对悬索桥的浅析
胡莉莉
(土木工程一班 土木工程系 青岛工学院 青岛市 山东省 中国)
摘要：悬索桥是以受拉主索为主要承重构件的桥梁结构。悬索桥是以高强钢丝作为主要承拉结构，所以具
有跨越能力大、受力合理、能最大限度发挥材料强度等优点，另外还具有整体造型流畅美观和施工安全快捷等优势。在桥梁设计时，当所需的跨度超过600m时，悬索桥总是备受推荐的经典桥型。悬索桥比较灵活，因此它适合大风和地震区的需要，比较稳定的桥在这些地区必须更加坚固和沉重。但悬索桥的造价比较高，坚固性不强，不宜作为重型铁路桥梁，且悬索锈蚀后不容易更换。
关键字：悬索桥历史；悬索桥的组成；基本类型；基本构造；发展前景； 作者简介： 胡莉莉（1991- ），女，工学学士，学号：201007105141
Analysis of Suspension Bridge
Hulily
(Civil Engineering Class 1 Department of Civil Engineering, Qingdao Institute of Qingdao City, Shandong Province, China)
Abstract: The suspension bridge is subject to pull the main cable as the main load-bearing components of the bridge structure. Suspension Bridge is a high-strength steel wire as the primary for tensile structure, spanning capacity, reasonable force can maximize the strength of the material also has the overall shape is smooth and beautiful and safe and efficient construction and other advantages. In the design of the bridge, when required span of more than 600m, the suspension bridge is always highly recommended classic bridge type. The suspension bridge is more flexible, so it fits the needs of high winds and seismic zone, relatively stable bridge in these areas must be more robust and heavy. Suspension bridge cost, robustness is not strong, not as heavy rail bridges and suspension corrosion is not easy to replace.
Key words: Suspension bridge history; basic type; basic structure,
1 历史的回顾
悬索桥是目前跨越能力最强的桥型，900m以上跨度的桥梁都是悬索桥。中国是悬索桥的故乡，迄今至少3000年的历史。在四川省远在公元前250年蜀太守李冰在四川都江堰上建成的朱索桥跨越河流宽度达320m。据记载我国唐代中期就从藤索、竹索发展到用铁链建造悬索桥，而西方在16 世纪才开始建造铁链悬索桥，比我国晚了近千年。最著名的四川大渡河上的铁索桥, 跨径达104 m, 宽约2. 8 m, 建于清康熙45年( 公元1696 年) , 45 年后才在英国出现一座跨径仅21. 34 m 的铁索桥。
现代悬索桥随着西方产业革命的进展,
早在19世纪就开始建设了, 最著名当数英国于1826 年建成的门纳衣( Menai) 桥, 跨径176 m。真正用钢丝作为主缆的悬索桥, 是1834 年在瑞士弗里堡建成的跨径达273 m 的大吊桥。到19 世纪中叶以后, 美国成为悬索桥的中心。天才的桥梁工程师罗勃林( J. Roebling ) 建成多座有名的悬索桥, 其中最著名的是1883 年在纽约东河上建成的布洛克林( Brooklyn) 桥, 跨径达到486 m, 这就是19 世纪世界上最大跨径的悬索桥。
