什么是悬索桥?

[拼音]：xuansuoqiao

[外文]：suspension bridge

也称吊桥。主要承重结构由缆索（包括吊杆）、塔和锚碇三者组成的桥梁。其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。

现代悬索桥，是由索桥演变而来（见桥梁工程发展史）。适用范围以大跨度及特大跨度公路桥为主，是当今跨度超过1000米的唯一桥式。

（1）不设加劲梁的柔式悬索桥（图1a），仅在活载对恒载的比值较小时采用；

（2）只主跨吊于悬索并在该跨设加劲梁（图1b），如有边跨则边跨用独立的简支梁；

（3）三跨吊于悬索，加劲梁为三跨简支梁（图1c）；

（4）三跨吊于悬索，加劲梁为三跨连续梁（图1d）；

（5）自锚式悬索桥（图1e），和组合体系桥中的系杆拱相似，其悬索的水平拉力不传给锚碇基础，而是传给加劲梁；

（6）缆索中段同加劲桁架上弦合为一体（图1f），在缆索用眼杆组成时，构造并不复杂，可节省材料并提高刚度。

过去曾用竹索、铁索、调质钢眼杆，现主要使用冷拔碳素钢丝制成下列三种形式：

（1）平行丝大缆，常用J.A.罗布林所发明的“空中编缆法”就地制造，现今跨度750米以上的桥都使用此法；

（2）由钢丝绳组成的钢丝绳缆，施工较快，但其d性模量较低，只适用于跨度较小的桥；

（3）由平行钢丝绳股组成的大缆，绳股可在工厂预制，保持了平行丝大缆的优点，并在施工上有所改进。

空中编缆法是在缆索全长范围内设置一无端绳圈，将携丝滑轮固定其上。再将一岸桥头的卷筒（丝盘）钢丝引套于携丝滑轮，驱动无端绳圈，即将两股钢丝带到对岸。对岸将钢丝卸下套在锚固用的靴跟形铸件(索靴)上，并将对岸的卷筒钢丝引套于携丝滑轮，驱动无端绳圈，将对岸的钢丝带回原岸。在同一缆索内的所有钢丝都这样编好后，在缆索截面外围用若干千斤顶将钢丝挤紧，再用软钢丝密缠，使其几何尺寸稳定，并具有良好抗锈性。采用这一构造的美国布鲁克林桥，建于1883年，其缆索至今完好。

以往曾用石塔，今则以钢塔为主，有时也用钢筋混凝土塔。到60年代，美国仍采用铆接多室钢箱形截面，英国则开始采用栓焊结构，并将箱形截面从多室改为单室，以节约钢材。因缆索在塔顶有一转角，其支承须设鞍式构造（称为索鞍）。当桥承受荷载时，索鞍将因两侧缆索伸长量不等而发生纵向线变位。由于将底端固定于桥墩的钢塔能在塔顶发生相应的d性变位，故索鞍可以固结于塔顶；对于不能发生较大d性变位的“刚性塔”，其索鞍下需设辊轴，使之像梁式桥活动支座那样活动（见桥梁支座）。

缆索的拉力通过灌筑在混凝土中的钢质构件传递给混凝土和地基。当地基为坚实岩层时，只需顺缆索方向凿一隧道（坑洞），将固定缆索的钢质构件置于其中，再用混凝土将隧道填实即成。这种锚碇称隧道式。当地基没有岩层可利用时，则需灌筑巨型混凝土块，凭重量及相应的摩阻力来抵抗拉力。这种锚碇称重力式。

当前世界上的悬索桥以美国最发达；英国次之，并于最近建成世界上最大跨度的悬索桥。日本则有几座大跨度公铁两用悬索桥正在施工。

美国在1883年建成主跨为 487米的布鲁克林桥，是早期著名的悬索桥，采用从塔顶辐射至加劲梁的许多斜缆，以增加抗风稳定性，虽不甚美观，却从构造上提供了抗御风害的榜样。1909年建成的曼哈顿桥（主跨为448米），采用了“挠度理论”，即在内力分析中将荷载使结构产生挠度的影响考虑进去，它标志着长跨悬索桥在静力分析上的成熟。在1931年跨越哈得孙河的乔治·华盛顿桥，以单层桥面8条车道通车，其主跨为1066.8米，一跃而为前纪录安巴萨德桥跨度564米的两倍。它是按双层车道设计，加劲梁采用桁架式，另有6车道布置在下弦。全桥有缆索4根，每根外径为0.9米，各由直径5毫米的钢丝26474根组成。分为左右两对，中心距为32.31米，对主跨度的比为1:33。在其以8车道通车的30年内，它的加劲桁架尚未建造，以“柔式”悬索桥的轻盈姿态成功地抵抗了风力的袭击。嗣因交通量增长，在1962年按原计划将加劲梁及下层桥面建成。1937年建成的金门桥主跨更大，为1280.2米，加劲梁仍取桁架式(高度为7.62米)，桥的宽跨比降到1:47。它在风力作用下的振幅已引起注意。1940年建成的塔科马海峡(Tacoma Narrows)桥，主跨为853.4米，加劲梁采用钢板梁式，高度仅2.42米，高跨比为1:350，宽跨比更降到1:72，由两道钢板梁和一层不透风桥面组成的开口截面桥跨结构（桥身），其抗扭能力很弱。当风从侧面吹来时，因桥身的阻挡，分为上下两股不稳定的旋涡越过桥身，旋涡对桥身的吸力和压力产生扭矩和弯矩，使桥身振动加剧。1940年11月7日，在风速仅19米/秒的持久袭击下，桥面上下振幅近9米，左右扭转达45°角，加劲梁、桥面、吊杆相继破坏。这就是闻名的塔科玛桥事故。对于有50年不曾发生这类风害事故的桥梁界来讲，这是使人震惊的大事故。事后美国学者在进行空气动力稳定理论研究和风洞试验的基础上，提出防止悬索桥风害的两项措施：

