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国内外大跨径桥梁建设之悬索桥

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悬索桥是一种古老的桥型,起源于中国,革新于英国,发展于美国,广泛应用于日本。它因具有跨度大、美观、架设方便等特点而得到广泛的应用。随着高强钢丝和优质材料的出现,架设工艺的改进以及计算理论和手段的不断完善,悬索桥正朝长、大方向发展,并因其在大跨度方面具有较大的优势而成为现代大跨径桥梁家族中的重要成员。

从1816 年,英国建成了第一座具有现代意义的悬索桥——跨径为124m、以钢丝做主索的人行吊桥起,工程界开始重视对悬索桥的理论研究。1823年纳维尔发表了加劲梁悬索桥理论,认识到竖向挠度随着恒载的增加而减少。到19 世纪末,悬索桥的跨度达到200~300m 。1883 年列特和1886 年列维分别发表了弹性理论,这使悬索桥的跨径达到了500m 以上。1888 年米兰提出了挠度理论,利用该理论分析的第一座桥是曼哈顿(Manhattan )大桥(主跨径为448m )。到1931 年,挠度理论使悬索桥的跨度增大了一倍,且突破了l000m ,这就是跨越哈得孙河的乔治?华盛顿(George ?Washington ) 大桥(主跨1067m )和旧金山金门(Golden Gate )大桥(主跨1280m )。悬索桥的发展至今已有近200 年的历史,它是大跨径(尤其是1000m 以上的特大跨径)桥梁的主要形式之一,其优美的造型和宏伟的规模,常被人们称为“桥梁皇后”。1966 年英国塞文(Severn )桥的加劲梁首先采用流线型扁平钢箱梁,增大了桥梁抗风性能和抗扭刚度,且用钢量少、维护方便。1970 年丹麦小贝尔特(Small Belt )桥的钢箱梁首先采用箱内空气干燥装置,增强了防腐性能。跨径为世界第一的明石海峡大桥悬索桥的抗震设计成功地经受了1995 年日本神户大地震考验。我国虽然很早就开始修建悬索桥,但是其跨径和规模远不能同国外现代悬索桥相比。

我国悬索桥发源甚早,已有3000 余年历史。其发展大致可分为古代悬索桥、近代悬索桥和现代悬索桥三个时期。

古代悬索桥:在我国四川境内,远在公元前250 年就有李冰所建的人行“笮桥”。汉宣帝甘露四年建成长百米的铁索桥,它比英国在1741 年修建的铁链悬索桥要早1800 年。古代悬索桥只适用于人畜通过,跨长小于130m , 面窄无加劲梁,上下波动较大。

近代悬索桥:1858一1949 年修建的悬索桥归为近代悬索桥。近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进行静力分析计算,其次以钢索代替铁链,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,可供汽车等车辆通行。我国近代第一座公路悬索桥是湖南能滩桥。

现代悬索桥:自1949 年至今,我国建成悬索桥约为50 座,跨径也大幅度地提高。

20 世纪50 年代所建的悬索桥,基本上为通行汽一10 级单车道桥,有加劲式和柔式两种形式。20 世纪60 年代我国悬索桥修建较多,不少桥跨径超过150m ,最大的为186m 。20 世纪90 年代以前,我国相继建成60 多座悬索桥,但跨径小、桥面窄、荷载标准低。直至1997 年建成通车的香港青马大桥(主跨达到1377m)才使我国悬索桥

的跨径超过了l000m ,随后1999 年9 月建成通车的堪称“中国第一、世界第四”的江阴长江公路大桥(主跨达到1385m ) 和2005 年4 月建成通车的润扬长江公路大桥南汉桥(主跨达到1490m ,建成后位居“中国第一、世界第三”)的跨径也超过了1000m ,在世界上已经建成的主跨超过了1000m 的18 座特大跨径钢箱梁悬索桥中占得 3 席[2 , 5 ]。这些桥梁的建成大大缩小了我国与国外悬索桥梁建设水平的差距。

表1-2 和图1-2 为国内外著名的特大跨径悬索桥[2 , 3 , 6 ]。

国内外大跨径桥梁建设之悬索桥

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1.2 加劲梁常用结构形式

作用在缆索支承桥梁上的绝大部分外荷载是由加劲梁和与其相结合的桥面板所承受。这是因为全部车辆荷载均作用于桥面板上,而大多数情况下加劲梁的恒载和承风面积均比缆索体系的大。因此加劲梁必须能够承受和传递局部荷载,并在将整个荷载传递给主墩的过程中,对缆索体系起着决定性的辅助作用[1]。

1 .

