自錨式懸索橋的綜述

1、自錨式懸索橋的綜述     摘要： 介紹自錨式懸索橋的特點(diǎn)、歷史及國內(nèi)外發(fā)展情況。重點(diǎn)分析了鋼筋混凝土橋的設(shè)計(jì)和發(fā)展，并對其施工工藝做了簡單介紹?？偨Y(jié)展望了自錨式懸索橋的發(fā)展空間及其需進(jìn)一步研究的問題。關(guān)鍵詞： 懸索橋；自錨式體系；施工；實(shí)例一、前言一般索橋的主要承重構(gòu)件主纜都錨固在錨碇上，在少數(shù)情況下，為滿足特殊的設(shè)計(jì)要求，也可將主纜直接錨固在加勁梁上，從而取消了龐大的錨碇，變成了自錨式懸索橋。過去建造的自錨式懸索橋加勁梁大多采用鋼結(jié)構(gòu)，如1990 年通車的日本此花大橋，韓國永宗懸索橋、美國舊金山奧克蘭海灣新橋、愛沙尼亞穆胡島橋墩等。2002

2、年7月在大連建成了世界上第一座鋼筋混凝土材料的自錨式懸索橋金石灘金灣橋墩，為該類橋墩型的研究提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。此后在吉林、河北、遼寧又有4座鋼筋混凝土自錨式懸索橋正在設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)和建造中。自錨式懸索橋有以下的優(yōu)點(diǎn)：不需要修建大體積的錨碇，所以特別適用于地質(zhì)條件很差的地區(qū)。因受地形限制小，可結(jié)合地形靈活布置，既可做成雙塔三跨的懸索橋，了可做成單塔雙跨的懸索橋。對于鋼筋混凝土材料的加勁梁，由于需要承受主纜傳遞的壓力，剛度會提高，節(jié)省了大量預(yù)應(yīng)力構(gòu)造及裝置，同時(shí)也克服了鋼在較大軸向力下容易壓屈的缺點(diǎn)。采用混凝土材料可克服以往自錨式懸索橋用鋼量大、建造和后期維護(hù)費(fèi)用高的缺點(diǎn)，能取得很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效

3、益。保留了傳統(tǒng)懸索橋的外形，在中小跨徑橋梁中是很有競爭力的方案。由于采用鋼筋混凝土材料造價(jià)較低，結(jié)構(gòu)合理，橋梁外形美觀，所以不公局限于在地基很差、錨碇修建軍困難的地區(qū)采用。自錨式懸索橋也不可避免地有其自身的缺點(diǎn)：由于主纜直接錨固在加勁梁上，梁承受了很大的軸向力，為此需加大梁的截面，對于鋼結(jié)構(gòu)的加勁梁則造價(jià)明顯增加，對于混凝土材料的加勁梁則增加了主梁自重，從而使主纜鋼材用量增加，所以采用了這兩種材料跨徑都會受到限制。施工步驟受到了限制，必須在加勁梁、橋塔做好之后再吊裝主纜、安裝吊索，因此需要搭建大量臨時(shí)支架以安裝加勁梁。所以自錨式懸索橋若跨徑增大，其額外的施工費(fèi)用就會增多。錨固區(qū)局部受力復(fù)雜。

4、相對地錨式懸索橋而言，由于主纜非線性的影響，使得吊桿張拉時(shí)的施工控制更加復(fù)雜。二、歷史回顧19世紀(jì)后半葉，奧地利工程師約瑟夫。朗金和美國工程師查理斯。本德分別獨(dú)立地構(gòu)思出自錨式懸索橋的造型。本德在1867年申請了專利，朗金則在1870年在波蘭建造了一座小型的鐵路自錨式懸索橋。到20 世紀(jì)，自錨式懸索橋已經(jīng)在德國興起。1915年，德國設(shè)計(jì)師在科隆的萊茵河上建造了第一座大型自錨式懸索橋科隆-迪茲橋，當(dāng)時(shí)主要是因?yàn)榈刭|(zhì)條件的限制而使工程師們選擇了這種橋型，該橋主跨185m，用木腳手架支撐鋼梁直到主纜就位。此后，美國賓夕尼亞州的匹茲堡跨越阿勒格尼河的3座橋和在日本東京修建的清洲橋都受科隆-迪茲橋的影響