（1）用透风结构削弱涡流的吸力及压力。例如采用桁架式加劲梁，在桥面设置透风缝。

（2）提高桥身结构的抗扭及抗弯刚度。例如加宽桥身，加高加劲桁架梁，在左右两主梁间设置强大的联结系。1950年采用这两项措施利用原桥墩将塔科马新桥建成后，美国继续在悬索桥兴建中取得新成绩，如1964年建成了主跨为1298.2米的韦拉扎诺海峡桥。（见彩图）

1879年的英国泰湾 (Firth Tay)桥的风害事故（见桥梁事故），曾使欧洲人对于易遭风害的悬索桥避而不谈达70年之久。到50年代，在美国对塔科马桥的事故研究取得进展时，英国人对于兴建福斯湾桥和塞文河桥展开研究。福斯湾桥主跨达1006米建于1964年，在抗风措施中采用了美国建议，加劲梁用桁架式。但为减轻恒载、节省钢材，其主桥采用正交异性钢桥面板。从风洞模型试验得知：若将加劲梁做成扁平而两头尖的流线箱型，使风力分成上下两股，则几乎不发生涡流而沿其表面滑过，从而结构所受的风压、扭矩、弯矩都可以大大减小。塞文河桥于1966年建成，在加劲梁设计方面采用了这一建议，其上缘按正交异性板布置，兼充桥面（图2）;因其所受的风压减小，缆索和塔相应受力减小，使其用钢量更为节省。尽管塞文河桥主跨986.6米约为福斯湾桥主跨的98％，但其用钢量（14490吨）仅为后者的65％。它的吊杆稍形倾斜，可对钢缆和桥面间的相对位移起约束作用，并增加了结构体系的刚度，有助于桥面震荡的衰减，但吊杆布置及构造稍嫌复杂。

此后，丹麦小贝尔特桥（主跨600米）、土耳其博斯普鲁斯海峡桥（1973年建，主跨1074米）、英国亨伯桥都因采用流线型焊接箱梁而在经济上受益。斜张桥也吸取了这一经验。最近风洞模型试验结果又提出：若在加劲梁横截面两端设置风嘴（尖角）或导流器，并减小梁高对宽度之比，则对抗风性能的改进更为有益，而对保持下缘连续，使梁截面呈闭合箱形，则无必要。（见彩图）

从60年代起，日本对兴建长跨悬索桥很积极。1973年将主跨 712米的关门桥建成，为在本州、四国间兴建三条联络桥的工作提供了经验。三条联络桥中，有两条的桥梁为公铁两用桥。鸣门公铁两用悬索桥主跨876米，已于1985年建成。明石海峡公路桥的主跨计划达1990米，由于铁路活载产生的加劲梁梁端伸缩量和角变位相当大，特采用缓冲梁，使这两种变位分散；为改进抗风性能，结构的形状及尺寸均用风洞模型试验决定；为改进抗地震性能，进行了动力模型试验及振动分析；为避免疲劳开裂，进行了桁架节点大型试件疲劳试验。

20世纪30～40年代，中国开始采用钢丝绳缆修建悬索桥。1940年建成的滇缅公路昌淦澜沧江桥的主跨为135米，用轻型钢桁架做加劲梁。1948年在云南建成继成桥，为跨度140米的柔式悬索桥。中华人民共和国成立后，1951年在四川泸定建成大渡河新桥，跨度为130米。其后30多年来曾建成一批悬索桥，如在四川省渡口市建成跨度172与185米的悬索桥各一座；又如1969年在重庆建成了朝阳桥，主跨186米，为了消灭加劲梁的S形挠曲，采用了双悬索式，加劲梁是由钢筋混凝土桥面板和钢梁结合而成的箱形梁（见实腹梁桥）。1985年在西藏建成的达孜拉萨河桥跨度达415米。

参考书目

H.Shirley-Smith，The World's Great Bridɡes，PhoenixHouse，London，1964.小西一郎著，戴振藩译：《钢桥》⑤，人民铁道出版社，北京，1981。（小西一郎編，《鋼橋》，丸善株式会社，東京，1976。）