桥梁工程课件讲义二

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(ConwyCastleBridge)是最早的现代悬索桥之一，由ThomasTelford设计。该桥跨径只有99.7m，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(MenaiStraitsBridge)，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BrooklynBridge，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冲桥美国是修昂建悬索桥蛮的先驱，剂起步较早铅。188青3年建成布续鲁克林（Broo尚kly）桥，中垮跨486再m。1903年建成威翅廉斯堡（Wil洋lia韵msb仁urg）桥，厉中跨487.赚5m。1909年建成很曼哈顿坝（Man阳hat戴tan）桥，中净跨450m。1930年代就浮已成为染建设悬阵索桥的油高峰期财，建成梨了两座教跨度超拳过100嘴0m的大桥——乔治·华盛顿桥融（Geor堵geW桐ashi俘ngto拍n）和金门棵大桥（Gold罚enG权ate）。194载0年因塔科符马（Tac招oma）大桥颈风毁，铁悬索桥课建设而装一度受井挫，转训而进行谣风洞试说验研究飘。1964年，悬索习桥技术又劲开始复兴锐，美国又哄建成了维蹦拉扎诺海扇峡桥（Varr英azan隙oNar碰rows）。此外，美也国也为其虾他国家设招计修建了作多座悬索武桥，如葡愿萄牙的4月25日桥、巴委内瑞炉拉的Augo剥stur渡a桥等。这些桥具惯有如下一叙些共同特扇点，构成虾美式流派排：主缆：空筐中编缆法挡（AS法）架设阅成缆加劲梁最：钢桁姑梁适应退双层桥萌面，并狐在塔处越设吊拉担支承及右伸缩缝桥塔：铆酬接或栓接献钢结构吊索：浴竖直4股骑挂式挑钢丝绳索夹：左拴右两半式展，上下采女用高强螺知栓水平向敏紧固鞍座：大呢型铸钢结勿构、辊轴照滑移支承桥面：每钢筋混甚凝土板1883辜年建成的骂布鲁克林计桥虽经百耻年沧桑仍郑在使用，回它既是钢自桥历史纪搬念的里程顽碑，也是昨纽约的象灾征，由于家时代技术尿的制约墩狐实厚重的进石塔沿袭屈了古典样疮式。罗布俩林父子设司计建造。黄主缆镀锌喜、AS法创编缆、气度压沉箱。布鲁克乘林桥的篇创新：首次采用高平行钢丝末索制作主厚缆，与链况式体系相拿比，外荷束载分散到斜每根钢丝述上，克服咽了眼杆应冠力集中的绞缺点；发明了坐AS法震主缆施煌工；随着主缆灾形式的改椅变，发明私了塔顶鞍故座、散索饮鞍等构件意；是当时兰跨度最完大是悬堡索桥。188极3年悬跌索桥进未入发展帖时期。铁近代悬泡索桥的苏发展得愈益于两庭大成就浆：一是贞布鲁克你林桥的吊建造，垄在主缆厌材料（糠平行钢存丝）和牲施工方诸法（空军中纺线科）上做封出了贡走献，并示完善了鱼近、现浅代悬索偏桥的体斩系和构咽造；二圾是挠度太理论的概出现，超使悬索并桥向轻土型化发汪展，跨占径有了蝇质的飞控跃。弹性理卡论没有考虑壤初应力的暑刚度贡献惕，并将平早衡建立在夸变形前的厕位置。根议据弹性理诞论计算出剃的加劲梁朱需要很大裁的刚度，今因而这一浸时期的悬默索桥有很川深的加劲猴梁和笨拙塞的桥塔，挺大大限制船了悬索桥横的跨径。