2 悬索桥的组成
悬索桥是以悬索桥，又名吊（suspension bridge）指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸（或桥两端）的缆索（或钢链）作为上部
结构主要承重构件的桥梁。其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。
悬索桥由桥塔（包括基础）、主缆（也称大缆）、加劲梁、锚啶、吊索（也称吊杆）、鞍座及桥面结构等几部分组成。
图一 悬索桥
3 悬索桥的基本类型
3.1 按主缆的锚固形式分类
悬索桥按主缆的锚固形式分有地锚式和自锚式两类。
绝大多数悬索桥，特别是大跨径的悬索桥，都采用地锚式锚固主缆，即主缆的拉力由桥两端部的重力式锚啶或隧道式锚啶传递给地基。因此在锚啶处一般要求地基具有较大的承载力，最好有良好的岩层作持力地基。
悬索桥有时也可以采用自锚的形式锚固主缆，而不需要单独设置锚啶。自锚式悬索桥的主缆拉力直接传递给它的加劲梁来承受。
3.1.1 自锚式悬索桥
一般悬索桥的主要承重构件主缆都锚固在锚碇上, 在少数情况下, 为满足特殊的计要求, 也可将主缆直接锚固在加劲梁上, 从而取消了庞大的锚碇,变成了自锚式悬索桥。
自锚式悬索桥有以下的优点:
（1）不需要修建大体积的锚碇, 所以特别
适用于地质条件很差的地区。（2） 因受地形限制小, 可结合地形灵活布置, 既可做成双塔三跨的悬索桥, 也可做成单塔双跨的悬索桥。（3）对于钢筋混凝土材料的加劲梁, 由于需要承受主缆传递的压力, 刚度会提高,节省了大量预应力构造及装置, 同时也克服了钢在较大轴向力下容易压屈的缺点。（4）采用混凝土材料可克服以往自锚式悬索桥用钢量大、建造和后期维护费用高的缺点, 能取得很好的经济效益和社会效益。（5）保留了传统悬索桥的外形, 在中小跨径桥梁中是很有竞争力的方案。（6）由于采用钢筋混凝土材料造价较低, 结构合理, 桥梁外形美观, 所以不仅局限于在地基很差、锚碇修建困难的地区采用。
自锚式悬索桥也不可避免地有其自身的缺点:
（1）由于主缆直接锚固在加劲梁上, 梁承受了很大的轴向力, 为此需加大梁的截面, 对于钢结构的加劲梁则造价明显增加, 对于混凝土材料的加劲梁则增加了主梁自重, 从而使主缆钢材用量增加, 所以采用这两种材料跨径都会受到限制。（2）施工步骤受到了限制, 必须在加劲梁、桥塔做好之后再吊装主缆、安装吊索, 因此需要搭建大量临时支架以安装加劲梁。所以自锚式悬索桥若跨径增大, 其额外的施工费用就会增多。（3）锚固区局部受力复杂。（4）相对地锚式悬索桥而言, 由于主缆非线性的影响, 使得吊杆张拉时的施工控制更加复杂。
图二 自锚式悬索桥
3.2 按孔跨布置形式分类
如图中所示按悬吊的孔跨数分类的悬索桥结构的布置形式。其中三跨悬索桥的结构形式最为合理，是大跨度悬索桥最常见的桥型。单跨悬索桥常常是由地形条件或线路平面条件来决定的，它应用于边跨地面较高，采用桥墩来支撑边跨的梁体结构比较经济或者道路的平面线形受到限制，不得不设有曲线进入大桥边跨的情况。
图三 悬吊跨数不同的悬索桥
当只有一岸的边跨地面较高或线路有平面曲线进入时，也可以采用两跨悬索桥的形式。
4 悬索桥基本构造的简介
悬索桥的基本构造有桥塔、主缆、吊索、加劲梁、锚啶、鞍座等 1 桥塔
桥塔也称主塔，它是支撑主缆的主要构件，分担主缆所受的竖向荷载，并将其传递到下部的塔墩和基础处。另外，在风荷载和地震荷载的作用下，它还可以对全桥的总体稳定提供安全保证。
按采用的材料分，混凝土塔和钢塔，混凝土造价低，一般采用混凝土塔。
按桥塔的外形分，在横桥向一般有钢构式、桁架式和混合式三种结构形式。
在顺桥向，按力学性质可分为刚性塔、柔性塔和摇柱塔三种结构形式。
图四 桥塔横桥向示意图
刚性塔可以做成单柱形或A字形，一般多用于多塔悬索桥中，可提高结构的纵向刚
度，减小纵向变位，从而减小梁的内应力； 柔性塔允许塔顶有较大的变位，是现代悬索桥中最常用的的桥塔结构，一般是将塔柱下端做成固结的单柱形式；
摇柱塔是将下端做成铰接的单柱形式，该形式一般只用于跨度较小的悬索桥。 2 主缆
