，施工时必须 汪意:锚杆应包油毡作隔离层，以防锚杆与锚块固结而将混凝土拉裂；仔细掌握钢缆散股与前端梁的连接细节；正确掌握安装在锚体遮棚内的钢缆扩散鞍座的安装方法及其细节；灌注锚块大体积混凝土时，必须采用降低水化热的措施,以确保混凝土质量。猫道施工架设猫道之前，首先要架1根直径较小的空中导索，利用导索架设运输索及其支承索，再 用运输索架设猫道索、钢缆丝股、吊杆等。但是应注意：猫道必须设置可靠

12、的抗风索体系， 左右猫道之间设横向通道(天桥)，以增强猫道的稳定性和作为施工人员的通道；猫道的线型 应始终与悬索桥钢缆的自由悬挂线型保持一致，为此，猫道索要设置能收紧、放松的装置,以 便在施工过程中调整主钢缆受载后的线型。猫道索两端的锚固设施要事先预埋在塔顶和锚碇 中。架设钢缆现在大多采用预制平行束法(PPWS法)架设钢缆，而不用空中架线法(AS法)，这是因为 PPWS法的功效、质量、精度都高。PPWS法,即平行钢丝束由指定的专业工厂按设计要求制作， 运到工地后接上述工序施工。平行丝股由设在锚碇区的丝股放松机输送利用已架好的牵引 索道把一根根丝股牵引上塔，放入鞍座并与锚杆连接。在架设钢缆的过程

13、中，线型控制是非常 重要和细致的工作，由于其精度要求高，故需设置基准股。一般是将第一股作为基准股，对其 架设精度要求很高，故需利用温差较小的夜间架设，并反复量测、调整其挠度、跨距和拉力， 确保达到设计要求。做法是将丝股固定在一塔鞍上，在另一塔鞍上施力，借以调整主跨的挠度, 然后对边跨丝股进行调整。紧缆及安装吊杆当钢缆各丝股架完并就位之后，应立即用紧缆机将钢缆截面挤压成圆形。一座大跨度的 悬索桥一般需要配4台紧缆机，以便对1条钢缆主跨及边跨对称位置进行紧缆。紧缆一般由 跨中向主塔进行,每米紧1圈，边紧边用木桩敲打结实，并随即用打包机按1m间距捆扎薄钢带 23道，以免钢丝松开。在钢缆全长捆扎压实之

14、后，即可将索夹位置标记在钢缆上。安装索 夹前可将猫道面板悬吊在钢缆上，索夹用高强螺栓将其紧箍在钢缆上，靠索夹与钢缆间的摩 擦力传力，故高强螺栓要分阶段反复施拧，一般要拧34遍。索夹安好后，吊索安装就不难了, 但要注意对吊索进行防护。加劲梁的施工加劲梁施工包括制作和安装。大跨度悬索桥的加劲梁一般都是钢制的，这样才能发挥其 大跨优势。若用预应力混凝土作加劲梁，则其跨度难以扩大。加劲梁在制作方面并无多大困 难，难的是其分段吊装及空中梁拼接技术。分段吊装要注意对称均衡加载和保持梁段对接， 而对于混凝土箱梁，其对接工艺则要复杂得多，除湿接头施工外，还有穿束、张拉、压浆及封 端等工序这几道工序都可能影响钢

15、缆的线型及加劲梁精度。另外，还要注意加劲梁与吊杆的 连接构造、竖向支座与风支座的构造及伸缩装置的安装等。在加劲梁的施工中，加劲梁与吊 杆的连接构造段吊装的顺序与方法都要作出专门设计，要特别注意吊装过程中的抗风措施。 由于吊装过程中钢缆承受的荷载是逐步增加的，所以必须在每次加载后量测钢缆线型的变化 并与设计线型相对照，若出入较大，则应考虑调整吊装顺序。缠缆钢缆受拉后截面收缩，因此,应待恒载大部分加上去之后再缠缆，也就是说，缠缆应在加 劲梁全部吊完之后进行，缠丝之前，需按设计要求在钢缆表面涂覆防护材料，缠丝完毕，在其 表面再涂漆防护。缠丝作业尽量使用缠丝机进行，只在机械无法作业处用人工缠丝，确保丝

16、股 不裸露。现代悬索桥日本明石海峡大桥(如图3-1)，主跨1991米，1998年建成明石海峡大桥，位于 日本本州与四国之间，主跨1991米，全长3910米，为三跨二铰双层加劲桁梁式吊桥，钢桥 283米，高出333米桥宽35.5米，双向六车道，加劲梁14米，抗震强度按1/150的频率， 承受8.5级强烈地震设计。图3-1（2）中国润扬长江公路大桥（图3-2）,主跨1490米，2005年建成润扬大桥西距南京 二桥约60公里，东距江阴大桥约110公里。工程全长35.66公里，由北接线、北汊桥、世 业洲互通高架桥、南汊桥、南接线及延伸段等部分组成。其中南汊主桥采用单孔双铰钢箱梁 悬索桥，主跨径1490

17、米，为目前中国第一、世界第三，桥下最大通航净宽700米、最大通 航净高50米，可通行5万吨级巴拿马货轮。图3-2（3）中国香港青马桥（图3-3），主跨1377米，1997建成。桥塔高131米，在青衣岛 侧采用隧道式锚碇，在马湾岛侧采用重力式锚碇，中部空间可容纳行车道及路轨，大桥上层 桥面中部和下层桥面路轨两侧均设有通气空格，形成流线型带有通气空格的闭合箱型加劲 梁，1997年建成。图3-3悬索桥前景自锚式悬索桥是一种新型的悬索桥，具有良好的发展前景。一般索桥的主要承重构件主缆都锚固在锚碇上，为满足特殊的设计要求，也可将主缆直 接锚固在加劲梁上，从而取消了庞大的锚碇，变成了自锚式悬索桥。自锚式悬索桥有以下的优点：不需要修建大体积的锚碇，所以特别适用于地质条件很差的地区。因受地形限制小，可结合地形灵活布置。对于钢筋混凝土材料的加劲梁，由于需要承受主缆传递的压力，刚度会提高。采用混凝土材料可克服以往自锚式悬索桥用钢量大、建造和后期维护费用高的缺 点，能取得很好的经济效益和社会效益。保留了传统悬索桥的外形，在中小跨径桥梁中是很有竞争力的方案。采用钢筋混