发展中的自锚式悬索桥

发展中的自锚式悬索桥

孙立刚

(辽宁省交通勘测设计院,沈阳110005)

摘　要　自锚式悬索桥因其优美的造型受到人们越来越多的关注,近年来已有多座自锚式悬索桥建成。本文总结了自锚式悬索桥的特点,并介绍了自锚式悬索桥的建造历史、结构形

式、理论研究、设计和施工等方面的发展状况。 关键词　自锚式悬索桥　发展　综述 悬索桥根据主缆锚固方式的不同可以分为两种:一种是锚固在基础上,主缆的水平分力和竖向分

力通过锚固体传递给地基,这是地锚式悬索桥;另外一种是将主缆锚固于加劲梁的梁端锚固体上,主缆的水平力由加劲梁承受,竖向分力由桥墩和配重抵消,这种悬索桥称为自锚式悬索桥。由于取消了庞大的锚碇,自锚式悬索桥不仅造型精致美观,满足城市空间小、对景观效果要求高的特点,而且也避开了在不良地质处修筑锚碇的技术难题。1自锚式悬索桥的发展历程

从建造历史来说,自锚式悬索桥并不是一种新桥型。19世纪后半叶,奥地利工程师约瑟夫・朗金和美国工程师查理斯・本德提出了自锚式悬索桥的造型。朗金于1870年在波兰建造了世界上首座小型铁路自锚式悬索桥。20世纪初,自锚式悬索桥首先在德国兴起,自1915年在莱茵河上建造的第一座大型自锚式悬索桥—科隆-迪兹桥起,到1929年共修建了5座自锚式悬索桥,其中1929年建成的科隆-米尔海姆桥主跨跨径达到315m ,保持自锚式悬索桥跨径记录70余年。在这期间美国和日本也建造了几座自锚式悬索桥

。

图1日本此花大桥立面图

40年代塔科马桥风毁事故后,悬索桥的建造步

入了低谷阶段。1954年德国工程师在杜伊斯堡完

成了跨径230m 的自锚式悬索桥后,世界上没有再建造这种桥。上世纪90年代,日本和韩国重新推出了这种桥型,并且注入了新的元素。1990年建成的日本此花大桥为单索面自锚式公路悬索桥,跨径布置为120m +300m +120m ,主缆垂跨比1:6,采用倾斜吊杆,加劲梁为钢箱梁,主塔为花瓶型;1999年建成的韩国永宗大桥为双索面公铁两用自锚式悬索桥,跨径布置125m +300m +125m ,垂跨比1:5,采用竖直吊杆,索面倾斜,花瓶型主塔,加劲梁是桁架梁与钢箱梁的双层组合结构,上层通行汽车,下层铺设铁路。这两座桥成为现代自锚式悬索桥的典型代表。美国奥克兰海湾新桥重建计划中包括一座单塔2跨自锚式悬索桥和一座3跨双塔自锚式悬索桥,

其中单塔悬索桥跨径达到385m 。这几座桥的设计和建成拉开了新世纪自锚式悬索桥研究和建造的序幕。2自锚式悬索桥在国内的迅速推广和发展2.1

国内自锚式悬索桥的建造概况

国内所建造的自锚式悬索桥的结构形式丰富多

样,材料选择不拘一格。从加劲梁的构造上来说,有钢混叠合梁、桁架梁、钢箱梁、混凝土箱梁、混凝土边主梁;有漂浮式体系,也有在桥塔处设置支座的支承体系;从造型上来说,多数采用了双塔多跨式结构,佛山平胜大桥为独塔单跨式结构,还建成了独塔双跨式的人行自锚式悬索桥;在加劲梁的材料使用方面,我国桥梁设计者首次提出了混凝土自锚式悬索桥的概念,即以钢筋混凝土代替钢作为加劲梁材料,

并且成功地建成了几座这种类型的悬索桥。2002年在金石滩金湾桥的建造中加劲梁首次使用了钢筋混凝土,随后建成的抚顺万新大桥和江山市北关大

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13・第11期 北方交通

桥也是这种悬索桥。抚顺万新大桥的主跨跨径为160m ,是目前该类桥梁中跨度最大的,该桥另一创新之处是主缆以钢丝绳为材料连续绕过梁端,“兜”