主缆通过塔顶的鞍座悬挂于主塔上并锚固于两端的锚固体中。主缆的布置形式一般是采用每桥设置两根，平行布置于加劲梁两侧的吊点上。
现代大跨度的悬索桥多采用平行钢丝主缆，它是由平行的高强、冷拔、镀锌钢丝组成钢丝直径大都在5mm左右。
PWS法束股通常按正六边形平行排列定型，其主缆孔隙率可以最小，现在钢丝束股的钢丝数为61、91、127、169等。如图所示为钢丝数为127的排列形式。
图五 预制束股截面形式
3 吊索
吊索是将加劲梁上的竖向荷载通过索夹（cable band）传递到主缆的受力构件。其下端通过锚头与加劲梁两侧的吊点链接，上端通过索夹与主缆链接。
吊索与索夹的连接方式一般分为四股骑跨式和双股销铰式两种，如图六所示。其中前者不宜采用平行钢丝索，而后者对钢丝绳索与平行钢丝索都能适用。
图六 吊索与索夹的连接方式
4 加劲梁
加劲梁的主要功能是提供桥面和防止桥面发生过大的挠曲变形和扭曲变形，它直接承担竖向活载，也是悬索桥承受风荷载和其他横向水平荷载的主要构件，所以，它必须具有足够的抗扭刚度或自重，以保持在风荷载作用下的气动稳定性。
加劲梁所承担的活载及本身的恒载通过吊索和索夹传递至主缆。加劲梁的变形从属于主缆，它的刚度对悬索桥的总体刚度贡献不大，因而梁高通常不必做的太高。 加劲梁一般都采用钢结构，由于混凝土结构的自重太大，从耗材、造价、工期等方面考虑，当跨径大于200m的时候就不再采用混凝土结构。 5 锚啶
锚啶即主缆的锚固体，用于固定主缆的端头，防止其移动。锚啶又可分为重力式锚啶和隧道式锚啶两种，如图所示
图七 锚啶示意图
6 鞍座
鞍座分为塔顶鞍座和散索鞍座。
塔顶鞍座位于主缆和塔顶之间，其上座设有索槽用来安放主缆。
图八 塔顶鞍座
散索鞍座是主缆进入锚啶之前的最后一个支撑构件。设置于锚啶的前墙处，起着支撑转向和分散大缆束股使之便于锚固的作用，如图所示。 图九 散索鞍座构造示意图
5 悬索桥的发展前景
20 世纪已经过去, 21 世纪的悬索桥将有更大的发展。目前发展速度最快的要数中国, 到目前为止,中国已有宜昌、忠县两座长江大桥于2001 年建成,前者主跨径达960 m, 后者主跨径达560 m。目前正在紧张施工的润扬长江大桥, 主跨径达1 490 m,2005 年建成以后列世界第三位。该桥在主跨中心部位采用刚性索夹代替短吊杆, 以减少短吊杆的疲劳;用地下连续墙和排桩冻结法为支护施工锚碇基础以及采用除湿空气法为主缆防腐等先进技术。正在设计和建造中的广州东环跨越珠江的珠江桥、武汉阳逻大桥和浙江舟山联岛工程- 西堠门大桥主跨径分别达到1 168 m、1 280 m 和1 650 m 的悬索桥, 后者 建成后将成为世界上第二大跨径桥。此外跨越渤海海峡、长江口、象山湾、港珠澳和琼州海峡有多座超大跨径悬索桥需要建设。如
琼州海峡宽20～30 km,水深70～90 m, 计划修建2 000～2 500 m 的多跨悬索桥。所有这
些桥梁的进展充分说明21 世纪中国悬索桥的建设方兴未艾, 建桥技术水平将渐趋世界 前列。
6 结论
（1）通过国内的工程实践证明, 钢筋混
凝土悬索桥在中小跨径上是一种既经济又美 观的桥型, 结构的刚度也相对较大, 对于中小跨径的公路桥梁和人行桥都适合建造。
（2）对于钢筋混凝土结构的悬索桥, 锚块的设计是一个关键环节, 它不但影响结构的整体工作性能, 也影响桥梁的经济效益和美观要求, 应给予足够的重视。
（3）自锚式悬索桥主缆的锚固形式是与地锚式的最大不同之处, 根据受力大小和锚块构造要求的不同, 可采取直接锚固", 散开锚固和环绕式锚固等方式。
（4）由于主缆非线性的影响而使吊索张拉时施工控制变得尤为关键。
（5）加劲梁采用钢材造价较贵, 并且钢结构容易在轴力作用下压屈。而采用钢筋混凝土材料恰好可以克服这两个缺点。
在科学技术高速发展的今天, 分析手段也越来越先进和完善, 一些新型美观结构也因此受到设计师们的研究和重视。尽管悬索桥有着自身的缺点和局限,但在中小跨径上是一种很有竞争力的方案,它会越来越受到人们的重视和欢迎。这种在20 世纪曾被忽视很长一段时间的桥型随着社会的进步又得到了人们的重新认识, 随着实践经验的逐渐积累, 悬索桥的设计理论和施工方法也将趋于完善, 跨越能力也会不断提高, 相信在以后会有越来越多的方案倾向于这种桥型。
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