5、。雖然科隆-迪茲橋1945年被毀，但原橋臺上的鋼箱梁仍保存至今。匹茲堡的3座懸索橋比科隆-迪茲橋的跨徑要小，但施工技術(shù)比科隆-迪茲橋有了很大的進(jìn)步?？坡?迪茲橋建成后的25年內(nèi)在德國萊茵河上又修建了4座懸索橋，其中最著名的是1929年建成的科隆-米爾海姆橋，該橋主跨315m，雖然該橋在1945年被毀，但它至仍然保持著自錨式懸索橋的跨徑記錄。在20世紀(jì)30年代，工程師們認(rèn)為自錨式懸索橋加勁梁的軸力將使該種橋梁的受力性能接近于彈性理論，所以這段時(shí)間美國德國修建了許多座自錨式懸索橋。三、國外現(xiàn)代自錨式懸索橋1、 日本此花大橋日本此花大橋原名大阪北港連絡(luò)橋，是現(xiàn)有的最早修建的特大跨徑自錨式懸索橋，又是

6、世界上唯一的英國式自錨式懸索橋。1990年通車?？鐝讲贾脼椋?20+300+120）m，是現(xiàn)有最大跨徑的自錨式懸索橋。垂跨比叫大，為1/6，以減小主纜的索力，使能為梁所承受。該橋采用單主纜，用PWS法施工，包含30束股，每束184絲。僅一個(gè)索面，吊索做成傾斜形，構(gòu)成三角形吊桿，與鋼箱加勁梁一起，體現(xiàn)了英國式懸索橋的特點(diǎn)。2 韓國永宗大懸索橋永宗大懸索橋位于韓國漢城仁川國際機(jī)場通往漢城市區(qū)的高速公路上，是世界上第一座雙層行車的公鐵兩用自錨式縣索橋。跨徑布置為125+300+125m，主跨徑與日本此花大橋相同。垂跨比為1/5，以減小主纜索力。加勁梁三跨連續(xù)，其腹板及行駛鐵路部分的下層為桁架。梁總高

7、12m，寬35m.上層設(shè)6個(gè)車道；下設(shè)4個(gè)車道及雙線鐵路。加勁梁的上層橋面系為一鋼箱，以承受巨大的水平軸力。箱高3m，連同風(fēng)嘴，總寬41m.梁的施工，分為8個(gè)節(jié)段，用3000t的海上浮吊架設(shè)，全部放在臨時(shí)排架或塔上，然后安設(shè)吊索。防護(hù)體系，加勁梁采用抽濕防護(hù)，只要有一個(gè)傳感器測得相對濕度高于50%時(shí)，抽濕系統(tǒng)自動開始一切工作，直至相對濕度降至40%以下。主纜防護(hù)采用S形鋼絲纏繞，再設(shè)涂裝，并采用干燥空氣體系，與日本明石海峽大橋相同。3、 美國舊金山奧克蘭海灣新橋上部結(jié)構(gòu)為兩個(gè)空心的各向異性版，并將吊桿荷載分布在箱梁上，箱梁間用寬10m、高2.5m、間距30m的橫梁連接。該橫梁承受吊桿橫向72m

8、跨的荷載，保證兩箱在荷載、特別是風(fēng)和地震荷載時(shí)的整體作用。吊桿設(shè)在兩箱的外側(cè)，形成兩空間索面，很美觀。4、 其它自錨式懸索橋四、國內(nèi)自錨式懸索橋盡管自錨式懸索橋在國處產(chǎn)生發(fā)展較早，在國內(nèi)卻很少建造，相關(guān)文獻(xiàn)也很少，使這種橋型在國內(nèi)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。2002年在大連建成了世界上第一座加勁梁采用鋼筋混凝土材料的自錨式懸索橋，此后大連理工大學(xué)橋梁研究所又設(shè)計(jì)了多座鋼筋混凝土自錨式懸索橋，為國內(nèi)橋梁的建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。1 大連金石灘金灣懸索橋金石灘金灣懸索橋是我國，也是世界上第一座鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的自錨式懸索橋，位于大連金石灘旅游度假區(qū)的濱海路上，橫跨帆船港池入海口，已成為當(dāng)?shù)氐囊惶幪厥饩坝^。金

9、石灘懸殊索橋采用了新的結(jié)構(gòu)形式，總造價(jià)只有498萬元，不但取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且其獨(dú)特的設(shè)計(jì)為美麗的海濱城市大連又增添了一處亮麗的風(fēng)景，同時(shí)也為該類橋型的建造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。2、浙江省平湖市海鹽塘橋平湖海鹽塘自錨式懸索橋充分利用自錨式懸索橋的受力特性，借鑒了同類橋梁的一些優(yōu)點(diǎn)，并經(jīng)過改進(jìn)。其主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：主纜錨于梁端，不需要建造昂貴的錨碇；主梁采用了鋼筋混凝土箱梁，利用主纜的水平分力，為主梁施加免費(fèi)預(yù)應(yīng)力，主梁內(nèi)不再配置預(yù)應(yīng)力鋼束；塔頂不設(shè)置鞍座，主纜直接錨固在塔頂上。這種橋型結(jié)構(gòu)新穎，造型美觀，結(jié)構(gòu)輕巧，構(gòu)件受力合理，用材經(jīng)濟(jì)，造價(jià)比同等跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、部分斜拉橋都要

