悬索桥,又名
吊桥(Suspension
舰桥),指的是以通过
索塔悬挂,并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。其主要构造包括主缆、桥塔、锚、
千斤绳、加劲梁及桥面。悬索桥是大跨桥梁的主要形式之一,特点是具有跨度能力大、受力合理、能充分发挥高强钢丝组成的主缆受拉性能。
悬索桥相对于其他桥型而言在材料用料方面比较节省;悬索桥的大缆、锚碇和塔,在扩充其截面面积或承载能力方面,受到的制约较小;悬索桥的大缆受力合理,抗拉强度高;悬索桥的施工是先将大缆架好,形成一个现成的悬吊式支架,风险较小。但是悬索桥在大风情况下必须中断交通,也不宜作为重型铁路桥梁,另外在造价方面费用昂贵。
悬索桥历史悠久,
原始社会就有利用拉索支承梁做桥的实践,早期人们利用森林中的藤、竹树茎作成悬式桥以渡小溪,使用的悬索有竖直的、斜拉的,还有两者混合的。近现代悬索桥与古代悬索桥相比,其进步之处,首先是按力学理论做静力分析计算,其次是以钢索代替铁索,设高塔和加劲梁,改缆顶面上承为缆
底面下承,提高了载重量和稳定性。
2022年5月9日(当地时间),捷克Dolni Morava,世界上最长人行悬索桥落成,这座桥名为Sky Bridge 721,桥的长度为721米,将于5月13日正式对外开放。此前,世界最长人行悬索桥纪录由
葡萄牙阿鲁卡全长516米的“516 Arouca”保持。
历史
古代悬索桥
悬索桥是一种古老的桥型。早期的热带原始人就利用森林中的树茎、藤、竹等做成悬式桥以渡小溪,使用的悬索有竖直的,斜拉的,或者两者混合的。
加里曼丹岛 、
老挝 、爪哇的原始藤竹桥,都是早期悬索桥的雏形。
中国是有文字记载的最早的具有悬索桥雏形的国家。远在公元前三世纪,中国四川境内就修建了竹索桥。公元前50年,已经在
四川省建成长达百米的铁索桥,比
欧洲铁链悬索桥要早1800多年。中国四川灌县境内的安澜竹索桥,建于唐、宋年间,最大跨径60m,全长330m,宽3m,
木板桥而,至今仍保持着原始的风貌 。建于公元1705年的四川
大渡河的泸定铁索桥,由9条铁链组成,主跨达103m,很可能是当时世界跨度最大的悬索桥。古代悬索桥一般只适用于人、畜通过,跨径小,桥面窄 ,无加劲梁,上下波动大,但为悬索桥的发展奠定了不可或缺的基础。
悬索桥的构造方式是19世纪初被发明的,现在许多桥梁使用这种结构方式,主要适用于大跨度及特大跨度公路桥。
国外近现代悬索桥
国外近现代悬索桥的发展大致可分为两个时期:前期 (1801~1870)和后期 (1871~)。
1801年现代悬索桥大师詹姆斯·芬莱在美国建造雅各布涧悬索桥,跨度21m,是西方近代第一座悬索桥。1810年腾普莱曼(J·Templeman)建造一座跨度为74.3m的铁链桥,此时,美国已建了多座铁链悬索桥。在
英国,1820~1826年泰尔夫建造了跨径174m的威尔士一梅莱峡悬索桥,是一座铁链悬索桥。1823~1870年 ,
法国共建了500多座悬索桥。其中,最具代表性的是1834年建成的弗赖堡桥,跨径为265m,直至19世纪末,它被认为是
