主要承重結構由纜索(包括吊桿)、塔和錨碇組成的橋。又稱吊橋。纜索的幾何形狀由力的平衡條件決定,單獨懸索即為懸鏈線,加上加勁梁後一般近似於拋物線。從纜索垂下的吊桿將橋面吊住,在橋面和吊桿之間常設置加勁梁,與纜索一起形成組合體系以減小活載撓度變形。

圖1 懸索橋結構構主要類型

  現代懸索橋由古代索橋演變而來。主要適用於大跨度及特大跨度橋梁,是目前跨度超過1 000米橋梁的唯一結構形式。

  懸索橋結構類型 ①不設加勁梁的柔式懸索橋(圖1a),僅在活載與恒載的比值較小時采用。②僅主跨吊於懸索並在該跨設加勁梁(圖1b),如有邊跨則邊跨用獨立的簡支梁。③三跨吊於懸索,加勁梁為三跨簡支梁(圖1c)。④三跨吊於懸索,加勁梁為連續梁(圖1d)。⑤自錨式懸索橋(圖1e)與系桿拱相似,其懸索的水平拉力不傳給錨碇基礎,而是傳給加勁梁。⑥纜索中段同加勁桁架上弦合為一體(圖1f),在纜索用眼桿組成時,構造簡單,可節省材料並提高剛度。

  構造 纜索 過去曾用竹索、鐵索、調質鋼眼桿,現在主要使用冷拔碳素鋼絲制成下列三種形式:①平行絲大纜,常用J.A.羅佈林所發明的“空中編纜法”就地制造,現今跨度750米以上的橋都使用此法,如采用該構造的美國佈魯克林橋建於1883年,其纜索至今完好。②由鋼絲繩組成的鋼絲繩纜,該繩纜的施工速度較快,但其彈性模量較低,隻適用於跨徑較小的橋。③由平行鋼絲繩股組成的大纜,繩股可在工廠預制,保持瞭平行絲大纜的優點,並在施工上有所改進。

   以往曾用石塔,今則用鋼塔或鋼筋混凝土塔。20世紀60年代美國仍采用鉚接多室鋼箱形截面,英國則開始采用栓焊結構,並將箱形截面從多室改為單室以節約鋼材。因纜索在塔頂有一轉角,其支承需設鞍式結構(稱為索鞍)。在荷載作用下,索鞍因兩側纜索伸長量不等而發生縱向線變位。由於將底端固定於橋墩的鋼塔能在塔頂發生相應的彈性變位,故索鞍可以固結於塔頂;對於不能發生較大彈性變位的“剛性塔”,其索鞍下需設輥軸,使之像梁式橋活動支座那樣活動。

  錨碇 纜索的拉力通過灌註在混凝土中的鋼質構件傳遞給混凝土和地基。當地基為堅實巖層時,隻需順纜索方向鑿一隧道(坑洞),將固定纜索的鋼質構件置於其中,再用混凝土將隧道填實即成,這種錨碇稱為隧道式錨碇。當地基沒有巖層可利用時,則需灌築巨型混凝土塊,憑重量及相應的摩阻力來抵抗拉力,這種錨碇稱重力式錨碇

  懸索橋概況 美國在1883年建成主跨為487米的佈魯克林橋,是早期著名的懸索橋,采用從塔頂輻射至加勁梁的許多斜纜以提高抗風穩定性,雖不甚美觀,卻樹立瞭從結構上抗禦風害的榜樣。1909年建成的主跨為448米的曼哈頓橋,標志著長跨懸索橋在靜力分析上的成熟。在1931年跨越哈得孫河的喬治·華盛頓橋,以單層橋面8車道通車,其主跨為1 066.8米,按雙車道設計,在其以8車道通車的30年內,它的加勁桁架尚未建造,以“柔式”懸索橋的輕盈姿態成功地抵抗瞭風力的襲擊。後因交通量增長,在1962年按原計劃將加勁梁及下層橋面建成。1937年建成的金門橋主跨達1 280.2米,該橋在風力作用下的振幅已引起註意。1940年建成的塔科馬海峽橋,主跨為853.4米,加勁梁采用鋼板梁式(高度僅2.42米),由兩道鋼板梁和一層不透風橋面組成的開口截面橋跨結構的抗扭能力很弱。當風從側面吹來時,因橋身的阻擋而分為兩股不穩定的旋渦越過橋身,旋渦對橋身的吸力和壓力產生扭矩和彎矩,使橋身振動加劇。1940年11月7日,在風速僅為19米/秒的持久襲擊下,橋面上下振幅達近9米,左右扭轉達45°角,加勁梁、橋面、吊桿相繼破壞。這就是聞名世界的 塔科馬橋事故 。事後美國學者在進行空氣動力穩定理論研究和風洞實驗的基礎上,提出防止懸索橋風害的兩項措施:①用透風結構削弱渦流的吸力及壓力,例如采用桁架式加勁梁,在橋面設置透風縫。②提高橋身結構的抗扭及抗彎剛度,如加寬橋身,加高加勁桁架梁,在左右兩主梁間設置強大的聯接系。1950年采用這兩項措施並利用原橋墩將塔科馬新橋建成後,美國繼續在懸索橋興建中取得成績,如1964年建成瞭主跨為1 298.2米的韋拉紮諾海峽橋(圖2)。

