懸索橋又稱吊橋、索橋,如果把天然跨澗的藤索也算在內(nèi),它的歷史肯定早于人造的獨木梁橋。當(dāng)然將天然藤索納人橋梁史未免牽強(qiáng),但從有文字記載的來看,中國懸索橋的歷史至少有2300 多年。和梁橋一樣,現(xiàn)代懸索橋從材料上講是工業(yè)革命的產(chǎn)物,但受力原理與古代吊橋頗有淵源。
中國現(xiàn)代懸索橋可分為三類,下承式懸索橋、上承式懸索橋和吊拉組合體系橋。下承式懸索橋是最常見的一種懸索形式,即固定在兩個錨碇上的主索支承在塔頂?shù)乃靼吧?,通過吊索或吊桿,吊起橋道梁,故也稱吊橋;上承式懸索橋是一種較為罕見的形式,即主索位于橋道梁之下,通過剛性立柱支承剛性橋道梁,這種橋型在目前看實用價值并不高,數(shù)量極少,很難成為懸索橋的主流;吊拉組合體系橋數(shù)量更少,這種橋型是懸索橋和斜拉橋的結(jié)合體,外型上非常類似19 世紀(jì)一十年代懸索橋向斜拉橋過渡時期的橋梁,事實上它是兩種成熟了的橋型向新橋型發(fā)展的產(chǎn)物,集兩種橋型的優(yōu)點于一身。
現(xiàn)代懸索橋是跨越能力最強(qiáng)的橋型,除具有與一般橋梁相同的墩臺及其基礎(chǔ)外,主要由主纜、吊桿、塔、索鞍、錨旋和橋道梁幾部分組成。主纜是懸索橋的主要受力構(gòu)件,現(xiàn)代懸索橋的主纜都是由鋼絲繩、鋼絞線或平行鋼絲的束股制成,承受其自重及由橋道梁和汽車荷載產(chǎn)生的巨大拉力。主纜支承在塔頂?shù)乃靼吧?,尾部錨固在錨錠上。錨錠承受索的巨大拉力。
懸索橋與其他橋型很不相同的一點在于橋的剛度小,抗風(fēng)能力較差。在懸索橋的設(shè)計中,除必須保證各組成部件的強(qiáng)度和剛度外,大型懸索橋還必須作風(fēng)洞試驗。
中國現(xiàn)代懸索橋的發(fā)展大體可以20 世紀(jì)九十年代為界,劃分兩個時期。
鋼絲繩(鋼絞線)主纜懸索橋
20 世紀(jì)九十年代以前為現(xiàn)代懸索橋出現(xiàn)及發(fā)展初期,這一時期的懸索橋大都是山區(qū)低等級公路橋梁,橋面窄、荷載小,許多橋梁具有臨時性質(zhì)和戰(zhàn)備性質(zhì),主索材料以鋼絲繩為主,我們稱其為“鋼絲繩(鋼絞線)主纜懸索橋”。
中國現(xiàn)代懸索橋最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)四十年代前后,主要分布在中印、中緬公路上,也就是云貴高原。云貴高原是中國地形最復(fù)雜,道路最艱險的地區(qū),金沙江、瀾滄江和怒江在近距離內(nèi)將這里切割成壁立似的高山峽谷;云貴高原又是中國地勢的第二臺階,江河落差大,水勢洶涌,所有這些條件決定了懸索橋是當(dāng)時當(dāng)?shù)剡x擇的最佳方案。建成于1938 年的云南省功果橋是這一時期的經(jīng)典之作,但這座橋跨徑僅88 米,寬4.5 米,只能容納一輛車通過。
20 世紀(jì)五十年代以后,西南地區(qū)出現(xiàn)了一些較有特色的、承載能力較大的懸索橋。1969 年建成的重慶市朝陽橋主跨186 米,是中國唯一一座雙鏈懸索橋,兩根線型不同的主纜,可防止出現(xiàn)加勁梁反對稱的變形。加勁鋼箱梁上有鋼筋混凝土板,橋?qū)?.5 米,荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽車一13 ,拖車一60 。到1996 年以前,朝陽橋一直保持著同類橋型的世界跨徑紀(jì)錄。
從20 世紀(jì)五十年代至八十年代,中國建成的跨徑最大的懸索橋,是1986 年建成的河南省白浪黃河大橋,鋼絞線主纜,跨徑439 米。
平行鋼絲主纜懸索橋
20 世紀(jì)九十年代以后,為中國懸索橋的大發(fā)展時期。隨著高等級公路和高速公路的發(fā)展,跨大江大河和海灣海峽的需要,出現(xiàn)了真正大跨徑現(xiàn)代化懸索橋。這一時期的橋梁規(guī)模宏大,橋面寬闊,技術(shù)含量遠(yuǎn)非“鋼絲繩(鋼絞線)主纜懸索橋”可比,盡管至今僅修建了10 余座,但發(fā)展迅速,跨徑已超過1000 米,我們稱其為“平行鋼絲主纜懸索橋”。由于這一時期懸索橋的技術(shù)含量高,索、塔、錨、梁的形式多樣,組合變化大,且數(shù)量較少,為便于敘述,我們將從懸索橋的加勁梁和錨碇人手,向世人展示中國現(xiàn)代懸索橋的風(fēng)采。
橋道梁
現(xiàn)存懸索橋中有柔性懸索橋和剛性懸索橋兩種。前者的橋道梁僅把荷載傳給主纜,它主要由橫梁和木板或混凝土板的橋面梁組成,現(xiàn)已很少建造;后者即剛性懸索橋的橋道梁習(xí)慣被稱作“加勁梁”,一般用鋼材、混凝土材料建造。