欧洲最大跨径桥梁。法国的机械师赛昆 (Sequin)和拉梅 (G·Lame)最先用锻
低碳钢丝代替链条,在俄国跨丰塔卡河建成第一座法国式悬索桥。随后
美国也开始用锻铁丝代替缆索,先后修建了跨
俄亥俄河的悬索桥、
匹兹堡悬索桥等。罗柏林一家两代人用生命和智慧于1883年建成的
布鲁克林大桥,总长1825m,主跨达488m,当时被誉为 “世界第八大奇迹”。在这个时期内,桥梁工程师们在实践以及进行大量试验研究的基础上 ,得出了一系列宝贵的结论 ,如泰尔夫通过对金属丝进行多次试验 ,认为设计容许
应力不宜超过极限抗拉强度的1/3;采用 “空中纺丝法”架设悬 索桥的主缆等。为以后大跨径悬索桥发展积累了丰富的经验。
国外近现代悬索桥发展的后期可概括为自布鲁克林桥至今。在此期间,悬索桥的跨度、规模、技术和材料都有很大的发展。
国内近现代悬索桥
新中国的成立可作为中国近现代悬索桥的分界。
新中国成立以前,中国悬索桥发展缓慢,但相对于古代悬索桥有明显的进步,用钢索代替了铁链,设置了高塔和加劲梁,桥的载重能力和稳定性都有了较大的提高。1938年,
湖南省建成了一座公路悬索桥,可供重达10t的汽车通过,自此以后,又修建了一批公路悬索桥。
新中国成立之后 ,悬索桥有了长足的发展。但80年代之前,中国悬索桥跨度都不超过200m;80年代之后,中国开始尝试大跨悬索桥的建设;到90年代之后,中国在大跨度悬索桥方面下功夫,到目前为止,中国建成了为数不少的大跨悬索桥。中国大跨悬索桥虽然起步较晚,但发展迅速,已逐步赶超国际领先水平,影响着世界桥梁的发展。
原理
悬索桥中最大的力是悬索中的
张力和塔架中的压力。由于塔架基本上不受侧向的力,它的结构可以做得相当纤细,此外悬索对塔架还有一定的稳定作用。假如在计算时忽视悬索的重量的话,那么悬索形成一个
抛物线。这样计算悬索桥的过程就变得非常简单了。老的悬索桥的悬索一般是铁链或连在一起的铁棍。现代的悬索一般是多股的高强钢丝。
构造
大缆
缆、索、链、绳都是指柔性大的构件,对独立的、直径较大的柔性构件,称为缆。其特点是抗弯
刚度很小,而抗拉刚度可以很大,故只适合于受拉。悬索桥的大缆可采用
钢丝绳和平行钢丝束两种形式,前者一般用于中小跨度(跨度500m以下)的悬索桥,后者则适用于各种跨度的悬索桥。
桥塔
桥塔的作用是支撑大缆。悬索桥的桥塔按其材料可分为砌体桥塔、钢桥塔和钢筋混凝土桥塔。早期的悬索桥多采用由石料砌筑的门架形桥塔结构。在20世纪修建的大部分悬索桥(特别是
美国和
日本的)桥塔采用
钢结构。钢桥塔在桥梁横向的结构形式可分为带斜腹杆的桁架式、只带横杆的刚构式和以上两者的混合式。二十多年来,随着混凝土技术的发展,特别是爬升模板问世以来,大跨度悬索桥塔开始采用混凝土结构。混凝土塔只采用带横杆的刚构形式。
锚碇
锚碇是对锚块基础(有扩大基础、
地下连续墙、沉井基础、
桩基础等多种形式)、锚块、大缆锚固系统及防护结构等的总称。它是固定大缆的端头、防止其走动的巨大构件。悬索桥大缆两端的锚固方式有
地锚(锚碇设在两岸上)与自锚(将大缆锚固于加劲梁端部)两种形式。
加劲梁
悬索桥加劲梁的作用不像
