第1 章 緒 論
1.1 概 述
隨著世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，交通運(yùn)輸在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用日益重要，洲際?海峽兩岸和陸島之間迫切需要修建大跨度?特大跨度或超長(zhǎng)跨度橋梁?橋梁工程的建設(shè)需求也逐步由跨越大江大河?河口寬闊水域?近海連島走向跨越海峽更廣闊水域，跨江越海大型橋梁工程建設(shè)方興未艾，這對(duì)建橋技術(shù)提出了更高的要求?
從目前橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，懸索橋是跨越能力最大的一種橋型?懸索橋是以懸索為主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁類型，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造包括基礎(chǔ)?橋塔?錨碇?主纜索?吊索?加勁梁和橋面等，其受力特征為荷載由吊索傳至主纜索，再由主纜索傳至錨碇，傳力途徑明確?由于懸索橋主要構(gòu)件主纜索承受拉力，材料利用效率高，更因近代懸索橋的主纜索采用高強(qiáng)鋼絲，跨越能力大，同時(shí)還以整體造型流暢美觀和施工安全快捷等優(yōu)點(diǎn)而倍受推崇?同600m 以上跨度的其他橋型相比，懸索橋具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力?因此，目前跨度超過(guò)千米的已建橋梁大多為懸索橋形式，從學(xué)術(shù)研究來(lái)說(shuō)，大跨度懸索橋的研究也是當(dāng)前橋梁學(xué)科中最重要與最活躍的領(lǐng)域之一?
我國(guó)在深厚覆蓋層地區(qū)規(guī)劃建設(shè)的跨江?跨湖通道不下數(shù)十條，其中江蘇境內(nèi)在2020 年前規(guī)劃建設(shè)跨長(zhǎng)江與太湖的通道為13 條，目前在建與待建的為8 條?在深厚覆蓋層地區(qū)建設(shè)特大跨度的懸索橋已經(jīng)成為我國(guó)交通高速發(fā)展的一個(gè)重要選擇?例如，目前在建的泰州長(zhǎng)江公路大橋位于長(zhǎng)江下游，河段兩岸均為長(zhǎng)江中下游沖積平原，土質(zhì)松軟，覆蓋層厚，基巖埋藏一般在180~190m，覆蓋層的厚度是目前國(guó)內(nèi)外橋梁建設(shè)均沒有遇到過(guò)的，且錨碇設(shè)置于長(zhǎng)江大堤之外，還需要考慮基礎(chǔ)開挖對(duì)堤壩的擾動(dòng)影響?因此，針對(duì)深厚覆蓋層錨碇進(jìn)行系統(tǒng)研究，既是實(shí)際工程需要，又可以形成系統(tǒng)的研究成果?這為我國(guó)深厚覆蓋層地區(qū)進(jìn)行錨碇的設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)支撐，提高我國(guó)橋梁建設(shè)水平?
1.2 懸索橋的發(fā)展
1.2.1 歷史上的懸索橋
懸索橋的構(gòu)思據(jù)說(shuō)來(lái)自“猴橋”，它是由若干強(qiáng)壯的猴子組成一條懸鏈來(lái)讓病猴或年老體衰的猴子通過(guò)的“橋梁”?最原始的人類懸索橋采用植物類的竹子或藤條來(lái)制造懸索，例如，早期熱帶原始人利用森林中藤?竹?樹莖做成懸式橋以渡小溪，使用的懸索有豎直的?斜拉的，還有兩者混合的，這就是早期懸索橋的雛形?17 世紀(jì)出現(xiàn)了最初利用鐵鏈作為懸索的橋梁，又如，1706 年在我國(guó)四川省大渡河上建成的由9 根鐵鏈組成的瀘定橋;另?yè)?jù)文獻(xiàn)史料記載，1734 年薩克森的軍隊(duì)遠(yuǎn)征但澤，途徑奧得河時(shí)，修建了西方第一座臨時(shí)鐵索橋;1741 年英國(guó)建成一座鐵鏈懸索橋，其跨度為21.34m，使用了61 年，毀壞于1802 年?而利用鋼纜繩?鋼鉸線和鋼絲等現(xiàn)代鋼材制造的懸索橋基本是進(jìn)入20世紀(jì)后才出現(xiàn)的?
