懸索橋總體設計

1、懸索橋的總體設計懸索橋適用于大跨度的橋梁結(jié)構(gòu)。橋面是由鋼纜和吊索來承受，作為橋面主要結(jié)構(gòu)物的加勁梁的跨度相當于吊索的間距成為一個小跨度的彈性支承連續(xù)梁，所以主跨的大小與加勁梁剛度沒有很直接的關(guān)系。而作為承受橋面的關(guān)鍵構(gòu)件的銅纜是由塔支承著并由強大的錨碇錨固著，只有塔和錨碇的穩(wěn)定才能使鋼纜來承受橋面上的各種荷載。因此，懸索橋在適合的地形、水文和地質(zhì)條件下都可以建造，只是造價比較高。往往適用于其他橋型難以適用的特大跨徑橋梁。以目前來說，當主跨超過700m的橋，幾乎都是懸索橋（已建成的其他橋型只有斜拉橋，主跨為890m的多多羅橋和856m的諾曼底橋）。而小于700mm的跨徑中，懸索橋和斜拉橋還是有很

2、大的競爭力，有好的地質(zhì)條件，錨往比較容易建造，如汕頭海灣橋和鵝公巖長江大橋；有時有特殊要求，如廈門海滄橋和日本東京灣的彩虹橋航空的限高和航運要求的通航凈空，迫使他們選用懸索橋，因為懸索橋的塔高是斜拉橋的1/2；在施工過程中，懸索橋始終在一個靜定穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)下，容易控制，風險小，也使一些人偏愛懸索橋的原因。表1列出40余座世界大跨度懸索橋的主要尺寸。橋梁總體設計是一個很復雜的問題，首先要適應地形、水文、地質(zhì)等自然條件的限制，也要符合橋面交通和通航的使用要求。本文主要以50年代以后建的懸索橋進行分析，因為它們充分吸取Tacoma大橋被風吹毀的教訓，以下討論的參數(shù)僅僅是一般情況的參考值，對于有特殊條

3、件和特殊要求不必苛求。 一、跨度比跨度比是指邊孔跨度與主孔跨度的比值。其中對單跨懸索橋而言邊孔跨度可視為主塔至錨碇散索鞍處的距離跨度比受具體橋位處的地形與地質(zhì)條件制約，每座橋都不同。如三跨懸索橋的跨度比就比單跨懸索橋的大一些，這是為了減少邊孔的水中墩并減少主孔跨徑。由以上兩表看來，三跨懸索橋跨度比一般在0.2504之間，但世界上最大的懸索橋-明石海峽大橋在051。單跨懸索橋跨度比一般在0.203之間。為了使在恒載條件下，主纜在塔兩側(cè)的水平力相等，要求主纜與塔兩側(cè)的傾角相等，單跨的懸索橋的邊跨主纜是直拉式，因此，一般情況單跨的邊主跨比應該比三跨懸索橋小，單跨的邊跨跨徑與散索鞍位置還有很大的關(guān)系。

4、從結(jié)構(gòu)特性方面來考慮，假設主孔的跨度以及垂跨比等皆為定值，在用鋼塔時懸索橋單位橋長所需的鋼材重量隨跨度比減小而增大；當用鋼筋混凝土塔時，跨度比減少增加的延米用鋼量很小，當跨度比由0503時，增加用鋼量約5，跨度越大時，增加鋼用量的百分比越小。二、垂跨比懸索橋的垂跨比是指主纜在主孔內(nèi)的垂度和主孔跨度的比值，垂跨比的大小對主纜中的拉力有很大的影響，因此它在較大程度上影響著主纜的用鋼量、結(jié)構(gòu)整體剛度、主孔豎向和橫向的撓度。垂跨比與主纜中的拉力和塔承受的壓力呈反比。垂跨比與塔的高度也有直接影響，它們呈正比關(guān)系。垂跨比越大，懸索橋豎向撓度和橫向撓度都加大。一般都在110111之間，鐵路橋更小一些。懸索橋

