自錨式懸索橋的綜述（一）
2010-11-12
一、前言
一般索橋的主要承重構(gòu)件主纜都錨固在錨碇上，在少數(shù)情況下，為滿足特殊的設(shè)計要求，也可將主纜直接錨固在加勁梁上，從而取消了龐大的錨碇，變成了自錨式懸索橋。
過去建造的自錨式懸索橋加勁梁大多采用鋼結(jié)構(gòu)，如1990 年通車的日本此花大橋，韓國永宗懸索橋、美國舊金山——奧克蘭海灣新橋、愛沙尼亞穆胡島橋墩等。2002年7月在大連建成了世界上第一座鋼筋混凝土材料的自錨式懸索橋——金石灘金灣橋墩，為該類橋墩型的研究提供了寶貴的經(jīng)驗。此后在吉林、河北、遼寧又有4座鋼筋混凝土自錨式懸索橋正在設(shè)計和設(shè)計和建造中。
自錨式懸索橋有以下的優(yōu)點：①不需要修建大體積的錨碇，所以特別適用于地質(zhì)條件很差的地區(qū)。
?、谝蚴艿匦蜗拗菩?，可結(jié)合地形靈活布置，既可做成雙塔三跨的懸索橋，了可做成單塔雙跨的懸索橋。
?、蹖τ阡摻罨炷敛牧系募觿帕?，由于需要承受主纜傳遞的壓力，剛度會提高，節(jié)省了大量預(yù)應(yīng)力構(gòu)造及裝置，同時也克服了鋼在較大軸向力下容易壓屈的缺點。
?、懿捎没炷敛牧峡煽朔酝藻^式懸索橋用鋼量大、建造和后期維護費用高的缺點，能取得很好的經(jīng)濟效益和社會效益。
?、荼Ａ袅藗鹘y(tǒng)懸索橋的外形，在中小跨徑橋梁中是很有競爭力的方案。
⑥由于采用鋼筋混凝土材料造價較低，結(jié)構(gòu)合理，橋梁外形美觀，所以不公局限于在地基很差、錨碇修建軍困難的地區(qū)采用。
自錨式懸索橋也不可避免地有其自身的缺點：①由于主纜直接錨固在加勁梁上，梁承受了很大的軸向力，為此需加大梁的截面，對于鋼結(jié)構(gòu)的加勁梁則造價明顯增加，對于混凝土材料的加勁梁則增加了主梁自重，從而使主纜鋼材用量增加，所以采用了這兩種材料跨徑都會受到限制。
?、谑┕げ襟E受到了限制，必須在加勁梁、橋塔做好之后再吊裝主纜、安裝吊索，因此需要搭建大量臨時支架以安裝加勁梁。所以自錨式懸索橋若跨徑增大，其額外的施工費用就會增多。
?、坼^固區(qū)局部受力復(fù)雜。
?、?相對地錨式懸索橋而言，由于主纜非線性的影響，使得吊桿張拉時的施工控制更加復(fù)雜。
二、歷史回顧
19世紀后半葉，奧地利工程師約瑟夫。朗金和美國工程師查理斯。本德分別獨立地構(gòu)思出自錨式懸索橋的造型。本德在1867年申請了專利，朗金則在1870年在波蘭建造了一座小型的鐵路自錨式懸索橋。
到20 世紀，自錨式懸索橋已經(jīng)在德國興起。1915年，德國設(shè)計師在科隆的萊茵河上建造了第一座大型自錨式懸索橋——科隆-迪茲橋，當時主要是因為地質(zhì)條件的限制而使工程師們選擇了這種橋型，該橋主跨185m，用木腳手架支撐鋼梁直到主纜就位。此后，美國賓夕尼亞州的匹茲堡跨越阿勒格尼河的3座橋和在日本東京修建的清洲橋都受科隆-迪茲橋的影響。雖然科隆-迪茲橋1945年被毀，但原橋臺上的鋼箱梁仍保存至今。匹茲堡的3座懸索橋比科隆-迪茲橋的跨徑要小，但施工技術(shù)比科隆-迪茲橋有了很大的進步。科隆-迪茲橋建成后的25年內(nèi)在德國萊茵河上又修建了4座懸索橋，其中最著名的是1929年建成的科隆-米爾海姆橋，該橋主跨315m，雖然該橋在1945年被毀，但它至仍然保持著自錨式懸索橋的跨徑記錄。在20世紀30年代，工程師們認為自錨式懸索橋加勁梁的軸力將使該種橋梁的受力性能接近于彈性理論，所以這段時間美國德國修建了許多座自錨式懸索橋。
三、國外現(xiàn)代自錨式懸索橋
1、 日本此花大橋