斜拉桥的那样大,它主要起支撑和传递
荷载的作用。现已建成的悬索桥的加劲梁大都采用
钢结构,沿桥纵向等高度,一般采用
桁架梁或梭状扁平钢箱梁。梭状扁平钢箱加劲梁的优点是:建筑高度小,自重较桁架梁轻,用钢量省,结构抗风性能好(风的
阻力系数仅为桁架梁的1/4~1/2)。
钢桁架式加劲梁在双层桥面的适应性方面远较钢箱梁优越,因此适合于交通量较大的或公铁两用的悬索桥。桁架加劲梁的立面布置多采用有竖杆的简单三角形形式,其横向布置应根据是否设双层桥面而定,桥面常采用
钢筋混凝土板或
正交异型钢桥面板。
作用于悬索桥加劲梁上的恒载及活载通过吊索传给大缆。为保证传力途径的安全可靠,需在大缆上安装索夹。索夹由
铸钢制作,分成左、右两半或上、下两半,安装之后,用高强
螺杆将两半拉紧,使索夹内壁对大缆产生压力,防止索夹沿大缆向低处滑动。吊索可用
钢丝绳、平行钢丝束或
钢绞线等材料制作。
索鞍
鞍座是设在塔顶及桥台上直接支撑大缆并将大缆
荷载传递给塔及桥台的装置。设在塔顶的鞍座叫主鞍,用作大缆跨过塔顶的支撑,承受大缆产生的巨大压力并传递给桥塔。主鞍一般由
铸钢件构成,随着焊接技术的发展,目前的鞍座大多采用铸焊结合结构。
特点
1、悬索桥是一种能充分发挥材料受拉性能,比如高强
镀锌钢丝作为主要承重结构的桥梁,因此它能跨越比较大的江河、峡谷、
海湾,在施工和营运中均不或极少干扰通航,是较为理想的一种大跨径桥型。
2、悬索桥的两个主塔和两个锚碇一般可布设在岸上和浅水区,避免了大型深水施工和防撞措施。因此,可以减少桥梁基础施工的难度,有利于缩短工期,降低工程造价。
3、悬索桥悬吊系统构件如加劲梁依托主缆进行吊装,工期短,施工较为安全,这对沿海有台风危害地区建桥更具有特殊意义。
4、悬索桥外型较为美观,与环境比较协调。
5、悬索桥的造价跨径在600m以上可与
斜拉桥竞争。但是,现代长大跨径悬索桥毕竟是一种超大型高科技最自然的建筑物,它较一般常规的桥梁涉及专业门类多,用钢量大,超大型的
钢构件的制造、加工、精度和质量要求高,工艺复杂。特别是上部构造需要大型专用设备多,施工难度大,一般建造长大跨悬索桥必须具有强大的综合国力作为基础。
分类
按悬吊球数划分
根据悬吊跨数不同,悬索桥可分为单跨悬索桥、三跨悬索桥、四跨悬索桥和五跨悬索桥。
单跨悬索桥
单跨悬索桥常用于高山峡谷地区,两岸地势较高而采用桥墩支撑边跨更为经济,或者道路的接线受到限制,使得平面曲线布置不得不进入大桥边跨的情况。就结构特性而言,单跨悬索桥由于边跨主缆的垂度较小,主缆长度相对较短,对中跨荷载变形控制更为有利。
三跨悬索桥
三跨悬索桥是目前国际工程实例中应用最多的桥型,世界上大跨度悬索桥几乎全采用这种形式。不仅是因其结构受力特征较为合理,同时,也因其流畅对称的建筑造型更符合人们的审美观。
多跨悬索桥
相对于三跨悬索桥而言,四跨和五跨悬索桥又称为多跨悬索桥,这种桥型由于结构柔性大,固有振动频率较低,难以满足特大跨度悬索桥的实力及
刚度需要,因而也就不具备实用优势,世界上几乎没有这类特大桥工程的实例。当建桥条件特别适于作连续大跨布置而采用四跨悬索桥时,其中央主塔为满足全桥刚度要求通常需要做A形布置,相应的塔顶主缆须采取特殊锚固措施,以克服两侧较大的不平衡水平拉力。