1.2.2 現(xiàn)代懸索橋
現(xiàn)代懸索橋的發(fā)展經(jīng)歷了四次高峰?第一次發(fā)展高峰(以美國(guó)為代表)在20 世紀(jì)30 年代，以1931 年建成的紐約喬治 華盛頓(George Washington)橋(跨度首次突破千米，主跨1067m)和1937 年建成的舊金山金門(Golden Gate)大橋(主跨1280m)為代表，曾保持世界最大跨度記錄達(dá)27 年之久?
在經(jīng)歷了1940 年美國(guó)華盛頓州塔科馬(Tacoma)老橋的風(fēng)毀事故之后，大跨度懸索橋的修建停頓了10 年之久?但在此期間，針對(duì)懸索橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，引入了風(fēng)洞試驗(yàn)而使懸索橋的發(fā)展在20 世紀(jì)50 年代得到復(fù)蘇，并在20 世紀(jì)60 年代進(jìn)入第二次發(fā)展高峰(以美國(guó)和歐洲為代表)?在20 世紀(jì)60 年代建成了三座跨度超過(guò)千米的大橋，分別為1964年在紐約建成的維拉扎諾海峽(Verrazano-Narrows)橋(主跨1298m，超過(guò)金門大橋18m)?1964 年英國(guó)在蘇格蘭建成的福斯(Foth)公路橋(主跨1006m)?1966 年在葡萄牙首都里斯本建成的4 月25 日大橋(主跨1013m)?第二次發(fā)展高峰以美國(guó)的維拉扎諾海峽橋(主跨1298m)和英國(guó)的塞文(Seven)橋(主跨988m，首次采用鋼箱梁與斜吊橋而聞名)為代表?其中，前者為美國(guó)流派，后者為新型的英國(guó)流派?
在20 世紀(jì)七八十年代建成千米以上的大跨度懸索橋共有4 座，形成懸索橋發(fā)展史中的第三次高峰(以歐洲和日本為代表)，以1981 年英國(guó)建成的恒伯爾(Humber)橋(主跨1410m，破記錄)與1988 年在日本建成的南備贊大橋(主跨1100m，其公路鐵路合用的荷載規(guī)模與結(jié)構(gòu)規(guī)模當(dāng)時(shí)為世界第一)為代表?
進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代，首先是1998 年日本在本州-四國(guó)聯(lián)絡(luò)橋的后期建設(shè)中出現(xiàn)再度破跨度記錄的神戶至鳴門線上的明石海峽大橋(主跨 1990m)，以及尾道至今治線上的來(lái)島一橋?二橋和三橋，其中來(lái)島二橋(主跨1020m)和三橋(主跨1030m)的主跨都超過(guò)千米;其次是20 世紀(jì)90 年代初，中國(guó)也進(jìn)入發(fā)展懸索橋的隊(duì)伍之中，例如，在20 世紀(jì)末建成的江陰長(zhǎng)江大橋(主跨1385m)和1998 年建成的香港青馬大橋(主跨1377m)分別進(jìn)入世界大跨度橋梁序列中第四和第五位?在20 世紀(jì)90 年代修建的跨度超過(guò)千米的懸索橋有7 座(其中亞洲有5 座，歐洲有2 座)?從此，懸索橋的發(fā)展中心已從歐美移到亞洲，形成了懸索橋建設(shè)的第四次發(fā)展高峰?
1.2.3 懸索橋的發(fā)展趨勢(shì)
懸索橋的發(fā)展歷史證明，纖巧美觀的懸索橋是特大跨徑橋梁的合理結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)今排名世界前十跨度的大橋都是懸索橋，專家分析今后懸索橋的跨徑有望超過(guò)3000m?在21 世紀(jì)，懸索橋技術(shù)將會(huì)不斷向前發(fā)展并廣泛運(yùn)用到建橋?qū)嵺`中，其設(shè)計(jì)理論將會(huì)得到不斷完善，懸索橋的橋型將會(huì)得到不斷創(chuàng)新?