源1888摔年，美国哭工程师约答瑟夫.米酷兰提出了挠度理电论，悬索仰桥跨径坏才有了乌发展。挠度理论届：恒载下苏，主缆浊重力刚大度较加柱劲梁抗貌弯刚度永大得多值，结构目受力在境内部构槽件间按点刚度分柿配，主户缆承受权大部分岩恒载。主缆重力跑刚度：桥梁结挂构刚度嘉由活载括作用下野的挠度爱来衡量风。原本欢柔性的痰主缆承春受巨大拿的自重菠，恒载窗轴力产荷生的初锤应力刚咽度，能无抵抗较业小的活次载产生端的变形洒。在活按载作用偿下，索小要达到漆新的平击衡位置慕和索力肝状态，烂恒载索竿力越大载，活载型索力和黎变形增甜量越小懒。因此殊，悬索绒桥的刚才度由初娘始悬索听拉力及劣形状决爱定，称誓为重力刚歇度。190默9年，谜莫西夫悉最早应般用挠度洋理论设恒计了曼令哈顿大句桥(M支anh商att恼an厚Bri俩dge剧)。主垮跨44宋8.1嫩m，总推长20性89m妥，主梁亲为双层垂钢桁梁饲，结构驶体系为撤三跨两马铰式。食曼哈顿销大桥改造变了传补统悬索胸桥笨重追的形象剩，用全苹钢桥塔扮代替圬蹲工桥塔笛，第一结次采用欣华伦式杰桁梁（绒三角形炊腹杆系千）作为践加劲梁番，第一秒次采用也骑跨式亏吊索。班整座大盆桥纤细质、美观害。1931抗年，安曼蚀设计了乔迷治.华盛凶顿桥(G命eorg筐eWa轨shin墓gton慰Bri签dge)屡，主跨1等067m肉，标志着皇悬索桥进挣入千米级提。在该桥型的设计中她，安曼认田识到：大滚跨悬索桥循在活载下笑的刚度，刚加劲梁的踪蝶贡献是有扣限的，因朵此，加劲蝇梁的高度笋不必随跨舞径增大而但增大。美国旧处金山金糟门大桥（Go距lde挣nG岛ate积Br论idg颤e）该桥建于等1937钩年（约翰封.施特劳管斯）。大社桥颜色为踏桔红色，宫主跨为1敬280m皮。“她造惹型优美，撇比例协调述，是桥梁爪工程的一押颗明珠，滚以至于本根世纪的设绩计师们已从无法超越柱了。”云海中的阴金门大桥大桥有6贪车道。主塔塔高净227m当年主塔夹施工情况大桥工植人当年加架设主皂缆的情榜况两根主顿缆直径期为90甜cm当年架跑设主缆始施工情史况由于挠施度理论来的应用鬼，18寨85年圣到19宾45年哥期间的娘悬索桥哪主梁向穿纤细化梁发展，敏钢桥塔狐代替了凉圬工桥哄塔，加党劲梁由播深桁梁董变为浅仪桁梁。但挠度毅理论的或极端应帽用和对孩加劲梁灰作用的背忽视导简致了巨豪大的灾如难。1连941杠年莫西适夫设计浊的塔科段玛桥（掏Tac森oma推Na毁rro暂ws）盛在一场堪68k狡m/h晴的持久蒙风速下爽振毁，搂仅通车近三个月央。塔科玛卡桥主跨点长85赶3m，识加劲梁圾为钢板梅梁，高玻跨比只牧有1:际350盐，宽跨东比1:莲72，明几乎比味金门大蜜桥(宽改跨比1遮:47勇）和华迹盛顿大锁桥(宽课跨比1阔:33即)小一让倍。塔科玛砍桥风毁姥事故与宁卡门涡费街冯·卡门贱（The处odor子e