按主缆的锚固方式划分
根据主缆的锚固方式的不同,悬索桥可分为地锚式悬索桥和
自锚式悬索桥。
地锚式悬索桥
通常所讲的绝大多数悬索桥都采用地锚式锚固主缆,即主缆通过重力式锚碇或岩隧式锚碇将
荷载产生的拉力传至大地来达到全桥的受力平衡,这是大跨度悬索桥最佳的受力模式。
自锚式悬索桥
在较小跨度的悬索桥中,也有个别以自锚形式锚固主缆的,这种自锚式悬索桥的主缆,在边跨两端将主缆直接锚固于加劲梁上,主缆的水平拉力由加劲梁提供轴压力自相平衡,不需要另外设置锚碇。
接悬吊方式划分
采用竖直吊索并以
钢桁架作加劲梁;采用三角布置的斜吊索,并以扁平流线型钢箱作加劲梁,也有呈交叉形布置的斜吊桥;混合式,即采用竖直吊索、斜吊索和流线型钢箱梁作加劲梁。除了有一般悬索桥的缆索体系外,还设有若干加强的斜拉索。
按支基结构划分
可分为单跨两加劲梁悬索桥、三跨两铰加劲梁悬索桥及三跨连续加劲梁悬索桥。
优势与劣势
优势
优势之一是在材料用量和截面设计方面。其他各种桥型的主要承重构件的截面面积,总是随着跨度的增加而增加,致使材料用量增加很快。但大跨悬索桥的加劲梁却不是主要承重构件,其截面面积并不需要随着跨度而增加。
优势之二是在构件设计方面。许多构件截面面积的增大是受到客观制约的,例如梁的高度、杆件的外廓尺寸、钢材的供料规格等,但悬索桥的大缆、锚碇和塔,在扩充其截面面积或承载能力方面,所遇到的困难较小。
优势之三是作为主要承重构件的大缆受拉,充分发挥钢材的抗拉强度高的优势,受力合理,这也是悬索桥适用于大跨径桥梁的一个重要因素。
优势之四是在施工方面。悬索桥的施工总是先将大缆架好,这样,大缆就是一个现成的悬吊式支架。在架梁过程中,加劲梁段可以挂在大缆之下,为了防御
飓风的袭击,虽然也必须采取防范措施,但同其他桥所用的悬臂施工方法相比,风险较小。
劣势
劣势之一是悬索桥的坚固性不强,在大风情况下必须中断交通。
劣势之三是悬索桥的塔架对地面施加非常大的压力,如果地面本身比较软的话,塔架的
地基必须非常大,相应的造价昂贵。
施工步骤
1、施工塔、锚碇的基础,同时加工制造上部结构施工所需的构件,为上部结构施工做准备。
2、施工
索塔及锚体,其中包括鞍座、锚碇钢框架安装等施工。
1)索塔施工
索塔结构有钢塔结构和混凝土塔结构,混凝土塔结构均采用现浇结构。施工方法根据其规模、形状、施工地点的地形条件,以及其经济性,可采取
起重船施工法、塔式起重机施工法、爬升式起重机施工法等。浮吊施工法是将施工的部件或桥塔节段由水上浮吊架设施工。塔式起重机施工法是在桥塔侧旁预先安装塔式起重机,以吊装桥塔节段。爬升式
起重机施工法是在塔柱上安装爬升
导轨,爬升式起重机沿此导轨,随着桥塔的施工高度增高而向上爬升。
2)鞍座施工
塔顶设有主鞍座,边跨主缆进入锚碇之前可能设副鞍座;在锚碇前沿,主缆散开,需设散索鞍;若主缆散索中不改变其方向,则只需设散索套。在采用空中送丝法制成的主缆中,位于丝股和
锚杆之间的中介环节,称为鞍跟。鞍座根据设计要求分为整铸式鞍座、铸焊式鞍座、拼装式鞍座等。整铸式鞍座是其整体或半体采用普通铸造方法(
