各国大跨径悬索桥建设风格及成桥线形计算方法（图文并茂）

各国大跨跨径悬索索桥建设设风格及及成桥线线形计算算方法2悬索桥跨越能力力最强的的桥型之之一3悬索桥的的起源——起源于中中国，藤藤桥、索索桥等。。跨度500m：1880年至1920年-纽约，布布鲁克林林（Brooklyn，1883，486m）桥，威威廉斯堡堡桥（Williamsboarg，1930，488m）桥，曼曼哈顿（（Manhattan，1909，448m）桥。跨度1000m：1931年-乔治、华华盛顿（（GeorgeWashington，1066m）桥；1937年金门（GoldenGate，1280m）大大桥桥。。1940年-美国国华华盛盛顿顿州州的的塔塔可可马马（（Tacoma，主主跨跨853m）大大桥桥的的风风毁毁引引起起人人们们对对悬索索桥桥抗抗风风的反反思思。。1964年-建成成韦韦拉拉扎扎诺诺（（VerrazanoNarrowsBr.）桥桥（（双双层层，，主主跨跨1298m）的的记记录录一一直直保保持持至至上上世世纪纪80年代代初初。。1966年建成成主主跨跨988m的塞塞文文（（Severn）桥桥。。历史史4布鲁鲁克克林林桥桥（（Brooklyn，1883，486m），，美美国国，，纽纽约约5金门门大大桥桥，，1280m，美美国国，，1937年7新塔塔可可马马（（Tacoma，主主跨跨853m）大大桥桥81981年英国国的的恒恒伯伯尔尔（（Humber）桥（（主跨跨1410m）的建建成，，将保保持记记录17年之久久的韦韦拉扎扎诺桥桥打破破。在亚洲洲，1962年福冈的的若户户桥，，主跨跨367m，至1988年建成的的南备备赞大大桥（（主跨跨1100m）结束束了亚亚州无无千米米跨大大桥历历史，，1998年，明石石海峡峡大桥桥（主主跨1990m）的建建成，，标志志着大大跨悬悬索桥桥修建建重心心转移移到了了亚州州。在中国国，1995年建成了了西陵陵长江江大桥桥（主主跨900m）、1997年建成了了虎门门大桥桥（主主跨888m）。1998年的香港港青马马大桥桥（主主跨1377m）和1999年江阴长长江大大桥（（主跨跨1385m）分别列入入世界大跨跨度桥梁序序列中的第第四位与第第五位。主跨452m的汕头海湾湾大桥采用预应力力混凝土加加劲梁，在在世界同类类桥中跨径径排名第一。历史9构成：主缆、加劲劲梁、主塔塔、鞍座、、锚碇、吊吊索特征：柔性悬吊组组合体系。。成桥时，主主要由主缆缆和主塔承承受结构自自重，加劲劲梁受力由由施工方法法决定。成桥后，结结构共同承承受外荷载载作用，受受力按刚度度分配。构成及特征征10主缆缆：结构体系中中主要承重重构件，是是几何可变变体，主要要承受拉力力作用。主主缆在恒载载作用下具具有很大的的初始张拉拉力，对后后续结构形形状提供强强大的“重力刚度”，这是悬索索桥跨径得得以不断增增大、加劲劲梁高跨比比得以减小小的根本原原因主塔塔：抵抗竖向荷荷载的主要要承重构件件，在恒载载作用下，，以轴向受受压为主；；在活载作作用下，以以压弯为主主，呈梁柱柱构件特征征加劲梁梁：促证车辆行行驶、提供供结构刚度度的二次结结构，主要要承受弯曲曲内力。