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Ká抹rmán棚188泊1-19灯63）是刑美藉匈牙项利力学家骂，近代力尿学的奠基假人之一，封是我国著团名科学家上钱学森、碧钱伟长、聪郭永怀在惯美国加州详理工学院请时的导师利。卡门涡波街是流触体力学杆中重要型的现象粉。在自繁然界中逢常可遇垫到，在觉一定条混件下的丛定常来改流绕过悲某些物支体时，象物体两锣侧会周贝期性地上脱落出婆旋转方帮向相反怕、排列以规则的蜘双列线偿涡，经盛过非线槽性作用步后，形伤成卡门茧涡街。聋如水流症过桥墩裂，风吹婶过高塔逝、烟囱献、电线饥等都会幸形成卡陵门涡街旺。出现多涡街时错，流体酱对物体焦会产生警一个周挺期性的悔交变横般向作用馋力。如赏果力的千频率与有物体的晴固有频钞率相接寨近，就爽会引起齿共振，遵甚至使狡物体损鹿坏。塔科玛桥蹲花费64吸0万美元虫，建成4俱个月后，位碰到了一从场风速为成68km蜡/h的风榜。虽风不梁算大，但戏桥却发生鞭了剧烈的喷扭曲振动袭，且振幅狗越来越大终（接近9梅米），直卷到桥面倾令斜到45获度左右，县使吊杆逐怀根拉断导仗致桥面钢陈梁折断而到塌毁，坠睁落到峡谷俯之中。人此们在调查府这一事故扑收集历史丸资料时，祥惊异地发累现：从1垄818年吗到19世琴纪末，由时风引起的骄桥梁振动粥己至少毁鞭坏了11匆座悬索桥博。第二次鸭世界大缘瑞战结束佳后，人亩们对塔厅科玛桥丸的风毁糕事故的包原因进狡行了研梅究。一局部份航难空工程略师认为碰塔科玛怠桥的振挡动类似咽于机翼苦的颤振乖；而以砍冯·卡居门为代驶表的流蹄体力学岔家认为毫，塔科沃玛桥的永主梁有酸着钝头雁的H型谢断面，近和流线染型的机贫翼不同杠，存在辰着明显烧的涡旋尤脱落，怨应该用羽涡激共反振机理孩来解释小。冯·叠卡门1扑954僵年在《鉴空气动标力学的哲发展》屿一书中踪蝶写道：智塔科玛稻海峽大奸桥的毁高坏，是储由周期众性旋涡跪的共振立引起的客。设计率的人想滚建造一予个较便驳宜的结袖构，采细用了平替板来代究替桁架蚁作为边脑墙。不嫌幸，这性些平板毅引起了朽涡旋的垃发放，撇使桥身定开始扭闻转振动嫁。这一妖大桥的蒙破坏现粪象，是染振动与插涡旋发粪放发生中共振而阻引起的松。20世纪斑60年代或，经过计旷算和实验撕，证明了拒冯·卡门陕的分析是苍正确的。轮塔科玛桥陈的风毁事堤故，是一偷定流速的拆流体流经订边墙时，训产生了卡拴门涡街；愁卡门涡街信后涡的交嚷替发放，挺会在物体支上产生垂肌直于流动魂方向的交蛛变侧向力迹，迫使桥粥梁产生振励动，当发煮放频率与睁桥梁结构在的固有频认率相耦合判时，就会叼发生共振羊，造成破检坏。塔科玛恩桥事故偿引起了礼工程师岂们对悬诱索桥加赏劲梁抗妨扭刚度挤的重视睡，并使驱人们开晚始关注阳大跨度卫桥梁的鹅空气动线力稳定川性。但翅也使悬堵索桥的挺发展停歇滞了近穴10年崇。195纤0年塔店科玛桥腰重建，盈悬索桥剑进入现隶代发展俭阶段。1950鸟年塔科玛湿桥重建196贿4年修惧建了维辆拉扎诺损海峡桥符，主跨掘129邪8m，肺双层公贺路，上油下层各照六车道牧。双面归悬索，摄每面均誉为双索来。钢加仔劲桁架辈用刚构假式横断柜面以增摆加抗扭乘刚度。垫当时世沸界前十享二位的骑长大悬刻索桥全贷部都是绕美国的格，形成曾了索轻融、梁劲洒、塔薄岭、墩重潜的美国篇式风格伴。这座吊桥舍建在被阿筋肯色河分醒隔开的1涨,053薯尺高的峡昼谷之上。姑于192塘9年在6兔个月之内国由行业生鸣手所造，费作为世界飞最高的悬胸索桥名噪事一时。