5、的主纜垂跨比除了對結(jié)構(gòu)整體剛度有影響以外，它對結(jié)構(gòu)振動特性也有一定的影響。懸索橋的豎向彎曲固有頻率b將隨垂跨比的加大而減低；懸索橋的扭轉(zhuǎn)固有頻率；將隨垂跨比的加大而增高；懸索橋扭轉(zhuǎn)與堅彎固有頻率比 也將隨垂跨比的加大而有顯著的增大；懸索橋的極慣距將隨垂跨比的加大而減小。三、寬跨比寬跨比是指橋梁上部結(jié)構(gòu)的梁度（或主纜中心距）與主孔跨度的比值，對于一般橋型的中小跨度而言，可控制在大于1/30左右，有足夠的橫向剛度。由于橋梁寬度一般由交通要求確定的，對于特大跨度橋梁就很難保證這個要求了。在統(tǒng)計的懸索橋資料中1000m以上跨徑的寬跨比都小于1/30，甚至達160，雖然有些橋梁為了增加抗風穩(wěn)定性，在風嘴

6、外側(cè)再增加挑板或在中央分隔加寬并透風。從表面上來看是加了梁寬，但實際是改善氣流條件，增加抗風穩(wěn)定性而不是為了增加橫向剛度的。四、加勁梁的高寬比與高跨比加勁梁的梁高和梁寬之比與梁高與主孔跨度之比是密切相關(guān)的兩個指標，由于加勁梁的受力狀態(tài)是多跨彈性支承連續(xù)梁，看來梁高和主孔跨徑不是那么密切，但是從風動穩(wěn)定性來看，還要考慮加勁梁要有足夠的抗扭剛度，以抵抗渦激共振的發(fā)生。加勁梁常有桁架式和箱梁式。80年代以前建成的懸索橋以抗架梁為主，它對布置雙層橋面的適應性較好，有的下層是鐵路，加勁梁的梁高在7514m，高跨比為11801/70。（詳見表1）在過去不需要雙層交通時，也有用箱梁和板梁斷面。特別是Taco

7、ma橋由于采用版梁斷面，流線型很差，在不大的風速下被風吹得扭曲失穩(wěn)而破壞。1966年塞文橋首次采用了箱梁為加勁梁，80年代，英國亨伯橋成功地建成，以后單層橋面的加勁梁多數(shù)采用箱梁。加勁梁高一般在254.5m，箱形梁的高跨比大體在14001/300，為了有比較好的流線型，加勁梁的高寬比一般在1/7111（詳見表1）。但是81年建成的亨伯橋和1997年建成的瑞典高海岸橋橋?qū)挾紴?2m，梁高達454m。實際上高寬比和高跨比是存在一定的矛盾的。在橋面寬度確定以后，梁高小一些，斷面的流線型可以好一些，有利于風動穩(wěn)定，但高度太小會導致加勁梁的抗扭剛度削弱太多，容易導致渦振和抖振的發(fā)生產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞，人感不適

8、及行車不安全。為此還要控制高跨比。在設計中初選加勁梁斷面方案后，對于特大橋應做風洞的節(jié)段模型試驗，修改斷面、測定各種參數(shù)進行抗風驗算和各類風振分析。特別要注意風向帶有一定攻角時，加勁梁斷面的流線型鈍化，風動穩(wěn)定性要差一些。對于特大跨度的橋或高風速地區(qū)的橋梁，采用如同墨西拿海峽大橋方案，做成左右兩個能適應風流線型的橋面系，利用寬的中央分隔帶透風解決風動穩(wěn)定。五、加勁染的支承體系加勁梁的支承體系主要有主跨單孔簡支，主邊跨三孔連續(xù)或三跨雙鉸以及兩跨簡支或連續(xù)。三跨連續(xù)能減小橋面變形，包括支座處的轉(zhuǎn)角、伸縮量和跨中撓度，但結(jié)構(gòu)較復雜，多用于鐵路橋梁中。但是邊跨采用鋼加勁梁，邊跨的造價大約是預應力混凝土連續(xù)梁的兩倍所以國內(nèi)公路懸索橋邊跨多用預應力混凝土連續(xù)梁。為了進一步減少跨中撓度和加勁梁伸縮量，1959年法國Tancarville橋首創(chuàng)采用主跨叫點將主纜和加勁梁直接固結(jié)的方法。相當于增加一個半剛性的支承點，使用這種方法使該橋可以減少非對稱荷載作用下