日本此花大橋原名大阪北港連絡(luò)橋，是現(xiàn)有的最早修建的特大跨徑自錨式懸索橋，又是世界上唯一的英國式自錨式懸索橋。1990年通車。
跨徑布置為（120 300 120）m，是現(xiàn)有最大跨徑的自錨式懸索橋。垂跨比叫大，為1/6，以減小主纜的索力，使能為梁所承受。
該橋采用單主纜，用PWS法施工，包含30束股，每束184絲。僅一個索面，吊索做成傾斜形，構(gòu)成三角形吊桿，與鋼箱加勁梁一起，體現(xiàn)了英國式懸索橋的特點。
鋼箱加勁梁為三室箱，梁高3.17m，箱總寬26.5m.由于單索面，按抗扭的需要，箱高較大。塔成呈花瓶形，但下塔柱較矮。人字形上塔柱要在加勁梁節(jié)段架設(shè)后才能安裝。
2 韓國永宗大懸索橋
永宗大懸索橋位于韓國漢城仁川國際機場通往漢城市區(qū)的高速公路上，是世界上第一座雙層行車的公鐵兩用自錨式縣索橋。
跨徑布置為125 300 125m，主跨徑與日本此花大橋相同。垂跨比為1/5，以減小主纜索力。
塔設(shè)計成花瓶形，高104.6m，較美觀。采用空中紡線法制索，主纜直徑46.7cm.主纜塔處橫向間距受塔型限制，公6.6m，而在主跨中部則展寬為35m（與梁寬相同），主纜呈三維空間曲面。
加勁梁三跨連續(xù)，其腹板及行駛鐵路部分的下層為桁架。梁總高12m，寬35m.上層設(shè)6個車道；下設(shè)4個車道及雙線鐵路。加勁梁的上層橋面系為一鋼箱，以承受巨大的水平軸力。箱高3m，連同風(fēng)嘴，總寬41m.梁的施工，分為8個節(jié)段，用3000t的海上浮吊架設(shè)，全部放在臨時排架或塔上，然后安設(shè)吊索。
防護體系，加勁梁采用抽濕防護，只要有一個傳感器測得相對濕度高于50%時，抽濕系統(tǒng)自動開始一切工作，直至相對濕度降至40%以下。
主纜防護采用S形鋼絲纏繞，再設(shè)涂裝，并采用干燥空氣體系，與日本明石海峽大橋相同。
3、 美國舊金山——奧克蘭海灣新橋
20 世紀30年代中期修建的舊金山——奧克蘭海灣橋，全長12.8m，是當時世界上最長的、技術(shù)水平很高的橋梁，至今人仍為舊金山半島至東海灣的主干線，車輛繁忙，每天通行近28萬車次。設(shè)計的地震力很小，其東橋（鋼桁架橋）于1989年在里氏7.1度地震烈度時局部坍塌，因此決定修建新海灣橋來代替現(xiàn)有東橋，全長3.6km.新橋每方向有寬25m的橋面，各包括5個車道和一條輕軌鐵路。南側(cè)還有寬4.8m的人行道，考慮1500年回歸的地震。
主航道橋為自錨式懸索橋，單塔，跨徑為385 180m.兩主纜直徑0.78m，東側(cè)（385m側(cè)）錨固在東墩處的梁上，其素鞍由箱梁支承，并設(shè)計成可移動的，以平衡兩主纜索力差。西側(cè)（180m 側(cè)）主纜通過兩分離的索鞍環(huán)繞在西墩上，這兩個分離索鞍固定在西墩上在施工期間兩主纜索力差異采用一項進的座板來平衡。西墩上設(shè)計一個預(yù)應(yīng)力帽梁，其重量可以平衡橋梁跨徑不對稱而在西墩產(chǎn)生的恒載撥力，也用以承受西墩兩主纜在運營荷載和地震荷載作用時其素鞍產(chǎn)生的不同應(yīng)力。塔高160m.主纜不跨越而是固定在單一的索鞍上。塔由4柱組成，沿高度用剪力桿連接。塔柱為鋼箱。柱間有間距3m的橫隔梁連接。承臺高6.5m，支承在13根直徑2.5m的鋼管樁上，樁內(nèi)填灌混凝土，樁凈長20m，嵌入巖石。
上部結(jié)構(gòu)為兩個空心的各向異性版，并將吊桿荷載分布在箱梁上，箱梁間用寬10m、高2.5m、間距30m的橫梁連接。該橫梁承受吊桿橫向72m跨的荷載，保證兩箱在荷載、特別是風(fēng)和地震荷載時的整體作用。吊桿設(shè)在兩箱的外側(cè)，形成兩空間索面，很美觀。