弯弯曲内力主主要来自结结构二期恒恒载和活载载吊索索：：将加劲梁自自重、外荷荷载传递到到主缆的传传力构件，，是连系加加劲梁和主主缆的纽带带，承受轴轴向拉力锚碇碇：锚固主缆的的结构，它它将主缆中中的拉力传传递给地基基，通常采采用重力式式锚和隧道道式锚构件作用11（1）主缆采用用AS（AirSpinning）法架设。。（2）加劲梁采采用非连续续的钢桁梁梁，适应双双层桥面，，并在桥塔处处设有伸缩缩缝。（3）桥塔采用用铆接或栓栓接钢结构构。（4）吊索采用用竖直的4股骑跨式。。（5）索夹分为为左右两半半，在其上上下采用水水平高强螺栓紧固。。（6）鞍座采用用大型铸钢钢件。（7）桥面板采采用RC构件。美国风格悬悬索桥主要要特点12首次采用钢钢箱梁与斜斜吊索闻名名于世的塞塞文桥的建建成，标志志着又一建建桥强国——英国的掘起起，代表了了欧洲风格格，其主要要特点（1）采用流线线型扁平钢钢箱梁作为为加劲梁。。（2）早期采用用铰接斜吊吊索，经塞塞文桥、博博斯普鲁斯桥以及恒恒伯尔桥的的实践之后后，在博斯斯普鲁斯二桥改回回到垂直吊吊索。（3）索夹分为为上下两半半，在其两两侧采用垂垂直于主缆的高强螺螺栓紧固。。（4）桥塔采用用焊接钢结结构或钢筋筋混凝土结结构。（5）钢桥面板板采用沥青青混合料铺铺装。欧洲风格悬悬索桥主要要特点13作为为后后起起之之秀秀—日本本，，其其悬悬索索桥桥技技术术具具有有随随时时代代进进步步的的特特色色，，主主要要特特点点：：（1）采采用用预预制制平平行行钢钢丝丝索索股股架架设设主主缆缆（（PWS法））。。（2）加加劲劲梁梁主主要要沿沿袭袭美美国国流流派派的的钢钢桁桁梁梁型型式式，，但但近近年来对对非双双层桥桥面的的梁体体已转转向采采用流流线型型扁平钢箱箱梁。。（3）吊索索沿袭袭美国国流派派的竖竖直4股骑跨跨式，，未接接受英国早早期的的斜吊吊索。。（4）桥塔塔采用用钢结结构，，主要要采用用焊接接方式式。（5）鞍座座采用用铸焊焊混合合方式式。（6）采用用钢桥桥面板板沥青青混合合料铺铺装桥桥面。。（7）主缆缆索股股与锚锚碇内内钢构构架采采用预预应力力工艺艺锚固固日本风风格悬悬索桥桥主要要特点点14目前，，国际际上广广泛采采用的的悬索索桥结结构及及工艺艺特点点：（1）主缆缆架设设方法法采用用AS法（英英国、、美国国）和和PWS法（日日本、、中国国）。。（2）加劲劲梁采采用流流线型型扁平平钢箱箱梁型型式。。（3）吊索索为竖竖直形形式。。（4）锚固固方法法偏向向采用用铸焊焊混合合结构构与预预应力力锚固工艺。。广泛采用用的悬索索桥结构构及工艺艺特点15（1）跨径越越来越大大，从几十米发展到近近2000m；（2）加劲梁梁高跨比比越来越越小，从从1/40下降到1/300；（3）主缆等等主要承承重构件件的安全全系数取取值越来来越低，，从4.0下降到2.0。现代悬索索桥的发发展中国悬索索桥历史史与发展展16中国悬索索桥的历历史与发发展中国吊桥桥（索桥桥）历史史悠久，，但多为为人行桥桥，跨径径小，适适应性较较差。现代悬索索桥虽然然源于古古代吊桥桥，但现现代悬索索桥的规规模、材材料、技技术含量量已和古古代吊桥桥不可同同日而语语，它集集中了当当代建筑筑学最尖尖端的理理论、工工艺、材材料，以以无与伦伦比的跨跨径雄霸霸桥林，，即便是是桥林新新秀斜拉拉桥在跨跨径上也也无力与与其争锋锋。