10、低，是一種在中小跨徑內(nèi)非常具有競爭力的橋型。五、自錨式懸索橋的受力分析1、 受力原理自錨式懸索橋的上部結(jié)構(gòu)包括：主梁、主纜、吊桿、主塔四部分。傳力路徑為：橋面重量、車輛荷載等豎向荷載通過吊桿傳至主纜承受，主纜承受拉力，而主纜錨固在梁端，將水平力傳遞給主梁。由于懸索橋水平力的大小與主纜的矢跨比有關(guān)，所以可以通過矢跨比的調(diào)整來調(diào)節(jié)主梁內(nèi)水平力的大小，一般來講，跨度較大時(shí)，可以適當(dāng)增加其矢跨比，以減小主梁內(nèi)的壓力，跨度較小時(shí)，可以適當(dāng)減小其矢跨比，使混凝土主梁內(nèi)的預(yù)壓力適當(dāng)提高。由于主纜在塔頂錨固，為了盡量減少主塔承受的水平力，必須保證邊跨主纜內(nèi)的水平力與中跨主纜產(chǎn)生的水平力基本相等，這可以通過合理

11、的跨徑比來調(diào)節(jié)，也可以通過改變主纜的線形來調(diào)節(jié)。另外，自錨式懸索橋中的恒載由主纜來承受，而活載還需要由主梁來承受，所以主梁必須有一定的抗彎剛度，主梁的形式以采用具有一定抗彎剛度的箱形斷面較為合適。2、 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用自錨式結(jié)構(gòu)體系，和地錨式相比可以不考慮地質(zhì)條件的影響，而且由于免去了巨大的錨錠，降低了工程造價(jià)。采用自錨，將主纜錨固于加勁梁之上，相比同等跨徑的其他橋型，更有其特有的曲線線形，外觀優(yōu)雅，而且現(xiàn)代橋梁除了滿足自身的結(jié)構(gòu)要求外，也越來越注重景觀設(shè)計(jì)，其發(fā)展前途很大。自錨式懸索橋采用混凝土加勁梁，雖然增加了體系的自重，但也增加了體系的剛度，在一定的跨度允許范圍內(nèi)，使橋梁的安全性指標(biāo)、適用性

12、指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、美觀性指標(biāo)得到了完美的統(tǒng)一。對結(jié)構(gòu)受力而言，由于采用了自錨體系，將索錨固于主梁上，利用主梁來抵抗水平軸力，對于混凝土這種抗壓性能好的材料來說無疑是相當(dāng)于提供了。免費(fèi)的。預(yù)應(yīng)力。因此采用的是普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)省了大量的預(yù)應(yīng)力器具，而且又由于混凝土材料相對于鋼材料的經(jīng)濟(jì)性，工程造價(jià)大大減少。但是由于混凝土的抗拉、彎的性能較差，所以對其進(jìn)行受力分析時(shí)應(yīng)綜合考慮這個(gè)特點(diǎn)。由于自錨式懸索橋的主纜拉力是傳遞給橋梁本身，而不是錨錠體，主纜拉力的水平分力在橋梁的上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生壓力，如果兩端不受約束的話，其垂直分力將使橋梁的兩端產(chǎn)生上拔力。例如金石灘懸索橋橋采用了兩種辦法來抵抗這種上拔力：

13、一是在錨塊處設(shè)置拉壓支座；二是在主橋和引橋的交接處設(shè)置牛腿，從而將引橋的重量壓在主梁上。由于主梁采用混凝土材料，設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)必須計(jì)入混凝土的收縮）徐變等因素的影響，這就使得混凝土自錨式懸索橋的設(shè)計(jì)較鋼橋更為復(fù)雜。六、施工工藝1、主塔施工懸索橋一般主塔較高，塔身大多采用翻模法分段澆筑，在主塔連結(jié)板的部位要注意預(yù)留鋼筋及模板支撐預(yù)埋件。對于索鞍孔道頂部的混凝土要在主纜架設(shè)完成后澆筑，以方便索鞍及纜索的施工。主塔的施工控制主要是垂直度監(jiān)控，每段混凝土施工完畢后，在第二天早晨8：00至9：00間溫度相對穩(wěn)定時(shí)，利用全站儀對塔身垂直度進(jìn)行監(jiān)控，以便調(diào)整塔身混凝土施工，應(yīng)避免在溫度變化劇烈時(shí)段進(jìn)行測試，同