4、 其它自錨式懸索橋
Sorok 島橋是韓國與Geogcum島連接本土的橋梁，跨徑布置為110m 480m 200m，矢跨比為1：8，加勁梁為鋼箱梁，高跨比為1：400，橋塔為H 形。1996年哥本哈根的國際橋梁和結(jié)構(gòu)工程協(xié)會（LABSE）學(xué)術(shù)會議論文集中，J.F.Klcin介紹了一種自錨式懸索橋的比較方案，跨徑布置為 303m 950m 303m，采用單主纜，主跨跨中約200m長的主纜在梁體內(nèi)部，與梁固結(jié)，使結(jié)構(gòu)具有很高的剛度，索夾處設(shè)有錨固裝置，所以主纜截面沿橋梁是可變化的，這樣可大大節(jié)省主纜造價。
四、國內(nèi)自錨式懸索橋
盡管自錨式懸索橋在國處產(chǎn)生發(fā)展較早，在國內(nèi)卻很少建造，相關(guān)文獻也很少，使這種橋型在國內(nèi)的發(fā)展遠遠落后于國外。2002年在大連建成了世界上第一座加勁梁采用鋼筋混凝土材料的自錨式懸索橋，此后大連理工大學(xué)橋梁研究所又設(shè)計了多座鋼筋混凝土自錨式懸索橋，為國內(nèi)橋梁的建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗。
1 大連金石灘金灣懸索橋
金石灘金灣懸索橋是我國，也是世界上第一座鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的自錨式懸索橋，位于大連金石灘旅游度假區(qū)的濱海路上，橫跨帆船港池入海口，已成為當?shù)氐囊惶幪厥饩坝^。
金石灘金灣橋主橋為自錨式混凝土懸索橋，它直接把主纜錨固于加勁梁的兩端，用加勁梁做成拱形（吊拱體系），用主纜的水平分力來抵搞拱腳的推力，起到了系桿拱橋中系桿的作用。這樣既滿足了跨中通航的凈空要求，同時也使主橋兩端高度降低，大大減少了引橋的長度，節(jié)省了投資。這種拱度也可使加勁梁剛度增加、撓度減小，從而使該橋在受力和經(jīng)濟上都達到了很好的效果。金灣懸索橋總長198m，其中主橋長108m，引橋長90m，主橋跨徑為（24 60 24）m，橋?qū)?0m，矢跨比為1：8，雙塔雙主纜結(jié)構(gòu)。主橋的加勁梁采用鋼筋混凝土邊主梁形式，梁高1m，梁段中間澆注橫隔梁，引橋為鋼筋混凝土連續(xù)梁。橋塔為鋼筋混凝土門式塔架，塔高27m，塔柱直徑為1.5m.主橋的加勁梁及橫梁采用50號混凝土。主纜索采用ф7，吊桿采用ф5鍍鋅高強鋼絲，冷鑄錨具?；A(chǔ)采用ф1.6m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主纜跨過橋塔索鞍，不散開，兩端錨固在主梁上，在端部主索套筒內(nèi)設(shè)減震器。梁上吊桿間距為3m.主橋施工主要工序為：鉆孔樁基礎(chǔ)；澆筑橋墩橋塔；搭設(shè)臨時支架，支架上澆筑加勁梁；加勁梁達到強度后掛主纜，上索夾，張拉吊桿。
金石灘懸殊索橋采用了新的結(jié)構(gòu)形式，總造價只有498萬元，不但取得了良好的經(jīng)濟效益，而且其獨特的設(shè)計為美麗的海濱城市大連又增添了一處亮麗的風(fēng)景，同時也為該類橋型的建造提供了寶貴的經(jīng)驗。
2、浙江省平湖市海鹽塘橋
海鹽塘橋位于浙江省平湖市東湖風(fēng)景區(qū)，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)為自錨式鋼筋混凝土懸索橋，主跨跨徑組合為（30 70 30）m，全橋長164m；橋面全寬40.0.m；橋梁縱坡為K2.20%.
