大跨悬索桥及加劲梁断面的发展概况
2018-05-21
根据世界科学史家李约瑟的推断：铁索桥（Iron Chain Bridge）起源于中国，而现代悬索桥（Suspension Bridge）随着工业革命之后的发展，在西方国家得到了飞速的发展。
悬索桥最大的特点就是恒载作用在主缆上，主缆在承受活载作用下形成巨大地拉力对结构的变形有很大的抵抗作用，由于悬索桥桥型的独有特点使其具有几何非线性。从理论上理解悬索桥，它应属于索和梁的组合结构体系。悬索桥的主要承重结构是主缆，而加劲梁的功能只是将竖向荷载通过吊索传递给主缆。
从18世纪后半叶开始，美国和英国开始了建造悬索桥的尝试。最初的形式是一种没有加劲梁的柔性悬索桥，跨度一般都在百米之内。19世纪初在苏格兰建成了一座用于马车通行的悬索桥，主缆采用的是熟铁锻造的眼杆组成的。这个主跨79.25m的悬索桥在1818年由于大风而毁坏，这是近代第一座遭风毁的悬索桥。
芬利于1801年在美国雅各溪上建了一座长21米的悬索桥，该桥的桥面由桁架支撑。基于芬利的思想，英国工程师Samuel Brown在1820年，建造了最早地大跨度悬索桥，主跨为136.86m的Union桥，该桥桥面由垂直吊杆承担，吊杆由三组锻铁链悬挂，在建成6个月后此桥就遭到了风致毁坏。但是Brighton Chain Pier桥和Montrose桥分别经历了强烈的风致振动后遭到毁坏。在后来的事故总结中，他给出的结论为：仅由纵横梁组成的过于柔性的桥面容易发生振动。并且他提出了用抗扭较强的桁架做桥面的设想。后来的悬索桥设计对这一理论非常注重。提高桁架的整体高度可以增强桥梁的刚度，但是不可避免会产生迎风侧较大的阻力，从而对整个桥梁的气动力稳定性产生很大的影响。在美国，英国的风毁事故没有得到应有的重视，从1854年跨度为307.85m的Wheeling桥到1889年跨度为386.49m的Nigara Clifton桥发生了三次悬索桥的风毁事故。
在设计19世纪最大跨度的悬索桥——纽约Brooklin桥（主跨486.16m）的时候，设计师John Roebling认识到采用桁架加劲梁和辅助斜吊索的必要性，尽管当时理论上还不清楚提高抗扭刚度对抑制风振的作用。1940年，在美国华盛顿州，建成了一座当时最细长的桥梁——Old Tacoma Narrows Bridge，该桥为主跨为853m的三跨连续加劲梁悬索桥，加劲梁为H型板梁，高度只有2.45m，抗扭刚度几乎为零。该桥主跨当时居世界悬索桥第三位，细长的结构是设计师莫伊塞夫将挠度理论应用到极限的结果，也是该桥风毁的根本原因。悬索桥挠度理论是Melan于1888年创立的，这种断面忽视了扭转刚度，从而导致高跨比急剧减小，桥面质量减轻的同时刚度也就降低了，断面气动性能恶化。该桥在建成后的第四个月就在19m/s的风速下振动不到70分钟的时间内发生剧烈振动而垮塌。莫伊塞夫在设计时认为降低加劲梁的高度可以减小迎风侧阻力，风振响应在顺风向的也会相应的减少，可是这种特别柔的桥面引发了以前桥梁界从未认识到的振动形式——风致颤振。调查显示，历史上类似于塔科马桥的风毁事故还有很多座。
在20世纪初，采用桁架加劲梁成为悬索桥抗风的一种公认的最优可行性方案。主跨为1031m的纽约华盛顿桥和举世闻名的跨度为1280m的金门大桥分别采取了这种形式的加劲梁。
加劲梁采用了经风洞试验选取的近乎流线型的闭口箱梁的塞文（Seven）悬索桥在1966年建成，梁高只有3.05m，主跨987.5m，是世界上第一座采用流线型钢箱梁这种形式的加劲梁，高跨比再次降到了1/300以下，实现了柔细的但是空气动力稳定性能良好的新型悬索桥形式。Seven桥的建成，与塔科马桥风毁事故一样，在桥梁风工程的发展史上具有划时代的意义，充分展现了桥梁风工程理论对桥梁设计的巨大指导作用，也是桥梁风工程开始走向成熟的标志。较强的刚度以及可以减少空气阻力的流线型外形使其具有了无可比拟的优势。
日本的悬索桥主要是从本四联络桥的修建开始的，到上世纪80年代末为止，日本在本四联络线上已经建成6座大跨度的悬索桥，分别为因岛大桥（主跨770m）、大鸣大桥（主跨876m）、大岛大桥（主跨560m）、下津井大桥（主跨940m）、北备赞大桥（主跨990m）和南备赞大桥（主跨1100m）。在本四联络桥的后期建设中出现再度破跨度记录的神户-鸣门线上的主跨达1991m的明石海峡大桥，这是当今世界上建成的最大跨度桁架式悬索桥。
我国的悬索桥自古就有之，这种桥式最早可以推算到春秋战国时期。现代意义上的第一座悬索桥是1938年在湖南建成的能滩桥，跨径80m，没设加劲梁。20世纪90年代，一座采用混凝土加劲梁主跨为452m的悬索桥的建成标志着我国现代大跨度悬索桥的起点，这个桥就是广州汕头海湾大桥。随后我们经历了学习追赶以及提高追踪两个时期的发展，建成了数十座具有里程碑式的悬索桥。其中主跨1385m的江阴长江大桥的建成使我国成为世界上能建造千米级大桥的第六个国家。而西堠门大桥的通车，使其成为当今世界上跨度最大的钢箱梁悬索桥，跨径达到1650m，是世界上抗风稳定性要求最高的桥梁之一。进入21世纪，我们带着创新与超越的精神，争取在桥梁技术领域有更高的突破。
参考文献：
[1]岳丽娜.大跨悬索桥安全监测方法及体系研究与应用[D].武汉理工大学，2010.
[2]田继科.大跨悬索桥缆索系统耐久性的分析研究[D].北京交通大学，2010.
[3]彭德运.大跨悬索桥锚碇基础的设计与施工[J].铁道标准设计，2003（01）.
