悬索桥设计理论和施工控制技术

第1章 绪论 悬索桥，又称吊桥，是缆索承重体系桥梁的结构类型之一，由主缆、吊杆、加劲梁、桥塔、索鞍、锚碇、桥面系等部分组成，传力路径明确，跨越能力极大，是长大跨桥梁的主力军，可谓“一桥飞架南北，天堑变通途”。1883年，美国纽约建成了**座现代意义上的悬索桥——Brooklyn桥，揭开了悬索桥现代化大发展的序幕。 随着综合国力的进一步提升，我国悬索桥建设取得了举世瞩目的成就，武汉杨泗港长江大桥、舟山西堠门大桥、广州南沙大桥等一批超大跨悬索桥的建成标志着我国桥梁建设已经达到世界先进水平，逐步从桥梁大国向桥梁强国迈进。未来，跨海、跨江等大跨度桥梁的建设需求不断增加，将使此类桥梁结构有更加广阔的发展空间。 1.1 悬索桥的发展 1.1.1 国外悬索桥的发展 世界悬索桥的发展史以19世纪为分界点可划分为古代悬索桥时期和近现代悬索桥时期，近现代悬索桥时期又可分为前期（1801～1870年）和后期（1871年至今）两个阶段。 古代的索桥限于材料、工艺等，与现代悬索桥不可同日而语。据记载，我国唐代中期就从用藤索、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［1］。欧洲*早的铁索桥是1741年在英格兰建成的Winch桥，其跨越Tees河，跨径仅为21m。而我国著名的四川大渡河泸定桥建成于1706年，全长超过百米。 我国虽是公认的*早有悬索桥文字记载的国家，但现代悬索桥却起源于欧洲。在西方工业革命的推动下，19世纪的欧洲和美国曾是世界悬索桥建设的两大中心。自从进入19世纪，以英国、法国为代表的欧洲国家建成了不少具有代表性的悬索桥。例如，1820～1826年，由著名土木工程师Telford设计的英国Menai桥问世，主跨174m，是一座典型的链式悬索桥，曾成为英国一级文物建筑，在世界桥梁史上也占据着相当重要的位置。1831年，著名桥梁工程师Brunel设计了主跨214m的Clifton悬索桥，但由于资金短缺，于1864年才建成通车。有资料显示，1823～1870年，法国共建了500多座悬索桥，其中*具代表性的是1834年建成的Fribourg悬索桥，主跨273m，直到19世纪末，它都被认为是欧洲*大跨径的悬索桥。 19世纪早期，悬索桥多采用环链或销链的主缆形式，但其磨损、应力集中和疲劳开裂等问题较为突出，继而导致桥梁变形增大，削弱了桥梁的安全性，因此采用钢丝主缆代替链式主缆是大势所趋。1820年前后，法国的机械师Sequin和Lame*先用锻铁丝代替链条，在俄国跨Fontanka河建成**座法式悬索桥，形成了空中送丝（aerial spinning，AS）法的雏形。1831年，Ellet将该方法传入美国，1842年，他在宾夕法尼亚州的费城建成美国**座永久性的“法式”悬索桥——Fairmount桥，跨越Schuylkill河，之后在1847年又修建了跨Ohio河的Wheeling桥，跨径为308m，创下当时悬索桥世界*大跨径纪录。后于1883年，由天才桥梁设计师Roebling设计建造了著名的Brooklyn桥，跨径486m，并完善了空中送丝法，该桥也被公认为世界上**座真正现代意义的悬索桥，并保持了19世纪的悬索桥跨径纪录，自此拉开了现代大跨度悬索桥建设的序幕。 美国在20世纪初期逐步超越欧洲，成为世界悬索桥建设的中心。1909年，在Brooklyn桥的基础上，美国建成了Williamsburg桥，主跨488m，比Brooklyn桥仅增加了2m，但仍刷新了纪录。1903年，美国建成了Manhattan桥，主跨451m，由Moisseiff设计建造。1924年，又建成了主跨497m的Bear Mountain桥。1926年，在费城建成了跨越Delaware河的Benjamin Franklin桥，主跨533m。