14、時(shí)隨時(shí)觀測混凝土質(zhì)量，及時(shí)對混凝土配比進(jìn)行調(diào)整。2、鞍部施工檢查鋼板頂面標(biāo)高，符合設(shè)計(jì)要求后清理表面和四周的銷孔，吊裝就位，對齊銷孔使底座與鋼板銷接。在底座表面進(jìn)行涂油處理，安裝索鞍主體。索鞍由索座、底板、索蓋部分組成，索鞍整體吊裝和就位困難；可用吊車或卷揚(yáng)設(shè)備分塊吊運(yùn)組裝。索鞍安裝誤差控制在橫向軸線誤差最大值3mm標(biāo)高誤差最大值3mm.吊裝入座后，穿入銷釘定位，要求鞍體底面與底座密貼，四周縫隙用黃油填實(shí)。3、 主梁澆筑主梁混凝土的澆筑同普通橋一樣，首先梁體標(biāo)高的控制必須準(zhǔn)確，要通過精確的計(jì)算預(yù)留支架的沉降變形；其次，梁體預(yù)埋件的預(yù)埋要求有較高的精度，特別是拉桿的預(yù)留孔道要有準(zhǔn)確的位置及良好的

15、垂直度，以保證在正常的張拉過程中拉桿始終位于孔道的正中心。主梁澆筑順序應(yīng)從兩端對稱向中間施工，防止偏載產(chǎn)生的支架偏移，施工時(shí)以水準(zhǔn)儀觀測支架沉降值，并詳細(xì)記錄。待成型后立即復(fù)測梁體線型，將實(shí)際線型與設(shè)計(jì)線型進(jìn)行比較，及時(shí)反饋信息，以調(diào)整下一步施工。4、索部施工（1）主纜架設(shè)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主纜架設(shè)可以采取在便橋或已澆筑橋面外側(cè)直接展開，用卷揚(yáng)機(jī)配合長臂汽車吊從主梁的側(cè)面起吊安裝就位。纜索的支撐：為避免形成絞，將成圈索放在可以旋轉(zhuǎn)的支架上。在橋面每4-5m，設(shè)置索托輥（或敷設(shè)草包等柔性材料。），以保證索縱向移動時(shí)不會與橋面直接摩擦造成索護(hù)套損壞。因錨端重量較大，在牽引過程中采用小車承載索錨端。纜索

16、的牽引：牽引采用卷揚(yáng)機(jī)，為避免牽鋼絲繩過長，索的縱向移動可分段進(jìn)行，索的移動分三段，分別在二橋塔和索終點(diǎn)共設(shè)三臺卷揚(yáng)機(jī)。纜索的起吊：在塔的兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向滑車，卷揚(yáng)機(jī)固定在引橋橋面上主橋索塔附近，卷揚(yáng)機(jī)配合放索器將索在橋面上展開。主要用吊車起吊，提升時(shí)避免索與橋塔側(cè)面相摩擦。當(dāng)索提升到塔尖時(shí)將索吊入索鞍。在主索安裝時(shí)，在橋側(cè)配置了3臺吊機(jī)，即錨固區(qū)提升吊機(jī)、主索塔頂就位吊機(jī)和提升倒鏈。當(dāng)拉索錨固端牽引到位時(shí)，用錨固區(qū)提升吊機(jī)安裝主索錨具，并一次錨固到設(shè)計(jì)位置，吊機(jī)起重力在5t 以上；主索塔頂就位吊機(jī)是在兩座塔的二側(cè)安置提升高度大于25m時(shí)起重力大于45t的汽車吊，用于將主索直接吊上塔頂索鞍就位，在

17、吊裝過程中為避免索的損傷，索上吊點(diǎn)采用專用索夾保護(hù)；主索在提升到塔頂時(shí)，由于主跨的索段比較長，為確保吊機(jī)穩(wěn)定，可在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候用塔上提升倒鏈協(xié)助吊裝。（2）主纜調(diào)整在制作過程中要在纜上進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)記。標(biāo)記點(diǎn)包括錨固點(diǎn)、索夾、索鞍及跨中位置等。安裝前按設(shè)計(jì)要求核對各項(xiàng)控制值，經(jīng)設(shè)計(jì)單位同意后進(jìn)行調(diào)整，按照調(diào)整后的控制值進(jìn)行安裝，調(diào)整一般在夜間溫度比較穩(wěn)定的時(shí)間進(jìn)行。調(diào)整工作包括測定跨長、索鞍標(biāo)高、索鞍預(yù)偏量、主索垂直度標(biāo)高、索鞍位移量以及外界溫度，然后計(jì)算出各控制點(diǎn)標(biāo)高。主纜的調(diào)整采用75t千斤頂在錨固區(qū)張拉。先調(diào)整主跨跨中纜的垂直標(biāo)高，完成索鞍處固定。調(diào)整時(shí)應(yīng)參照主纜上的標(biāo)記以保證索的調(diào)整范圍。主

