悬索桥
通过索塔悬挂并锚固于两岸缆索桥梁
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正交异型钢桥面板。
索夹及千斤绳
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。
劣势之二是悬索桥不宜作为重型铁路桥梁
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。
目录
概述
历史
古代悬索桥
国外近现代悬索桥
国内近现代悬索桥
原理
构造
特点
分类
按悬吊球数划分
按主缆的锚固方式划分
接悬吊方式划分
按支基结构划分
优势与劣势
优势
劣势
施工步骤
世界排名
发展趋势
参考资料