現(xiàn)代橋梁跨度的不斷增大與材料科學(xué)的進(jìn)步是密不可分的?隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)異的新型材料，如纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料，這類材料強(qiáng)度高?質(zhì)量輕，其中的碳纖維增強(qiáng)樹脂強(qiáng)度達(dá)到3000MPa，而質(zhì)量?jī)H為鋼材的 1/5?但這類高強(qiáng)材料如果用到大跨度懸索橋上，由于其自身重量小?重力剛度小，只有通過(guò)增加加勁梁和橋面系的重量，才能使得懸索橋達(dá)到一定的剛度，否則高強(qiáng)材料很難發(fā)揮作用，因此需要研究新型的結(jié)構(gòu)體系，才能充分發(fā)揮材料的抗拉性能?可以預(yù)見，隨著高強(qiáng)材料的應(yīng)用?新型結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)，懸索橋橋梁的跨度將會(huì)進(jìn)一步增大?
1.2.4 世界懸索橋現(xiàn)狀
迄今，美國(guó)?英國(guó)和日本是世界上的懸索橋大國(guó)，全球各類懸索橋的總數(shù)已超過(guò)100座?盡管美國(guó)在20 世紀(jì)60 年代之后修建的懸索橋相對(duì)較少，但它還是擁有與修建懸索橋最多的國(guó)家，其建成的跨度超過(guò)千米的懸索橋已有4 座，跨度超過(guò)500m 的有15 座以上?美國(guó)在懸索橋的發(fā)展上用了近百年的時(shí)間，技術(shù)相對(duì)成熟，為世界懸索橋的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?
美國(guó)?英國(guó)和日本這三大懸索橋大國(guó)，在設(shè)計(jì)和風(fēng)格等方面隨時(shí)代的發(fā)展各具特色，并自成流派?美國(guó)懸索橋的特點(diǎn):①主纜采用AS 法架設(shè);②加勁梁采用非連續(xù)的鋼桁梁，適應(yīng)雙層橋面，并在橋塔處設(shè)有伸縮縫;③橋塔采用鉚接或栓接鋼結(jié)構(gòu);④吊橋采用豎直的4 股騎跨式;⑤索夾分為左右兩半，在其上下采用水平高強(qiáng)螺栓緊固;⑥鞍座采用大型鑄鋼鐵;⑦橋面板采用RC 構(gòu)件?
英國(guó)懸索橋的特點(diǎn):①采用流線型扁平鋼箱梁作為加勁梁;②早期采用鉸接斜吊索，后期改為豎直吊索;③索夾分為左右兩半，在其兩側(cè)采用垂直于主纜的高強(qiáng)螺栓緊固;④橋塔采用焊接鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);⑤鋼橋面板采用瀝青混合料鋪裝?
日本懸索橋的特點(diǎn):①采用預(yù)制平行鋼絲索固架設(shè)主纜，簡(jiǎn)稱PWS 法;②加勁梁主要沿襲美國(guó)流派的鋼桁梁形式，但近年來(lái)對(duì)非雙層橋面的梁體已轉(zhuǎn)向采用流線型扁平鋼箱梁;③吊橋采用豎直的4 股騎跨式，不接受英國(guó)流派的斜吊索;④橋塔采用鋼結(jié)構(gòu)，主要采用焊接方式;⑤鞍座采用鑄焊混合方式;⑥采用鋼橋面板瀝青混合鋪裝橋面;⑦主纜索股與錨碇內(nèi)鋼構(gòu)架采用預(yù)應(yīng)力工藝錨固?
除了美國(guó)?英國(guó)和日本三個(gè)懸索橋大國(guó)，世界其他國(guó)家(包括中國(guó))對(duì)加勁梁基本上采用英國(guó)流派的流線型扁平鋼箱梁形式，而對(duì)吊索仍然保持美國(guó)流派的豎直形式?表1-1 給出世界各國(guó)已建成的大跨度懸索橋的概要資料，供讀者參考?
1.3 懸索橋的類型與構(gòu)造
1.3.1 懸索橋的基本類型
懸索橋又名吊橋，指的是以通過(guò)索塔懸掛并錨固于兩岸(或橋兩端)的纜索(或鋼鏈)作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁?其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線?從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設(shè)置加勁梁，與纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形?
懸索橋的構(gòu)造方式是19 世紀(jì)初發(fā)明的，現(xiàn)在許多橋梁使用這種結(jié)構(gòu)形式?現(xiàn)代懸索橋是由索橋演變而來(lái)的，適用范圍以大跨度及特大跨度公路橋?yàn)橹鳎��?dāng)今大跨度橋梁全采用此結(jié)構(gòu)?
懸索橋的類型一般按懸吊跨數(shù)?主纜錨固方式和懸吊方式等方面加以分類?