1995年，中国国第一座座现代大大跨径悬悬索桥广广东省汕汕头海湾湾大桥建建成，它它以452米的跨径径吹响了了中国大大跨径悬悬索桥建建设的号号角。1996年，西陵陵长江大大桥就将将这一纪纪录提高高到900米。1997年，又建建成了跨跨径888米的虎门门大桥。。同年，，香港青青马大桥桥又实现现了新的的跨越，，以1377米的跨径雄雄居中国桥桥梁跨径之之首。1999年江阴长江江大桥又以以1385米的跨径傲傲视桥林。。中国悬索索桥4年实现3次飞跃，每每次飞跃都都是450米的惊人数数字，这在在世界桥梁梁史上也绝绝无仅有。。中国悬索桥桥的历史与与发展2009年，舟山连连岛工程中中的西侯门门大桥以1650米跨径排中中国第一，，世界第二二。中国悬索桥桥的历史与与发展悬索桥安澜桥，中中国四川成成都，中国国现存最早早的悬索桥桥悬索桥藤桥，西藏藏林芝悬索桥汕头海湾桥桥（1995年），中国国汕头，425米，中国第第一座现代代化悬索桥桥悬索桥西陵长江大大桥（1996年），中国国湖北，900米，悬索桥桥悬索桥青马大桥（（1998年），中国国香港，1377米，悬索桥桥吊桥国内一些经经典异形桥桥梁洞口淘金桥桥（1989年），跨径径70米，中国湖湖南，自锚锚上承式悬悬带桥世界十大悬悬索桥序号桥名主跨(米)国家竣工时间1日本明石海峡大桥(AkashiKaikyoBridge)1991日本19982舟山西堠门大桥1650中国20093丹麦大贝尔特桥（大带桥）（GreatBeltBridge）1624丹麦19964润扬长江公路大桥1490中国20055英国亨伯桥（HumberBridge）1410英国19816江阴长江公路大桥1385中国19997香港青马大桥1377中国19978维拉扎诺桥（VerrazanoNarrowsBridge）1298美国19649旧金山金门大桥（GoldenGateBridge）1280美国193710武汉阳逻公路长江大桥1280中国2007国外著名桥桥梁明石海峡大大桥（1998年），跨径径1991米，日本，，悬索桥舟山山西西堠堠门门大大桥桥，，1650m，中中国国浙浙江江舟舟山山大贝贝尔尔特特桥桥，，1624m，丹丹麦麦，，1996年润扬扬长长江江大大桥桥，，1490m，中中国国，，2005年亨伯伯尔尔桥桥，，1410m，英英国国，，1981年金门门大大桥桥，，1280m，美美国国，，1937年国外外著著名名桥桥梁梁伦敦敦塔塔桥桥国外外著著名名桥桥梁梁394041柔性性悬悬吊吊组组合合体体系系，，施施工工过过程程几几何何非非线线性性突突出出；；成桥桥时时主主要要由由主主缆缆和和主主塔塔承承受受结结构构自自重重，，结结构构受受力力按按刚刚度度分分配配；；主缆缆在在恒恒载载作作用用下下具具有有很很大大的的初初始始张张拉拉力力，，对对后后续续结结构构形形状状提提供供强强大大的的““重重力力刚刚度度””；；主塔塔是是压压弯弯构构件件，，抗抗推推刚刚度度较较小小，，塔塔顶顶位位移移主主要要由由中中、、边边主主缆缆平平衡衡条条件件确确定定；；加劲劲梁梁是是受受弯弯构构件件，，弯弯曲曲内内力力来来自自二二期期恒恒载载和和活活载载，，随随着着跨跨径径的的增增大大，，其其功功能能退退化化为为将将活活载载传传递递至至主主缆缆，，其其抗抗弯弯刚刚度度对对结结构构刚刚度度影影响响逐逐渐渐减减小小。。