平湖海鹽塘自錨式懸索橋充分利用自錨式懸索橋的受力特性，借鑒了同類橋梁的一些優(yōu)點，并經(jīng)過改進。其主要有以下幾個特點：主纜錨于梁端，不需要建造昂貴的錨碇；主梁采用了鋼筋混凝土箱梁，利用主纜的水平分力，為主梁施加免費預(yù)應(yīng)力，主梁內(nèi)不再配置預(yù)應(yīng)力鋼束；塔頂不設(shè)置鞍座，主纜直接錨固在塔頂上。這種橋型結(jié)構(gòu)新穎，造型美觀，結(jié)構(gòu)輕巧，構(gòu)件受力合理，用材經(jīng)濟，造價比同等跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、部分斜拉橋都要低，是一種在中小跨徑內(nèi)非常具有競爭力的橋型。
五、自錨式懸索橋的受力分析
1、 受力原理
自錨式懸索橋的上部結(jié)構(gòu)包括：主梁、主纜、吊桿、主塔四部分。傳力路徑為：橋面重量、車輛荷載等豎向荷載通過吊桿傳至主纜承受，主纜承受拉力，而
主纜錨固在梁端，將水平力傳遞給主梁。由于懸索橋水平力的大小與主纜的矢跨比有關(guān)，所以可以通過矢跨比的調(diào)整來調(diào)節(jié)主梁內(nèi)水平力的大小，一般來講，
跨度較大時，可以適當增加其矢跨比，以減小主梁內(nèi)的壓力，跨度較小時，可以適當減小其矢跨比，使混凝土主梁內(nèi)的預(yù)壓力適當提高。由于主纜在塔頂錨固，為了盡量減少主塔承受的水平力，必須保證邊跨主纜內(nèi)的水平力與中跨主纜產(chǎn)生的水平力基本相等，這可以通過合理的跨徑比來調(diào)節(jié)，也可以通過改變主纜的線形來調(diào)節(jié)。
另外，自錨式懸索橋中的恒載由主纜來承受，而活載還需要由主梁來承受，所以主梁必須有一定的抗彎剛度，主梁的形式以采用具有一定抗彎剛度的箱形斷面較為合適。
2、 結(jié)構(gòu)特點
采用自錨式結(jié)構(gòu)體系，和地錨式相比可以不考慮地質(zhì)條件的影響，而且由于免去了巨大的錨錠，降低了工程造價。采用自錨，將主纜錨固于加勁梁之上，相比同等跨徑的其他橋型，更有其特有的曲線線形，外觀優(yōu)雅，而且現(xiàn)代橋梁除了滿足自身的結(jié)構(gòu)要求外，也越來越注重景觀設(shè)計，其發(fā)展前途很大。
自錨式懸索橋采用混凝土加勁梁，雖然增加了體系的自重，但也增加了體系的剛度，在一定的跨度允許范圍內(nèi)，使橋梁的安全性指標、適用性指標、經(jīng)濟性指標、美觀性指標得到了完美的統(tǒng)一。對結(jié)構(gòu)受力而言，由于采用了自錨體系，將索錨固于主梁上，利用主梁來抵抗水平軸力，對于混凝土這種抗壓性能好的材料來說無疑是相當于提供了。免費的。預(yù)應(yīng)力。因此采用的是普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)省了大量的預(yù)應(yīng)力器具，而且又由于混凝土材料相對于鋼材料的經(jīng)濟性，工程造價大大減少。但是由于混凝土的抗拉、彎的性能較差，所以對其進行受力分析時應(yīng)綜合考慮這個特點。