在锚固跨上,起到了主缆锚固的作用。这是一次大胆的尝试,为自锚式悬索桥的锚体设计开辟了新的思路。

表1

国内部分自锚式悬索桥

桥名跨径布置

加劲梁垂跨比

建成年代

苏州索山大桥

33.0+90.0+33.0钢混叠合梁1:82003常州广化桥17.5+54.0+17.5钢混叠合梁1:71999金华康济桥36.0+100.0+36.0

钢混叠合梁1:7.52004

佛山平胜大桥5×40.0+30.0+350.0+30.0+30

钢箱梁1:12.5建造中

江山市北关大桥40.0+118.0+40.0混凝土1:72005大连金石滩金湾桥24.0+60.0+24.0混凝土边加劲梁1:82002抚顺万新大桥

15+70+160+70+15

混凝土箱梁

1:6

2004

注:抚顺万新大桥现称作抚顺天湖大桥。

2.2

形式多样的锚固体

自锚式悬索桥主缆的拉力通过锚固体传递给加劲梁,因此对锚固体的设计和建造需要格外重视。由于不同的设计构思和条件限制,自锚式悬索桥所采用的锚体形式多样。大连金湾桥主缆为单根索股,直接锚固在锚体上,锚体下设拉压支座与下部墩相连,这种锚固方式适用于小跨径、主缆为单根索股的悬索桥;抚顺万新大桥则因为下部净空的限制,为了减小锚体尺寸,主缆采用钢丝绳“兜”在梁端锚固体上,锚固体是起到配重作用的加劲梁锚固跨;蓝旗松花江大桥(设计方案)利用散索鞍将主缆散开锚在锚固体上;绍兴滨海大桥将主缆分束锚固在箱梁腹板外侧的锚箱上,并在锚固节段内浇筑混凝土增加锚固体的自重;广东平胜大桥主缆锚固在加劲梁端部的预应力箱梁上,改善了束股锚固的传力,利用预应力梁的自重抵消主缆竖向分力;长沙三汊矶湘江大桥在加劲梁对应主缆锚固位置设两道腹板,形成箱形截面,改善了受力;奥克兰海湾新桥为空间索面,主缆利用多个转向鞍座转向,到达箱梁内部完成锚固。

3

自锚式悬索桥的总体评价

人们对自锚式悬索桥的认识还不成熟,从这个意义上来说,自锚式悬索桥还是一种新桥型。随着这种桥的广泛修建和研究,

人们的认识也在不断地深化。图2

抚顺万新大桥锚体构造

图3金石滩金湾桥锚体构造

3.1

自锚式悬索桥的结构布局初探

自锚式悬索桥边跨宜设置吊索,一方面能够减

小边跨主缆在锚固处的水平角度,从而减小主缆的竖向分力,减小墩处的上拔力和配重;选择合适的边跨、主跨的跨径组合与垂跨比,以保持主塔两侧荷载平衡,如果边跨过短,则需加大边跨梁的截面尺寸,或者调整边跨的垂跨比,也可以考虑边跨梁材料采用混凝土,主跨梁采用钢材料,但对其连接处的设计要求较高;自锚式悬索桥主缆拉力减小,结构整体刚度增大,这一结论与地锚式悬索桥是相反的,所以自锚式悬索桥宜选择较大的垂跨比以减小主缆拉力,这样做也减小了加劲梁的压力,例如日本此花大桥和韩国永宗大桥的垂跨比分别为1:6和1:5,但是对于混凝土加劲梁,还需要保证足够的压应力,应选择合适的垂跨比;自锚式悬索桥的跨径不宜过大。3.2混凝土自锚式悬索桥与传统钢梁自锚式悬索桥的比较

自锚式悬索桥加劲梁使用混凝土是符合材料特性的。混凝土适合受压,主缆传递给混凝土加劲梁的水平分力相当于施加了预应力,不需配置预应力筋;而钢受压后易发生失稳破坏,必须加大截面尺寸增加用钢量;混凝土比钢廉价,而且混凝土材料后期维护费用较后者低很多;混凝土自锚式悬索桥的刚度比钢梁自锚式悬索桥大。但是混凝土自锚式悬索桥有两个缺点,一是混凝土存在收缩徐变,二是加劲

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