悬索索桥桥的的受受力力特特征征42吊索索是是重重要要的的传传力力构构件件，，其其内内力力决决定定主主缆缆线线形形，，也也决决定定主主梁梁恒恒载载弯弯矩矩；；锚碇碇锚锚固固主主缆缆，，传传递递主主缆缆力力至至基基础础，，分分重重力力式式锚锚碇碇和和隧隧道道式式锚锚碇碇；；悬索桥成成桥状态态确定极极其重要要。悬索桥的的受力特特征43弹性理论论(19世纪末20世纪初)挠度理论论(20世纪初~20世纪80年代)有限位移理论论及非线性理理论(20世纪80年代以来)悬索桥计算理理论的发展44基本假定主缆只受拉，，不承受弯矩矩，恒载下主主缆几何线形形为二次抛物物线，恒载完完全由主缆承承担。活载下下主缆的几何何形状及长度度假定保持不不变。梁的抗弯刚度度EI沿梁长不变。。吊索的“膜效效应”。弹性理论45按上述假定，，悬索就是缆缆和加劲梁的的简单组合体体系。具有线线弹性性质，，叠加原理对对它适用。在进行设计时时，可以为其其沿梁各点绘绘制弯矩和剪剪力的影响线线；而后让活活载布置在最最不利位置，，进行梁的弯弯矩和剪力值值计算，并按按这些值对梁梁进行验算。。在这种情况况，加劲梁是是承重结构体体系的重要组组成部分，而而结构在活载载下的挠度则则是同加劲梁梁抗弯刚度EI密切相关的。。当悬索桥的跨跨度不大,而且加劲梁的的高度取为跨跨度的1/40左右不感到为为难时，采用用弹性理论分分析是适宜的的。弹性理论46在弹性理论下下，可求得加加劲梁任意截截面的弯矩为为：弹性理论式中:Mp一一外荷载绕绕O点的力矩;Hp一一活载作用用下主缆张力力的水平分力力;y一一加劲梁任任意截面的竖竖向坐标。适用范围在跨度小于200m的悬索桥设计计中,当加劲梁高度度取为跨径的的l/40左右时,采用弹性理论论是合适的。。对于跨度大于于300m以上的悬索桥桥,采用弹性理论论计算,所得结果比用用挠度理论计计算偏大20%一50%,加劲梁将相当当笨重,从而造成材料料的严重浪费费,当跨度增大到到一定程度时时,弹性理论的计计算结果将严严重偏离实际际,达到不能接受受的程度。弹性理论挠度理论与弹弹性理论的根根本区别在于于：挠度理论在其其活载效应的的计算中考虑虑了主缆在活活载作用下的的挠度，而弹弹性理论则是是假定主缆由由恒载所决定定的形状，在在活载作用下下没有任何改改变。挠度理论基本假定恒载沿桥梁的的纵向是均匀匀分布的；在恒载作用下下，在无活载载状态下，主主缆线形为抛抛物线，加劲劲梁内无应力力；吊索是竖向的的，且是密布布的，在活载载作用下，只只考虑吊索有有拉力，而不不考虑吊索的的拉伸和倾斜斜；在每每一一跨跨内内加加劲劲梁梁为为等等直直截截面面梁梁，，即即截截面面惯惯性性矩矩在在一一跨跨内内为为常常量量；；主缆缆及及加加劲劲梁梁都都只只有有竖竖向向位位移移，，不不考考虑虑其其在在纵纵向向的的位位移移。。挠度度理理论论挠度度理理论论下下加加劲劲梁梁任任意意截截面面的的活活载载弯弯矩矩M如下下：：挠度度理理论论与弹弹性性理理论论相相比比，，挠挠度度理理论论多多出出了了最最后后一一项项(Hp+Hg)v，这这就就是是挠挠度度理理论论与与弹弹性性理理论论的的差差别别，，即即主主缆缆恒恒载载要要抵抵抗抗活活载载的的变变形形，，活活载载引引起起的的主主缆缆张张力力对对抵抵抗抗变变形形也也有有贡贡献献。。