1)按懸吊跨數(shù)分類
按懸吊跨數(shù)可分為單跨懸索橋?三跨懸索橋?四跨懸索橋和五跨懸索橋?其中，單跨懸索橋和三跨懸索橋最為常用?
(1)單跨懸索橋?單跨懸索橋常用于高山峽谷地區(qū)，兩岸地勢(shì)較高，采用橋墩支承邊跨更為經(jīng)濟(jì)，或者道路的接線受到限制，使得平面曲線布置不得不進(jìn)入大橋邊跨?就結(jié)構(gòu)特性而言，單跨懸索橋由于邊跨主纜的垂度較小，主纜長(zhǎng)度相對(duì)較短，對(duì)中跨荷載變形控制更為有利?
(2)三跨懸索橋?三跨懸索橋是當(dāng)今實(shí)際工程中采用最多的橋型，世界上大跨度懸索橋幾乎都采用此種橋型，一方面其結(jié)構(gòu)受力特性比較合理，另一方面其流暢對(duì)稱的建筑造型更能迎合人們的審美觀念?
(3)多跨橋懸索橋?相對(duì)于三跨懸索橋，四跨或五跨懸索橋又稱為多跨懸索橋?鑒于此類橋型結(jié)構(gòu)柔性大?固有振動(dòng)頻率較低，難以滿足特大跨度懸索橋的受力及控制變形的剛度需要，也就不具備實(shí)際采用的優(yōu)勢(shì)，目前世界上還沒有此類橋型的特大跨度橋的工程實(shí)例?
2)按主纜的錨固方式分類
按照錨固的形式來(lái)分，懸索橋主要有自錨式懸索橋和地錨式懸索橋兩種?地錨式懸索橋錨于重力式混凝土塊或巖洞中混凝土錨塊上，錨于重力式混凝土塊上的錨碇稱為重力式錨碇，錨于巖洞中混凝土錨塊上的錨碇稱為隧道式錨碇?
(1)自錨式懸索橋?自錨式懸索橋的主纜在邊跨兩端將主纜直接錨固于加勁梁上，主纜的水平拉力由加勁梁提供，軸向壓力自相平衡，無(wú)需另外設(shè)置錨碇?在較小跨度的懸索橋中，也有以自錨式錨固主纜的?但是由于此種橋型的加勁梁要先于主纜安裝施工，實(shí)踐中因施工困難?經(jīng)濟(jì)性較差，一般極少推薦采用?
(2)地錨式懸索橋?目前已建或在建的絕大多數(shù)懸索橋均采用地錨式錨固主纜?地錨式懸索橋的主纜通過(guò)重力式錨碇或隧道式錨碇將荷載產(chǎn)生的拉力傳至地基來(lái)達(dá)到大橋的受力平衡?此類錨固形式也是大跨度懸索橋最佳的受力方式?
此外，從懸吊方式上分還有雙鏈?zhǔn)胶托崩?懸吊混合形式的懸索橋?前者用于中小跨度的懸索橋，后者作為發(fā)展特大跨度懸索橋，學(xué)術(shù)界也進(jìn)行了探討?
1.3.2 懸索橋的構(gòu)造
懸索橋上部結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件為橋塔?主纜和加勁梁，以及吊索?鞍座?索夾等，而主纜兩端的錨碇(錨固體)通常視為下部結(jié)構(gòu)?
橋塔也稱為主塔，它是支撐主纜的主要構(gòu)件?懸索橋的荷載(含活載和恒載)通過(guò)主塔傳遞到下部的塔墩和基礎(chǔ)?主纜是通過(guò)塔頂鞍座懸掛在主塔上，并錨固于兩端錨固體的柔性承重構(gòu)件?主纜本身又通過(guò)索夾和吊索承受活載及加勁梁和橋面的恒載，此外，還受部分橫向風(fēng)荷載并將其傳遞到塔頂?
索夾是主纜和吊索的連接件，位于每根吊索和主纜的連接結(jié)點(diǎn)上?索夾以套箍的形式緊固在主纜上，它在主纜上夾緊后產(chǎn)生一定的摩阻力來(lái)抵抗滑移，由此可固定吊索與主纜的結(jié)點(diǎn)位置，同時(shí)也是固定主纜外形的主要措施?
吊索是將活載和恒載(含加勁梁和橋面)通過(guò)索夾傳遞到主纜的構(gòu)件?吊索的上端