鋼加勁梁
為減輕自重,加勁梁一般都采用鋼材,簡稱鋼加勁梁。中國鋼懸索橋采用鋼桁架梁和鋼箱加勁梁,最早出現(xiàn)的平行鋼絲主纜鋼桁架加勁梁懸索橋是1983 年建成的西藏自治區(qū)達(dá)孜吊橋,索跨500 米,梁跨達(dá)415 米,此橋為單塔,主索另一端錨固在山上;1988 年建成的重慶市奉節(jié)梅溪河大橋,將主纜利用地形直接錨在山頂巖石上,免去了橋塔,索跨343 米,加勁梁跨徑200 米,是中國唯一一座斜吊桿平行鋼絲主纜懸索橋;跨徑450 米的重慶市豐都長江大橋,采用高3 米的鋼桁架加勁梁;跨徑560 米的重慶市忠縣大橋,為高3.3 米的鋼管空間桁架加勁梁。
采用鋼梁可降低自重,是千米以上懸索橋的唯一選擇。香港青馬大橋為雙跨鋼懸索橋,主跨1377 米,加勁梁為桁架式,外包鋼板而成箱型,由于梁內(nèi)有兩條輕軌鐵路線和兩條備用行車道,因此箱梁高達(dá)7.45 米,梁斷面兩端設(shè)有風(fēng)咀,頂?shù)装逯胁块_槽,以提高抗風(fēng)能力;江蘇省江陰長江大橋為單跨鋼懸索橋,跨徑1385 米,加勁梁為扁平式全焊鋼箱梁,箱高僅3 米,高跨比為1/462 ,為世界上鋼懸索橋的高跨比最低者。
混凝土加勁梁
混凝土材料制造的加勁梁懸索橋簡稱為混凝土懸索橋。1992 年建成的新疆維吾爾自治區(qū)齊勒哈仁額爾齊斯河橋,跨徑36 + 108 + 36 米,為3 跨混凝土懸索橋,為減輕自重,加勁梁采用高1.41 米的鋼絲網(wǎng)水泥薄壁箱梁;1995 年建成的廣東省汕頭海灣大橋,為3 跨混凝土懸索橋,加勁梁為高2.2 米的扁平三室箱,底面呈圓弧型,跨徑為154 + 452 + 154 米,居同類橋型的世界首位;2001 年,貴州省在風(fēng)速較小的貴(陽)畢(節(jié))公路上,修建了幾座混凝土懸索橋,加勁梁采用高40 至60 厘米的混凝土板,底面呈圓弧型,其最大跨徑已達(dá)338 米,這是一種新的嘗試,也是中國獨創(chuàng)。
加勁橋面梁的結(jié)構(gòu)和支承
單跨懸索橋,無疑都是簡支支承。3 跨懸索橋,也可以作成簡支結(jié)構(gòu),如汕頭海灣大橋;還可作成連續(xù)梁,如跨徑648 米的福建省廈門海滄大橋。后者的加勁梁在塔上不以支座支承,而是用吊桿吊起,形成一般稱為的“漂浮體系”。
錨碇
重力式錨
大多數(shù)懸索橋,都采用重力式錨碇,即用混凝土澆筑成一個大體積的錨碇,憑自重平衡主纜巨大的拉力。江陰長江大橋北錨位的巖面埋藏較深,錨碇基礎(chǔ)施工采用了沉井方案,用長51 米、寬69 米、埋深58 米的鋼筋混凝土沉井基礎(chǔ)來承受約60 萬噸的主纜拉力;跨徑888 米的廣東省虎門大橋的西錨碇,位于人工砂島上,基巖埋深9 至19 米,巖面傾斜且起伏不平,采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),在其中作重力式基礎(chǔ),并與圍護(hù)結(jié)構(gòu)用混凝土連成一體;跨徑960 米的宜昌長江大橋采用明挖重力式錨碇,最大挖深達(dá)85 米以上,為挖深最大者。
隧道錨和巖錨
在一些地層比較好的懸索橋上,通??梢钥紤]采用隧道錨,即順主纜走向,在巖面上挖掘隧道,在隧道后端設(shè)錨碇板或預(yù)埋的錨桿,然后錨固主纜各束股,抵抗主纜拉力。這是一種很經(jīng)濟(jì)的錨碇形式,不需澆注大體積混凝土。跨徑450 米的重慶市豐都長江大橋,基巖為并不很堅硬的頁巖,采用了隧道錨,洞長52 米,進(jìn)洞12 米處,設(shè)置散束鞍,散束鞍以下,有30 米是束股展開段,再下10 米封灌混凝土,將束股力傳給巖體,這是一次隧道錨和巖錨結(jié)合的成功嘗試;跨徑600 米的重慶市鵝公巖大橋的東錨,正在施工的跨徑580 米的萬州長江大橋,也都采用了隧道錨和巖錨的結(jié)合形式。
巖錨是將抗拔錨固鋼筋放入巖層,加以固定,然后錨固束股,這也是一種非常經(jīng)濟(jì)的錨碇。貴州省烏江大橋是中國首次采用巖錨的大型橋梁。
大跨徑懸索橋建設(shè)在中國起步雖晚,但秉承了數(shù)千年索橋建設(shè)的傳統(tǒng)和積累,借助于世界尖端技術(shù)、材料和工藝的推動,中國懸索橋以空前的規(guī)模和速度發(fā)展。短短十余年間建成了雙鏈?zhǔn)街骼|的重慶朝陽橋;大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱型加勁梁的汕頭海灣大橋;三跨連續(xù)鋼箱加勁梁的廈門海滄大橋;吊拉組合的貴州烏江大橋;巨型沉井式錨碇的江陰長江大橋等。這些成就證明,中國正在迅速地躋身懸索橋的世界先進(jìn)行列。