2 . 1 斜拉桥常用加劲梁结构

由于受拉索的支承作用,加劲梁的受力性能不仅取决于自身的结构体系,同时与塔的刚度、梁塔的连接方式、索的刚度和索形等密切相关,所以加劲梁在设计时一般都要综合考虑梁、塔、索三者之间的关系。加劲梁的截面形式应该根据跨径、索距、桥宽等不同需要,综合考虑结构的力学要求、抗风稳定性、施工方法等选用[ 7 ]。斜拉桥常用的加劲梁结构形式通常有下列四种类型:

1. 钢梁

钢梁的主要优点是跨越能力大,施工速度快,质量可靠程度高。但是钢加劲梁价格较昂贵,后期养护工作量大,抗风稳定性较差。图1-3为San Francisco 一Oakland Bay Bridge 东跨斜拉桥的钢加劲梁截面形式。

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斜拉桥常用的钢梁形式为钢箱梁。表1-3为我国主跨500m 以上斜拉桥采用的主加劲梁类型。

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由表1-3 可以发现,90 年代以来,大多数斜拉桥都采用钢箱梁作为主加劲梁,国内外的经验表明,加劲的钢箱梁桥是大跨径公路桥梁最有效的结构形式之一,以其承载力和重量而言,为一种非常有效的结构体系,可以达到(此词被过滤)类型加劲梁无法达到的大

跨度[3]。图l-4 为南京长江第二大桥主加劲钢箱梁截面形式。

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2 .混凝土梁混凝土梁的主要优点是:

(1)造价低。但是对于跨径较大的斜拉桥,混凝土加劲梁的低造价难以抵消由于混凝土自重大而导致拉索和基础额外增加的费用。

(2)刚度大挠度小。在汽车荷载作用下,混凝土梁产生的主要挠度约为类似钢结构的60 %左右。

(3)抗风稳定性好。这是由于混凝土结构振动衰减系数约为钢结构的两倍。

(4)后期养护比钢桥简单便宜。

3. 叠合梁叠合梁即在钢加劲梁上用预制混凝土桥面板代替常用的正交异性钢桥面板。它除具有与钢加劲梁相同的优点之外,还能节约钢材用量,且其刚度和抗风稳定性优于钢加劲梁。叠合梁一般采用双钢加劲梁,其断面形式常用实腹开口工字形、箱形、n 形等。图1 —5 为叠合梁典型结构[7] 。

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4. 混合梁在中孔大跨全部或者部分采用钢加劲梁,两侧采用预应力混凝土梁,这种结构称为混合梁。其优点是:

(1)加大了侧跨加劲梁的刚度和重量,减少了主跨的内力和变形。

(2)可以减少或者避免边跨端支点出现负反力。

(3)边跨PC 梁容易架设,主跨钢梁也可以较容易地从主塔开始用悬伸法连续架设。

(4)减少全桥钢梁长度,节约造价。这种桥型特别适合边跨与中跨比值较小的情况。德国Kurt 一Schoemacher 桥、日本的生口(Ikuchi )桥、法国的诺曼底(Normandy )桥和我国的武汉白沙洲大桥都采用了混合式加劲梁。

1 .

2 . 2 悬索桥常用加劲梁结构

悬索桥的加劲梁一般都采用钢结构。早期以钢桁梁为主,个别中小跨径的悬索桥也有采用钢板作为加劲梁。1940年11 月被风振毁的美国塔科马( Tacoma )桥,其加劲梁就是下承式钢板梁。由于钢板梁的抗风性能不佳,所以世界各国较大跨度的悬索桥从此不再用钢板梁〔8 〕。塔科马桥重建时采用钢桁梁作为加劲梁。

1 .钢箱梁

采用流线型钢箱结构作为悬索桥加劲梁是从1966 年建成的英国赛文( Severn)桥开始的〔8 〕,其断面如图1 一 6 所示。欧洲研究者发现,正交异性板钢箱作为加劲梁,梁高较小,外形类似机翼,空气动力性能好,横向阻力小,大大减小了塔的横向力;顶板直接作桥面板,恒载轻,抗扭刚度大,主缆截面可以减小,从而降低用钢量和造价。

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我国悬索桥普遍采用钢箱作为加劲梁。针对桁架梁作为加劲梁的优劣,专家们有着不同的意见。由于我国已修建的几座大跨径悬索桥,桥面沥青铺装相继出现了早期严重破坏,有的桥梁工作者认为,一方面钢箱梁作为加劲梁还有一些方面值得改进,如钢箱梁桥面板的局部挠度以及箱体的通风和降低钢箱梁铺装层的温度等;另一方面桁架梁作为加劲梁,还有不少优点,如加劲梁刚度大,桥面温度相对低,还可解决双层交通等,因而主张使用木行架梁作为加劲梁表1 一4 为我国主跨在450m 以上的悬索桥采用的主加劲梁形式。