18、跨調(diào)整完畢后，邊跨根據(jù)設(shè)計(jì)提供的索力將主纜張拉到位。（3）索夾安裝為避免索夾的扭轉(zhuǎn)，索夾在主索安裝完成后進(jìn)行。首先復(fù)核工廠所標(biāo)示的索夾安裝位置，確認(rèn)后將該處的PE護(hù)套剝除。索夾安裝采用工作籃作為工作平臺，將工作籃安裝在主纜上（或同普通懸索橋一樣搭設(shè)貓道），承載安裝人員在其上進(jìn)行操作。索夾起吊采用汽吊，索夾安裝的關(guān)鍵是螺栓的堅(jiān)固，要分二次進(jìn)行）索夾安裝就位時(shí)用扳手預(yù)緊，然后用扭力扳手第一次堅(jiān)固，吊桿索力加載完畢后用扭力扳手第二次緊固。索夾安裝順序是中跨從跨中向塔頂進(jìn)行，邊跨從錨固點(diǎn)附近向塔頂進(jìn)行。（4）吊桿安裝及加載吊桿在索夾安裝完成后立即安裝。小型吊桿采用人工安裝，大型吊桿采用吊車配合安裝。由

19、于自錨式懸索橋在荷載的作用下呈現(xiàn)出明顯的幾何非線性，因此吊桿的加載是一個(gè)復(fù)雜的過程。主纜相對于主梁而言剛度很小。如果吊桿一次直接錨固到位，無論是張拉設(shè)備的行程或者張拉力都很難控制而全橋吊桿同時(shí)張拉調(diào)整在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。為了解決這個(gè)問題，就必須根據(jù)主梁和主纜的剛度、自重采用計(jì)算機(jī)模擬的辦法，得出最佳加載程序。并在施工過程中，通過觀測，對張拉力加以修正。吊索張拉自塔柱和錨頭處開始使用8臺千斤頂對稱張拉。吊索底端冷鑄錨具，其錨杯鑄有內(nèi)外螺紋，內(nèi)螺紋用于連接張拉時(shí)的連接桿以便千斤頂作用，外螺紋用螺母連接后將吊桿固定于錨墊板上。由于主纜在自重狀態(tài)標(biāo)高較高，導(dǎo)致吊桿在加載之前下錨頭處于主梁梁體之內(nèi)，因此

20、在張拉時(shí)需配備臨時(shí)工作撐腳和連接桿。第一次張拉施加1/4的設(shè)計(jì)力將每一根吊桿臨時(shí)鎖定！第二次順序與第一次相同，按設(shè)計(jì)力張拉完，然后檢測每一根吊桿的實(shí)際荷載，最后根據(jù)設(shè)計(jì)力具體對每一根吊桿進(jìn)行微調(diào)。在吊索的張拉過程中，塔頂與鞍座一起發(fā)生位移！塔根承受彎矩！這樣有可能產(chǎn)生塔根應(yīng)力超限的危險(xiǎn)，為了不讓塔根應(yīng)力超限！張拉一定程度后，根據(jù)實(shí)際觀測及計(jì)算分析！進(jìn)行索鞍頂推，使塔頂回到原來無水平位移時(shí)的狀態(tài)，如此反復(fù)后！將每根吊索的張拉力調(diào)整至設(shè)計(jì)值。施工過程的控制對于自錨式混凝土懸索橋每一道工序的施工均非常重要，尤其在索部施工過程中每一階段每一根吊索的索力都要及時(shí)準(zhǔn)確的反饋。吊索張拉時(shí)千斤頂?shù)挠捅碜x數(shù)是一個(gè)直觀反映，另外利用智能信號采集處理分析儀通過對吊索的振動測出其所受的拉力，兩種方法互相檢驗(yàn)，確保張拉時(shí)每一根吊索的索力與設(shè)計(jì)相吻合。七、需要進(jìn)一步研究的問題（1）更優(yōu)越的施工方法的研究。例如將中跨主纜錨固在主梁的底部，用轉(zhuǎn)體施工，從而