1929年又在底特律附近建成了Ambassador桥，主跨达564m，不断刷新着纪录。 这一阶段的悬索桥设计主要依靠弹性理论，该理论源于1823年法国Navier提出无加劲梁悬索桥计算理论，到1858年，Rankine等提出了处理两铰和三铰加劲梁的悬索桥理论，后来Steinman将其发展为标准的弹性理论。此理论指导了Brooklyn桥和Williamsburg桥等悬索桥的设计与建造。在此理论下，设计出的悬索桥往往具有笨拙的索塔和过高的加劲梁，Steinman便称Williamsburg桥的结构呈现不和谐的笨拙外观。而此后桥梁的设计便开始朝柔细和优美的方向发展。 一直到19世纪末20世纪初，受限于弹性理论的悬索桥设计计算理论，悬索桥的跨径未能实现千米级突破。随着挠度理论的发展，1909年，Moisseiff设计了跨纽约East河的第三座桥梁——Manhattan桥，虽然主跨只有451m，但该桥采用了1888年Melan提出的挠度理论进行计算分析［1］。与弹性理论相比，挠度理论考虑了恒载对活载的抗力，以及活载下主缆和加劲梁的竖向位移，但不计活载下吊杆的倾斜、伸长及加劲梁的纵向位移。 挠度理论经由Steinman、Moisseiff和Timoshenko等的改进与完善，驱动了悬索桥向长大化方向发展。1930年，美国一举建成千米级悬索桥——George Washington桥，主跨1066m。该桥的设计者认识到大跨悬索桥重力刚度的概念，并用这一概念来修正挠度理论的分析结果，做出了如下推断：加劲梁对于大跨度悬索桥在活载下的刚度贡献是有限的，因此加劲梁的截面不必随着跨度的增加而改变。这无疑是一个历史性的认知突破。随后相继建成了Golden Gate桥（主跨1280m，1937年）、Mackinac桥（主跨1158m，1957年）、VerrazanoNarrows桥（主跨1298m，1964年）。可以说，在20世纪70年代以前，美国在悬索桥领域独领风骚。 但在这期间，受1940年Tacoma Narrows桥风毁事件的影响，美国悬索桥的发展速度也一度放缓，工程界及学术界开始关注桥梁抗风性能的研究。当时的调查显示，自1818年起，至少有11座桥梁发生风毁事件，但遗憾的是，在之后150年的时间里，工程师只是认识到了风的静力作用。后来，Farquharson、von Karman、Bleich及Steinman等在此方面进行了多年研究，通过大量风洞试验和分析，才得出加劲梁需要有较高的空气动力稳定性等认识。随着桥梁风工程学科的建设和抗风理论的发展，悬索桥的发展又进入了一个高峰期。 有别于20世纪上半叶悬索桥发展的迟缓态势，欧洲于下半叶开始了悬索桥的高速发展。1959年，法国Tancarville桥建成，主跨达608m，标志着欧洲大跨度悬索桥发展的开端。1964年，英国在吸收美国长大桥梁技术的基础上，建成了跨径1006m的Forth Road桥。1966年，葡萄牙建成主跨1013m的25 de Abril桥，也预示着世界悬索桥发展中心开始向欧洲偏移。同年，英国修建了主跨987m的Severn桥，该桥是欧洲创新的产物，摒弃了处于霸主地位的钢桁架加劲梁，而采用流线型扁平钢箱梁，从而显著提升了悬索桥的抗风性能。1973年，土耳其修建了Bosporus桥，主跨1074m。1981年，英国建成主跨1410m的Humber桥。1988年，丹麦修建了主跨1624m的Great Belt桥。但20世纪的悬索桥跨径纪录并未在欧洲保持很久，20世纪末，日本一举建成的主跨1991m的Akashi Kaikyo桥成为新的世界纪录，一直保持至今。20世纪欧洲的悬索桥主要以英国为代表，其风格和特点主要是采用流线型扁平钢箱梁作为加劲梁，索夹分为上下两半并用垂直于主缆的高强螺栓紧固，桥塔则主要采用焊接钢结构或者钢筋混凝土结构。 20世纪的欧洲和美国无疑是世界悬索桥建设的两大中心。