英式悬程索桥196润0年代莫起步，瓜196着4年建瓜成第一洞座悬索翠桥－－体福斯桥谊，随后兆在英国层和土耳次其建成莲塞文（具Sev奶ern分）桥、贺博斯普咐鲁斯一多桥、二挡桥和恒逐比尔（读Hum嚼ber寄）桥等摊典型英驼式悬索瘦桥，形姥成了英暑式流派孝，其主直要特征橡如下：加劲梁别：流线钢型扁平演箱梁桥塔：焊塌接钢结构鱼或钢筋混申凝土结构吊索：弹端销接乏，斜向碧布置索夹：挖上下两秘半式，疮两侧采卖用高螺暴栓竖向档紧固1966嗓年英国建巷造的塞文悄桥(Se辜vern冠Bri宫dge)汁采用了流闻线型的扁烧平钢箱梁犁，被称为肢现代扁平料箱梁悬索伪桥之父，侄主跨98工8m。像鱼机翼一样闪的断面形糕状其空气驶动力稳定撕性非常好饼，而且箱把梁的扭转匀刚度也较你大，同时艺塞文桥采这用了斜吊育杆，以其驶独特的形荡态强烈地读冲击了桥虎梁界，形崖成了悬索统桥的英国释式风格。塞文桥跨梁高3钟m，高桌跨比1新:32锁4，与旁塔科马财桥的1腹:35否0非常步接近。娃但塔科傍马桥板建梁锐利痒的边缘纺被流线河型代替考，抗扭买刚度很网小的开若口截面母被抗扭毯刚度很饥大的宽奔箱梁代介替。这识是一次遭世界桥疯梁史上湿公认的迹重大进肤步。该桥长木156授0米，扇宽33筐米，高养165该米，六椅车道。岂19际73年仍10月鬼30日榴正式通汉车，宛首如一根栋纽带把阁欧亚两群部分连庭结起来番，那天阿有25只万人从中欧洲过泄桥到达莫亚洲。榆“这唇座由英辫国人设蜻计的欧颜亚大桥沙是一座得难忘的尸结构物屡。”英国恒比尔桥英国恒比俗尔大桥（建于1合981年付）恒比尔甲大桥的闹主塔桥塔采柳用混凝膜土框架崖结构，陡塔高1蒜55.港5m；众北桥塔喂基础为萄实体混甩凝土，术南桥塔普基础为亮混凝土父沉井，糠围堰法柔施工；融塔身采舟用滑模默法施工跌。The乱Humb啄erB碧ridg塑e从塔顶贪俯视桥蒙面主跨14裤10m恒比尔号大桥的必主跨长委度保持序了世界位纪录1脾6年大桥底午部大桥桥面大桥全景日式悬索莫桥1970年代以后气日本开始术兴建悬索膀桥，这时喘国际上悬求索桥的技怜术发展已美日臻完善聚，日本结勒合自己的捞国情，吸殃收了世界句上的先进浆技术，融黎合形成了熔日式流派裂：主缆：徒一律采萝用预制窃束股法恭（PWS法）架设折成缆加劲梁置：沿袭计美式桁剥梁型式豆，且在伟下层布已置铁路依，少数线公路桥侍亦开始烘采用英倾式流线虽型箱梁粉结构桥塔：眉钢结构舌，主要贼采用焊轻接、少纯数采用顿栓接吊索：沿铲用美式竖爹向4股骑挂式篮钢丝绳鞍座：末铸焊混肿合式主缆锚绒固：预发应力锚企固系统日本南备赞濑户大桥建于1988年日本明引石海峡胸大桥199绿8年建成赌，跨径兼布置9离60+珍199德1+9凳60m级，三跨适双铰简秤支加劲骡钢桁梁专悬索桥形。设计高基本风昆速46挖m/s谱。目前世界寻第一大悬哈索桥(跨度1护991宁m)Akas康hiK遥aiky聋oBr响idge中跨1摔991河m，2曲0世纪育在悬索浮桥类型鞋中，中配跨长度吓世界第伙一。The幅ma脖in翼tow困ers狱ma调de似of谈ste维el毙rea壶che申d2漏97尼ma构bov症et诸he竹sea幻玉le佛vel主塔2厅97m如此重海的桥跨押全靠主该塔支承铅着。这馅是主塔枕施工的爽情况。主塔基础主塔基础淡施工的情容况移动主塔亚沉箱就位水下浇杀注混凝异土矢跨比美由设计伟之初的劫1/8减.5降迫到1/请10，政使得钢京桥塔降锤低了约写30m娃，但塔沃高仍由移约28蜜3m。怖由于塔钞高特别拿大，在切抗风方妻面的措阴施是：逆塔柱截汇面外形疼从矩形湾切去四瞒角形成神十字形族，每个怪塔柱还壳安装了蹈质量为偿84t撞和11棋4t的惧调制阻庆尼器(次TMD横)各一运个。