现代大跨度悬索桥发展

现代大跨度悬索桥发展

随着西方工业革命的进展，现代悬索桥开始出现。英国于1826年建成的门纳衣桥，跨径176米。1834年在瑞士弗里堡建成的跨径达273米的大吊桥，是采用铁索作为主缆的悬索桥。到19世纪中叶以后，美国成为悬索桥的中心。桥梁工程师罗勃林在1883年在纽约东河上建成的布洛克林桥，跨径达到486米，是当时世界最大的悬索桥。

随着经济的发展以及社会的进步，对交通需求的不断提高，大跨度桥梁成为解决交通的主要方式之一。悬索桥由于其独特的桥梁形式，跨越能力强，结构的景观效果好，在进入20世纪后被广泛应用于大跨桥梁的设计中。

悬索桥的静力体系

按照悬索桥加劲梁的支承构造来划分，主要有单跨两铰、三跨两铰和三跨连续等三种常用形式。

三跨两铰悬索桥

优点是加劲梁不从塔柱间通过，施工时相邻跨度的梁段无需连接，施工简便。缺点是相邻两跨梁端的相对转角和伸缩量以及跨中的挠度均较大，在风荷载作用下会使加劲梁产生很大的横向水平变位。

三跨连续悬索桥

优点是结构变形小，缺点是桥塔处的主梁负弯矩过大，需要单独处理。

单跨悬索桥

常用于边跨地质良好、施工方便的情形，或者道路的平面曲线进入大桥边跨的情况。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

是目前国际上应用最多的桥型，三跨悬索桥的缆吊结构总长度较单跨悬索桥大得多，特别适合于超宽的海面，同时其流畅对称的建筑造型也更能迎合人们的审美观点。

多跨悬索桥

四跨或五跨的悬索桥统称为多跨悬索桥，可以用两个三跨悬索桥联袂布置，中间共用一座锚碇锚固这两桥的主缆，如日本的南北备赞濑户大桥。或者将中间塔沿纵向作A形布置，以提高刚度。相应的塔顶大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。

协作体系悬索桥

带斜拉索的悬索桥（协作体系悬索桥）优点是跨度可以大幅提高。缺点是斜拉和悬索两者刚度差异过大，在活载和温度作用下，过渡区的斜拉索、吊杆和主梁存在疲劳问题。

自锚式悬索桥

主缆直接锚固在梁上，省去了地锚，但加劲梁须承担由主缆传来的轴力，存在梁的稳定问题。在中等跨径悬索桥中可考虑采用，造价较高。垂跨比较地锚式悬索桥大，约为1/5~1/6。

悬索桥的计算理论发展

悬索桥的理论研究起始于18世纪末19世纪初，在19世纪上半叶，理论研究仅局限于缆索方面，未对全桥开展整体分析。之后，其计算理论依据所采用基本假定的不同，历经弹性理论、挠度理论、有限位移理论这三个阶段，对缆索结构的理解越来越加深。

弹性理论

假定悬索完全柔性、不受弯矩作用，其几何形状由满跨均布恒载决定，呈二次抛物线且不因活载改变；吊杆排列紧密均匀且受拉不伸长；加劲梁截面性质不随跨长变化，恒载由悬索承担，加劲梁恒载时无弯矩，活载由索梁依刚度分配承担。

挠度理论

考虑了活载作用下缆索形状改变所产生的悬索水平拉力对结构的二阶影响，这种非线性影响有卸载作用，能使悬索桥中缆索、加劲梁的内力变小，计算结果更贴合实际受力变形情况，是较为精确的理论。