但第二次世界大战之后，日本成为亚洲悬索桥建设的新星［1］。日本悬索桥建设起步于50年代，1960年建成小鸣门桥，1962年建成若户大桥，而1973年建成的主跨712m的关门桥位于本州和九州之间，受美国高加劲桁架、不参与纵向受力的桥面和有剪力撑的钢塔等传统特征的影响很大，但在其施工中引进了预制平行丝股（prefabricated parallel wire strand，PPWS）技术，并进一步加以推广发展。PPWS技术*早出现在20世纪60年代末美国Claiborne Pell Newport桥的施工中，由当时的钢铁公司研制而成。PPWS技术克服了丝股对温度的较高敏感性问题，减少了现场工作量，使主缆丝股架设更加稳定和安全。80年代以后，日本又建设了一批大跨悬索桥，如因岛大桥（主跨770m，1983年）、大鸣门桥（主跨876m，1985年）、下津井濑户大桥（主跨940m，1988年）、南备赞濑户大桥（主跨1100m，1988年）、北备赞濑户大桥（主跨990m，1988年）、明石海峡大桥（主跨1991m，1998年）及来岛**大桥、来岛第二大桥、来岛第三大桥（主跨分别为600m、1020m、1030m，1999年）。这些悬索桥直接贯通日本本州、四国、九州三岛，对日本的经济发展起到了重要作用。 这一阶段的悬索桥设计理论已逐步发展到有限位移理论的阶段。随着计算机技术和有限元理论的飞速发展，有限位移理论逐步发展为大跨悬索桥强有力的分析工具，其摒弃了挠度理论中过多的假设条件，可以更真实地模拟实际结构，结果也更为可靠，而且数值风洞的发展也推动了大跨悬索桥的建设与发展。丹麦的Great Belt桥、日本的Akashi Kaikyo桥、我国的江阴长江公路大桥也都基于有限位移理论。 1.1.2 国内悬索桥的发展 虽然我国的悬索桥历史悠久，但是现代悬索桥发展起步较晚。20世纪50年代开始，先后建成了四川大渡河泸定桥（主跨165m，1951年）、重庆朝阳桥（主跨186m，1969年）、汕头海湾大桥（主跨452m，1984年）、西藏达孜桥（主跨415m，1985年）等一批大跨径悬索桥。直到90年代，我国悬索桥建设才进入高峰期，海沧大桥（648m，1999年）、虎门大桥（主跨888m，1997年）、西陵长江大桥（主跨900m，1996年）、青马大桥（1377m，1997年）、江阴长江大桥（主跨1385m，1999年）等悬索桥在短短十年间相继建成。这些悬索桥的建成填补了我国现代悬索桥事业的技术空白，也证明了中国在建造大跨径悬索桥方面已步入世界先进行列，为我国21世纪悬索桥的大发展奠定了基础。 进入21世纪之后，我国加快了悬索桥建设的步伐，现已成为世界悬索桥建设的中心，相继建成的千米级跨径悬索桥共24座，见表1.1，西堠门大桥、南沙大桥、杨泗港长江大桥等超大跨悬索桥的建成，彰显了我国悬索桥建设所取得的辉煌成就。在建的千米级悬索桥近十座，更是显示了我国桥梁事业的大发展以及综合国力的提升。*新规划的张皋过江通道的拟建方案中，主航道桥是主跨2300m的超大跨悬索桥，建成后将超过土耳其在建的恰纳卡莱大桥（主跨2023m），成为世界**跨度的悬索桥。 表1.1 21世纪我国千米级悬索桥 1.2 悬索桥主缆找形的研究现状 自19世纪起现代悬索桥逐步发展起来，其计算理论研究始于18世纪末19世纪初Fuss研究抛物线缆的问题。悬索桥的计算理论在发展过程中采用了不同的基本假定，经过了弹性理论、挠度理论、有限位移理论三个阶段［2］。随着理论的发展，悬索桥的分析方法和工具也都逐渐多样化起来，使得设计更加安全和经济。 悬索桥作为典型的缆索承重体系之一，缆索系统是其设计与施工中的关键，吊杆将加劲梁系于主缆上，主缆承担加劲梁的恒载，同时又将力传递到桥塔，其端部的拉力又通常依靠巨大的锚碇来保持稳定。主缆线形的设计与计算问题，也称主缆找形，是悬索桥在设计和施工中的首要问题之一。悬索桥的主缆线形不仅关乎