主塔施工麦情况两个主塔艰初见雄姿当年大焰桥架设春主缆的揪情况安装主撇钢缆由于主公缆的质缸量与跨矛径成平端方的关战系增长青，因此辛如此大扩的跨度统必然需斥要更大零直径的仿主缆。恼在初步家设计中属曾考虑碍每侧一浮对，全巾桥4根思主缆，座以避免宁主缆直俩径过大耳。但四连主缆体赢系不仅躬施工是沸要有较饭宽的猫位道，还度会增大蓄锚碇中挽的散索玩室与锚者固部分概的空间甩尺寸，珍以及成园倍增长湾的鞍座城、索夹脏与吊索愁的数量巾。当时新开徒发的钢丝艺强度已经稿从158烟0MPa释提高到1肝800M荒Pa。考栽虑到超大满跨径悬索右桥主缆的哀钢丝应力组中，恒载皆应力占绝割大部分比录例，而活劝载所占比扛例非常小谎（仅8%占左右），腥而恒载应搞力是比较采稳定可靠闪的，所以药将安全系薪数从过去块的2.5贪降低到2恒.2。因哗此，最终乡丰以提高主鉴缆强度并皮适当降低衣安全系数侵，使传统采的每侧一尽根主缆的逆方案得以殊成立。该桥最此初规划犹为公铁开两用桥蔽，主跨救为17移80m索，因此忽加劲钢谣桁梁是骨对双层展桥面最耻适宜的脊形式。全主跨改瓦为19偿90m四，并取妻消双线渠铁道后蛇，对加局劲肋的株结构形胞式进行芒了比较洲研究。经研究发敏现，采用逗类似赛文樱桥的扁平浊钢箱梁，侧在55-具61m/仰s风速时油即发生弯复扭扭转振嫂动，不能且满足日本形相应抗风贵设计标准样（加劲肋戴设计风速福60m/玩s，桥塔喜67m/莲s），进视而提出了颠既能满足躁振动限界洽风速标准昏，又有实叔施可能性岁的3种方泻案：双箱梁方呀案：中央扁部分设置程过风孔的忆两箱并列摊加劲肋形范式，如需丈满足既定鉴振动限界答风速，就脉必须增加辈用钢量；桁架箱梁浴结合梁方应案：在桁崇架外罩以眠箱梁形式夏的有孔扁虎平梁形式泥，在较低些风速下就胡会发生涡衣流激振，罢为抑制该唇种激振，拒会产生抗你震性降低刺的问题；变截面箱强梁：在主赚塔附近采双用刚度大帝的非流线猾型B截面，垂在跨中烫部分采旅用流线堪型、空松气动力黑性良好思的F截面，研垫究证明其舒抗风性能宗良好。经过风井洞试验尺对桁架静和箱梁裂形式进馅行研究退比较，雨抗风设目计上以劈燕何种方胁案没有膜致命弱谜点为判鞋断标准刺，两种肯加劲肋鞭各有利别弊。最傍终采用脾桁架加拆劲肋的饶原因：箱梁形式季为确保其栋抗风稳定餐性，就有展比桁架形脑式增大用绘钢量的倾挽向；桁架形式均确保抗风博稳定性的骡自由度相滨对大一些岛；桁架形式滚在架设时哲的抗风对骨应措施容肾易做到；箱梁形式培在架设时涌占用海面忌的范围大透。90,鹅000辩to凑nsofs茅teel是was举use跃din侧con曾stru敏ctin准gth盲est保iffe真ning逆gir雹ders对.大桥的神加劲钢回箱梁用赞了钢材关900耗00吨笔。这是规架设钢芦箱梁的荡情况中国悬岂索桥199厘5年建成祖中国第恼一座现生代悬索签桥——为汕头海袄湾大桥丛，随后货进入迅本猛发展狗时期，蛋相继建跌成了西翁陵长江旺大桥、胡虎门大挠桥、丰后都长江忙大桥、志厦门海曾沧大桥代、江阴头长江大管桥、重粗庆鹅公链岩长江创大桥和熔宜昌长弟江公路构桥等，贞另有江帅苏润扬抽长江大字桥、柳行州红光灿桥和贵盐州的几禾座小型佛公路悬螺索桥等授也正在竭施工建渡设中。企作为桥被梁设计座者在此搬勉励广据大桥梁要工程师川