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悬索桥那些事儿

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发表时间:2018-12-05 09:57作者:赵海清来源:云南省城乡规划设计研究院网址:http://www.yncityplan.com

在世界桥梁业流传这样一句话:世界桥梁建设20世纪70年代以前看欧美,90年代看日本,21世纪看中国。如今中国被誉为“基建狂魔”,悬索桥更是常见的明星桥型。悬索桥又名吊桥,因其跨越能力强而闻名于世,云南山高谷深、江河纵横,自古便有建造悬索桥的历史,本文将和您从认识云南悬索桥出发,开启一段悬索桥科普之旅。

作者:赵海清


. 云南悬索桥前世今生


虹桥


云南境内悬索桥建设历史,最早可追溯到公元60年前后的采用藤篾为建造材料的兰津桥,位于现大理州永平县境内,历经西汉、元朝(改建为木桥并改名霁虹桥)、明朝(改建为铁索桥)、清朝,经多次修葺和重建,一直沿用至1986年,毁于水灾。




国际援华抗日生命线工程滇缅公路上,有横跨澜沧江的昌淦桥,和横跨怒江的惠通桥,两座战略桥梁。其中以历时18个月建成,于194010月通车的昌淦桥技术上最为瞩目,该桥为中国近代较早采用钢加劲梁的公路悬索桥,主跨130m,主要由留美专家钱昌淦设计,后因日寇飞机轰炸致桥梁受损,经抗战军民舍生忘死,昼夜抢修后变为柔性吊桥使用至近年,因澜沧江功果桥水电站库区淹没,全桥作为文物异地复建于大理州云龙县宝丰乡。


拆除复建前的昌淦桥(柔性吊桥)


龙江大桥


现代云南悬索桥技术进步显著,如保山至腾冲高速公路主跨1196m保山龙江大桥,和华坪至丽江高速公路上在建的1386m主跨的金安金沙江大桥。




香铁路金沙江大桥



主跨660米在建丽江至香格里拉铁路金沙江特大桥,是中国首座大跨度铁路悬索桥。




.细解悬索桥


悬索桥可细解为加劲梁、主缆、锚碇、桥塔及其基础、索鞍、索夹和吊索等。


现代悬索桥组成


加劲梁



悬索桥主梁通过桥面直接承受车辆和行人重量。按主梁刚度大小,分为柔性吊桥和加劲梁悬索桥。前者适用于通行速度较低、交通量小、车辆载重小的汽车吊桥或人行吊桥,通行舒适性较差;后者适用于车流量大、对通行速度、行车安全和舒适性要求较高的悬索桥。


 钢桁架加劲梁















钢箱加劲梁


主缆


悬索桥主缆由成千上万根细细的高强钢丝组成,组合方式形同用皮筋给小女孩扎辫子,辫子里的一根根青丝如同高强钢丝,最后在机械帮助下汇成一根粗大钢缆。


高强钢丝束










主缆紧缆施工


锚碇



主缆成千上万吨的拉力,最终缆固于体量巨大的锚碇,锚碇如同定海神针般纹丝不动地固定住主缆。


重力式锚碇内部构造图






重力式锚碇鸟瞰图



索鞍



悬索桥主缆全桥通长设置,在桥塔顶部呈圆曲线形弯折,常采用索鞍来实现。索鞍中部设弧形凹槽,如同人骑马用的马鞍一般将主缆固定于槽内。通常索鞍底部与桥塔顶部分离,并保持二者可以相对滑动。



索夹



索夹是主缆和吊索的连接构件,借助高强螺栓强将两个对半索夹压紧,依靠索夹与主缆之间的摩擦,紧紧夹住主缆,将桥梁的重量传递给主缆。



中央扣



为抑制大风和地震作用下加劲梁和主缆顺桥向的相对位移,提高抗风和抗震性能,在主缆中部用中央扣将加劲梁和主缆相对固定。



.悬索桥主要施工步骤


悬索桥施工通常先施工锚碇、桥塔基础和桥塔,架设猫道和主缆,安装索夹和吊索,后架设加劲梁、铺装桥面再成桥,大致过程如下:


.悬索桥里的小秘密


悬索桥虽属工程,同样也是数学、力学、美学的完美化身,隐藏着许多不为人熟知的细节,其发展也伴随着人们认知的进步。


悬链线趣事


悬链线是主缆在空缆状态的几何线形。主缆在两个桥塔位置和高度确定的条件下,根据不同长度,变化出不同的几何形态。悬链线方程如下:



悬索桥夜景


夏夜滨江远眺,清风徐来,悬索桥主缆优美亮丽的曲线尽收眼底,在常人眼里仅仅是一抹夜空中的亮色,专业人士那里最多联想到一个简洁、看起来并不复杂的公式,却是一道文艺复兴三杰之一的达芬奇,一生都没弄明白的难题。

这位秉持在科学上,凡是用不上数学的地方,凡是与数学没有交融的地方,都是不可靠的观念的大神,在创作《抱银貂的女人》时,冥思苦想女人脖子上项链的几何线形,无奈采用抛物线近似代替。直到近200年后瑞士数学家约翰伯努利借助微积分研究出悬链线方程,颇具戏剧性的是他仅仅花一个晚上的时间。

达芬奇名画—抱银貂的女人


主缆之不同寻常大变形



悬索桥属柔性结构,其变形明显大于一般梁桥。通常桥梁负载千钧理应岿然不动,但一辆重车低速通过一座柔性吊桥,桥面波浪状的变形实属正常。



主缆线形随加劲梁的架设不断变化,加劲梁长度逐段延长,主缆承受重量逐步加大,垂度不断增加,该过程类似于人们生活中用绳子在室外晾衣服,从固定好绳子到挂满衣物,绳子的变形过程。



加劲梁架设阶段主缆线形变化示意图




选择跨度从110m1490m11座悬索桥,统计施工期间主缆变形,主要是跨中垂度变化情况如下表。


施工期间主缆垂度差与跨度比较表


据此悬索桥主缆施工期间跨中垂度变化范围,多分布在跨度的1/1401/80,平均1/110左右,大小从1.18m14.24m,较之于常规梁桥施工期间,自重作用下不易察觉的几厘米的变形,已大很多倍,最大值已超出4层楼高度,可谓大的异乎寻常。


高处活动的小不点



伴随悬索桥施工,中跨主缆拉力逐步增加,高大桥塔顶部索鞍缓慢向拉力更大的中跨移动,相比桥梁庞大的身躯,活动的索鞍如同小不点。



为保证施工完成时,索鞍基本移至桥塔中部,以便塔身均匀受力,工程中常将索鞍向边跨方向预偏一定距离,或施工中将索鞍顶推一定距离,期望成桥时索鞍可居桥塔中部,使桥塔处于良好受力状态。


弱不禁风之往事



现如今悬索桥大量兴建,越江跨谷似如履平地,但回顾其发展历史并非一帆风顺,特别是1940年主跨853m的美国华盛顿州塔科马大桥风毁事故。


塔科马海峡大桥设计图


大桥设计者莱昂莫西塞夫(Leon Moisseiff),一位已从事悬索桥设计工作40余年,经验丰富的资深桥梁专家,由于对风致桥梁振动认识不足,仅将风力作为静力考虑,采用抗风性能差的钢板梁形式,大桥通车仅4个多月,一场普通大风,就让大桥桥面就像一条发怒的巨蟒,在空中不停翻滚,主梁自激发散振动持续了7小时左右,最终以悬吊加劲梁的吊索疲劳断裂,大部分加劲梁坠入水中收场。



旧塔科马大桥加劲梁采用横断面图(钢板梁)


真正的转机出现在二十多年后,英国工程师创新的设计出流线形扁平钢箱梁,并经风洞试验,在1966年建成的赛文(Severn)桥中采用,才使得问题得以解决,加劲梁外形流畅纤细,悬索桥抗风设计逐渐走向成熟。


流线形扁平截面和空气脱落


吊装中的流线形扁平钢箱梁



结语


作为一名工程从业者,应始终牢记工程技术的重大进步,是一代前人,在一次次的工程事故的教训中总结,和艰难曲折中探索出来的。在漫长的工程实践中,不惟经验,不惟资历,终身学习,始终保持对工程技术本真的敬畏之心,独立思考,缜密分析,不断提升自身认知,践行工程师对工程服务的职责、责任、义务,在职业生涯道路上砥砺前行!


注:文中图片部分来自互联网





编辑制作:云南省城乡规划设计研究院 信息网络图文中心