圖3 丹麥大海帶橋

圖2 美國韋拉紮諾海峽橋

  1879年的英國泰灣橋的風害事故(見橋梁事故)曾使歐洲人對易遭風害的懸索橋避而不談達70年之久。到20世紀50年代,在美國對塔科馬橋事故研究取得進展時,英國人對於興建福斯灣橋和塞文河橋展開研究。福斯灣橋建於1964年,主跨達1 006米,在抗風措施中采用瞭加勁梁用桁架式。塞文河橋於1966年建成,其上緣按正交異性板佈置,兼作橋面;因其所受風壓減小,纜索和塔相應受力也減小,使其用鋼量更為節省。盡管塞文河橋主跨986.6米,約為福斯灣橋主跨的98%,但其用鋼量(14 490噸)僅為後者的65%。1981年建成的英國亨伯大橋主跨為1 410米,混凝土橋塔高155米,采用箱梁加勁梁,是目前世界第四大跨度的懸索橋。1998年建成的日本明石海峽大橋主跨為1 991米,邊主跨比0.51,鋼橋塔高297米,采用桁架加勁梁,是世界最大跨度的懸索橋。1998年建成的丹麥大海帶橋主跨為1 624米,邊主跨比0.33,混凝土橋塔高254米,采用箱梁加勁梁,是世界第二大跨度的懸索橋(圖3)。

  20世紀30~40年代,中國開始采用鋼絲繩纜修建懸索橋。1940年建成的滇緬公路昌淦瀾滄江橋的主跨為135米,用輕型鋼桁架做加勁梁。1948年在雲南建成繼成橋,為跨度140米的柔式懸索橋。中華人民共和國建立後,1951年在四川瀘定建成大渡河新橋,跨度為130米。其後30多年曾建成一批懸索橋,如在四川省渡口市(今攀枝花市)建成跨度為172米和185米的懸索橋各一座,1969年在重慶建成瞭主跨為186米的朝陽橋,1985年在西藏建成的達孜拉薩河橋跨度達415米。連接香港市區和新機場之間的青馬大橋(圖4)主跨1 377米,建成時是世界上最大的公鐵兩用懸索橋,鋼筋混凝土門式橋塔高206米,橋面設公路6車道,下層設雙線鐵路並留有公路雙車道供平時維修和強風時或緊急通行使用。江陰長江大橋為1 385米的單跨簡支鋼箱梁懸索橋,其跨徑在目前已成為中國第二,世界第五,其鋼筋混凝土塔柱高190米。2005年建成的潤揚長江大橋是中國第一座由懸索橋和斜拉橋構成的組合型特大橋梁,南汊主橋為主跨徑長1 490米的單孔雙鉸鋼梁懸索橋,是中國第一、世界第三的特大跨徑懸索橋。

  斜拉懸索協作橋是一種兼顧懸索橋和斜拉橋優點的橋型。這種橋型在橋塔附近采用斜拉橋方法而跨中附近采用懸索橋的懸吊方法,並把懸索主纜中的拉力錨固於邊跨末端的錨碇中,從而大大減小錨碇的受力。充分發揮兩種橋型的優勢。采用斜拉懸索協作橋設計理念,意大利墨西拿海峽大橋方案的主跨達3 300米。

圖4 中國香港青馬大橋

  

推薦書目

  小西一郎. 鋼橋. 戴振藩, 譯. 北京: 人民鐵道出版社, 1981.

 周念先. 21世紀特大跨徑橋梁的展望. //《中國公路學會橋梁和結構工程學會2000年橋梁學術討論會論文集》編委會. 中國公路學會橋梁和結構工程學會2000年橋梁學術討論會論文集. 北京: 人民交通出版社, 2000.

 項海帆. 中國大橋. 北京: 人民交通出版社, 2003.