将将其其加加劲劲梁梁写写成成微微分分方方程程形形式式加加下下:挠度度理理论论这就就是是悬悬索索桥桥挠挠度度理理论论的的平平衡衡方方程程。。近似似方方法法等代梁梁法线性挠挠度理理论重力刚刚度法法挠度理理论挠度理理论在大跨跨度悬悬索桥桥的发发展过过程中中起到到了重重要的的作用用，但但它是是一种种解析析方法法，由由于微微分方方程的的求解解困难难而不不得不不加以以近似似处理理，忽忽略某某些影影响因因素，，例如如:(l)吊杆的的倾斜斜、伸伸长；；(2)缆索节节点的的水平平位移移；(3)加劲梁梁的水水平位位移及及剪切切变形形等，，这些些因素素的忽忽略会会使跨跨度较较大的的悬索索桥分分析结结果受受到显显著的的影响响。在在这些些方面面，Timoshenko进行过过有意意义的的讨论论。尽尽管后后来有有不断断修正正的挠挠度理理论，，对吊吊杆伸伸长及及主缆缆倾斜斜进行行了考考虑，，但公公式推推导繁繁杂，，应用用很不不方便便。因因此其其影响响远不不如挠挠度理理论。。挠度理理论有限位位移理理论是是相对对于微微小位位移理理论而而言的的，在在微小小位移移理论论中，，认为为外力力产生生的变变形不不影响响力的的平衡衡，而而有限限位移移理论论中，，荷载载的平平衡状状态是是以变变形后后的结结构状状态为为基础础的。。有限位位移理理论将将吊杆杆离散散化，，可以以适应应结构构细节节上的的任何何变化化，而而且其其可以以较全全面地地考虑虑几何何非线线性的的因素素:荷载作作用下下的结结构大大位移移；缆缆索自自重垂垂度的的影响响；恒恒载初初始内内力对对刚度度的影影响。。因而而能够够对所所分析析的对对象采采取更更符合合实际际的计计算模模型，，与挠挠度理理论相相比其其计算算结果果更为为精确确。有限位位移理理论大变形形问题题的考考虑——T.L列式和和U.L列式。。总体拉拉格朗朗日法法（T.L列式）在整个分分析过程程中,单元的应应变、位位移、单单元间节节点力的的方向均均以t=0时(变形前)的构形作作为参考考,且参考位位形保持持不变,由此建立立的有限限元列式式即为总总体拉格格朗日列列式(T.L列式)。由于参考位位形不随时间间和结构的变变形而变化,因此对同一单单元,局部坐标向整整体坐标变换换时其变换关关系是不会随随结构的变形形而变的。有限位移理论论按上述概念,利用虚位移原原理即可建立立基于T.L列式的平衡方方程：有限位移理论论其中：[K0]------弹性刚度矩阵阵，与节点位位移无关；[KL]------初始位移刚度度矩阵或大位位移刚度矩阵阵，是由大位位移引起的结结构刚度矩阵阵变化，是位位移的函数;[Kσ]------初应力刚度矩矩阵，表示初初应力对结构构刚度的影响响，当应力为为压应力时，，切线刚度减减小，否则增增加。修正的总体拉拉格朗日法（（U.L列式）在建立t+Δt时刻物体平衡衡方程时,如果我们选择择的参照构形形不是t=0时的形,而是最后一个个已知平衡状状态,即以本增量步步起始时的t时刻构形为参参照构形,这种列式称为为修正的拉格格朗日列式(U.L列式),在该列式中,参考位形随时时间和结构的的变形而变化化,因此此对对同同一一单单元元,局部部坐坐标标向向整整体体坐坐标标变变换换时时其其变变换换关关系系随随结结构构的的变变形形而而变变化化。。