铸钢)浇铸而成。铸焊式鞍座是槽道部分铸造而成,下底板及结构加强肋则用厚钢板制造,彼此对位后焊接。拼装式鞍座各部分分体铸造,经
机械加工后,采用
螺栓连接成整体。拼装式鞍座无焊接变形及焊后
热处理问题,但对其分体各部分结合面的加工精度和装配质量要求较高,整体性能对此较为敏感。
3、主缆系统安装架设,其中包括牵引系统、
猫道的架设、主缆索股预制和架设、紧缆、上索夹、
千斤绳安装等。
对主跨大于500m的悬索桥,其主缆形式主要为平行线
钢缆。平行线钢缆根据假设方法分为空中送丝法(AS法)及预制索股法(PWS法)。
4、加劲梁节段的吊装架设,包括整体化焊接等。
加劲梁架设的主要工具是缆载
起重机。架设顺序可以从桥塔开始,向主跨跨中及边跨岸边前进,也可以从主跨跨中开始,向桥塔方向逐段吊装。加劲梁多为
钢桁架。在每一梁段拼好以后,立即将其与对应的吊索相连,使其自重由吊索传给主缆。对于三跨悬索桥而言,一般需要四台缆载起重机,分别从两塔各向两个方向前进。
5、桥面铺装,主缆缠丝防护,
伸缩缝安装,桥面构件安装等。
世界排名
土耳其1915恰纳卡莱大桥跨越土耳其马尔马拉海西端的
达达尼尔海峡,为双塔三跨悬索桥,
双向六车道,为纪念2023年
土耳其成立100周年,桥梁主跨长度设计为2023米,是目前世界上跨径最大的桥梁。
日本明石海峡大桥位于
本州岛与
四国之间,主跨1991米,跨径布置为960米+1991米+960米,全长3911米,为三跨加劲桁梁悬索桥,双向六车道设计。大桥于1988年5月动工,1998年3月竣工,总投资约43亿美元。明石海峡大桥为目前世界上跨度最大的悬索桥,也是世界上最长的双层桥,创造了20世纪世界建桥史的新纪录。
武汉杨泗港长江大桥
武汉杨泗港长江大桥连接武汉“
武汉三镇”(武昌、汉口、汉阳)之中的汉阳与武昌,位于
鹦鹉洲长江大桥与白沙洲长江大桥之间,该桥是长江上第一座双层公路大桥,主桥跨度达1700米,该桥从2015年7月开工,到2019年10月通车。
发展趋势
纵观悬索桥的发展历程,悬索桥未来的发展趋势主要体现在以下几个方面:
(1)桥梁跨度和需求进一步增大
悬索桥跨度的加大可以实现宽阔海湾或海峡两岸的交通连接,促进两岸交通运输业、旅游业及经济的发展;增大通航宽度,提高通航等级;减小船只与桥梁下部结构碰撞的概率,提高桥梁的安全度;避免深水基础的施工,降低桥梁的建造成本。
(2)结构形式将不断开拓创新
悬索桥跨度的增大将导致结构
刚度下降、承载效率降低、抗风稳定性下降等问题。为有效解决这些问题,需要研究新的结构形式。采用新型缆索体系,如采用斜拉悬吊组合体系、空间缆索体系等将提高桥梁的整体刚度和抗风稳定性;选取合适的加劲梁截面形式,如采用分离式加劲梁、开设透风格栅等措施可以取得较好的抗风效果。
(3)新材料技术将进一步研发应用
传统钢材具有自重大、强度提高幅度有限、易锈蚀等缺点,作为大跨度悬索桥的主缆,将面临承载效率低、经济性差、施工难度大等问题。新型材料如CFRP能克服传统钢材的不足之处,在未来悬索桥的建设
中将具有良好的应用前景。