有限位移理论

伴随计算机飞速发展而广泛应用，包含将结构自由度“有限化”的思想，认为外力产生的变形对结构的非线性影响不可忽视，平衡方程建立在变形后状态上。

随着悬索桥计算理论的不断发展以及各国建设工程经验的总结，主要有一下几个不同的设计流派。

美式悬索桥

美国是悬索桥的先驱，1883年建成第一座悬索桥－布鲁克林Williamsburg)桥，中跨486m。其主要特点如下：

• 主缆：空中编缆法（AS法，Air spinning method）架设成缆。
• 加劲梁：桁架式，并在塔处设伸缩缝。
• 吊杆：竖直骑挂式钢丝绳吊索。
• 索夹：左右两半式，高强螺栓水平紧固。
• 鞍座：铸钢结构，辊轴滑移支撑。
• 桥面：混凝土板。

美国旧金山金门大桥 L=1280m

英式悬索桥

1960年代起步，1964年建成第一座悬索桥－－福斯桥，随后在英国和土耳其建成塞文（Severn）桥、博斯普鲁斯一桥、二桥和恒伯尔（Humber）桥等典型英式悬索桥，其主要特征如下：

• 加劲梁：流线型扁平箱梁
• 桥塔：焊接钢结构或钢筋混凝土结构
• 吊索：两端销接，斜向布置
• 索夹：上下两半式，高强螺栓竖向紧固。

英国恒伯尔桥 L=1410m 1981年

日式悬索桥

1970年代以后日本开始兴建悬索桥，这时国际上悬索桥的技术发展已日臻完善，日本结合自己的国情，吸收了世界上的先进技术，融合形成了日式流派：

• 主缆：一律采用预制束股法（PWS法）架设成缆。
• 加劲梁：沿袭美式桁梁型式，且在下层布置铁路，少数公路桥亦开始采用英式 流线型箱梁结构。
• 桥塔：钢结构，主要采用焊接、少数采用栓接。
• 吊杆：沿用美式竖向4股骑挂式钢丝绳
• 索夹：左右两半，高强螺栓水平向紧固。
• 鞍座：铸焊混合式
• 主缆锚固：预应力锚固系统。

日本明石海峡大桥 L=1991m

中国悬索桥

1995年建成中国第一座现代悬索桥—汕头海湾大桥，随后进入迅猛发展时期，相继建成了西陵长江大桥、虎门大桥、丰都长江大桥、厦门海沧大桥、江阴长江大桥、重庆鹅公岩长江大桥和宜昌长江公路桥等。

中国汕头海湾大桥 L=452m

中国西堠门大桥 L=1650m

中国矮寨悬索大桥 L=1176m

悬索桥的主要构件

悬索桥由桥塔、主缆、锚碇、加劲梁、吊索、鞍座等构件组成。主要承重构件包括主缆、塔和锚碇，三者构成悬索桥的第一承重系统。

桥塔

主缆

锚碇

主梁

跨中刚性中央扣

鞍座

存在问题及挑战

悬索桥在现代桥梁工程领域占据着重要地位，但也面临着一些关键问题，主要集中在风致振动和防腐蚀两方面。

悬索桥由于自身刚度较小，在风的作用下极易产生多种复杂的振动现象。如卡门涡激共振，风流经过桥体时会在索的后方形成周期性的漩涡脱落，不断地对索施加周期性的作用力，导致索产生共振。这些风致振动不仅会造成索股疲劳，大大降低索的使用寿命，还会引起行人的不安，甚至使人们对整个悬索桥的安全性产生严重怀疑。

悬索桥的主缆和吊索工作时处于高应力状态。在这种高应力状态下，更容易发生腐蚀。因此，主缆和吊索的防腐工作对于悬索桥的长期稳定运行具有不可忽视的重要性，必须采取科学有效的防腐措施来保障其耐久性。

世界跨度排名前10的悬索桥

1. 明石海峡大桥（日本）：1991米
2. 基尤普大桥（韩国）：1890米
3. 香港青马大桥：1970米
4. 威斯康星州密尔沃基悬索桥（美国）：1750米
5. 马来西亚槟城第二大桥：1450米
6. 英国恒伯尔桥：1410米
7. 美国旧金山金门大桥：1280米
8. 中国西堠门大桥：1650米
9. 中国矮寨大桥：1176米
10. 中国汕头海湾大桥：452米