采采用用U.L列式式,平衡衡方方程程(2一9)中的的积积分分需需在在t时刻刻单单元元体体积积内内进进行行,且单单元元刚刚度度矩矩阵阵中中大大位位移移刚刚度度矩矩阵阵[KL]积分分式式是是[K0]的一一阶阶或或二二阶阶小小量量,可以以略略去去,则增增量量形形式式的的U.L列式式结结构构平平衡衡方方程程可可写写为为：有限限位位移移理理论论有限限位位移移理理论论------以变变形形后后结结构构为为参参考考的的结结构构弹弹性性刚刚度度矩矩阵阵----以变变形形后后结结构构为为参参考考的的结结构构初初应应力力刚刚度度矩矩阵阵有限限位位移移理理论论T.L列式式和和U.L列式式的的区区别别：：除在在大大位位移移刚刚度度矩矩阵阵[KL]上有有区区别别外外，，在在刚刚度度的的形形成成及及适适用用情情况况上上亦亦有有异异同同之之处处，，具具体体如如下下：：①刚度积积分域域不同同。T.L列式是是在初初始构构形的的体积积域内内进行行，而而U.L是在变变形后后的体体积域域内进进行；；②转换矩矩阵不不同。T.L列式在在集成成总刚刚时，，始终终采用用初始始结构构的总总体坐坐标中中的单单元结结构方方向余余弦形形成转转换矩矩阵；；而U.L是用变变形后后的方方向余余弦形形成，，计算算过程程中不不断改改变；；③关于计算精度。T.L列式中保留了了刚度矩阵中中的所有线性性和非线性项项，而U.L列式中忽略了了高阶非线性性项。但是，U.L列式中由于忽忽略了大位移移刚度矩阵，，其在结构的的大应变分析析、弹塑性徐徐变分析等却却优于T.L列式，更容易易用在考虑几几何、材料双双重非线性影影响的大型混混凝土桥梁结结构分析中。悬索桥的非线线性影响因素素荷载作用下的的结构大位移移缆索自重垂度度的影响恒载初始内力力对主缆刚度度的影响有限位移理论论抛物线法基本假定索是理想柔性性的,既不能受压,也不能受弯；；索的材料符合合虎克定律,应力与应变符符合线性关系系;主缆的截面面面积和自重集集度在外荷载载作用下的变变化量十分微微小,可忽略不计;在悬索桥的成成桥状态,因为主缆荷载载集度同加劲劲梁相比很小小,所以将其荷载载分布近似看看作为沿跨度度方向的均布布荷载。悬索桥成桥线线形计算方法法悬索桥成桥线线形计算方法法单索平衡方程程假定q(x)延跨长均匀分分布q，则则两次次积积分分并并考考虑虑边边界界条条件件，，得得因此此,当假假定定主主缆缆所所受受荷荷载载为为沿沿跨跨度度方方向向均均布布时时,主缆缆线线形形为为二二次次抛抛物物线线。。悬索索桥桥成成桥桥线线形形计计算算方方法法主缆缆水水平平拉拉力力带入入线线形形公公式式，，得得上式式记记为为传传统统抛抛物物线线理理论论的的主主缆缆曲曲线线方方程程。。悬索桥桥成桥桥线形形计算算方法法无应力力长度度计算算a.成桥状状态下下的悬悬索长长度悬索桥桥成桥桥线形形计算算方法法b.主缆的的弹性性伸长长在悬索索桥AB中取一一微分分单元元ds,有悬索桥桥成桥桥线形形计算算方法法c.无应力力索长长的计计算上式是是常用用的抛抛物线线索长长近似似公式式。主主缆线线形计计算的的传统统抛物物线法法有许许多假假定，，是一一种近近似方方法。。在跨跨度不不大的的情况况下，，用传传统抛抛物线线法确确定悬悬索桥桥恒载载下主主缆的的几何何形状状和内内力，，是一一种简简单实实用的的方法法。分段悬悬链线线法对于大大跨度度悬索索桥来