13.4.1 悬索桥概述

13.4.1 悬索桥概述

1.悬索桥的受力特点

悬索桥的主要受力构件是锚碇、索塔、缆索系统以及加劲梁等。成桥后作用在桥面上的竖向荷载一部分由加劲梁承担,一部分通过吊索传递给主缆。主缆在塔顶由主索鞍提供支撑,并通过主索鞍将荷载传递给索塔,索塔传递给基础。主缆在两端的强大拉力通过锚碇来平衡,并通过锚碇将拉力传递给地基。

悬索桥属于柔性桥梁结构体系,刚度小、变形大,具有较强的非线性受力特征。从构件受力的重要性出发,可将悬索桥的各部件分为第一体系、第二体系、第三体系。

主缆是第一体系的主要承重构件,承担由吊杆传递过来的桥面荷载及恒载,以受拉为主。主缆通过塔顶鞍座悬挂在索塔上,两端锚固于锚体上。主缆是柔性构件,但主缆的恒载拉力提供了强大的重力刚度,使成桥后的桥梁总体刚度满足桥梁规范的要求。索塔是第一体系的主要承重构件,主要起支撑主缆的作用。悬索桥的恒载和活载均通过索塔传递给基础。锚碇是主缆的锚固体,属于第一体系的承重结构,它将主缆的拉力传递给地基,通常有重力式锚碇和隧道式锚碇。重力式锚碇依靠巨大的自重来抵抗主缆的竖向分力,水平分力由锚体与地基的摩阻力抵抗。隧道式锚碇是将主缆拉力直接传递给围岩。

悬索桥的加劲梁属于第二体系的承重构件,以受弯为主。其主要功能是提供桥面和防止桥梁发生过大的挠曲变形和扭转变形。加劲梁直接承受桥面荷载。

吊索属于第三体系的构件,主要作为传力结构,主要受拉。其主要功能是将桥面上的活载以及恒载,通过索夹传递到主缆上。吊索的上端通过索夹与主缆相连,下端与加劲梁相连。

2.悬索桥的分类

1)按悬吊跨数划分

根据悬吊跨数不同,悬索桥可分为单跨悬索桥、三跨悬索桥、四跨悬索桥和五跨悬索桥,其中单跨悬索桥和三跨悬索桥较为常用。

(1)单跨悬索桥。

单跨悬索桥常用于高山峡谷地区,两岸地势较高而采用桥墩支撑边跨更为经济,或者道路的接线受到限制,使得平面曲线布置不得不进入大桥边跨的情况。就结构特性而言,单跨悬索桥由于边跨主缆的垂度较小,主缆长度相对较短,对中跨荷载变形控制更为有利。

(2)三跨悬索桥。

三跨悬索桥是目前国际工程实例中应用最多的桥型,世界上大跨度悬索桥几乎全采用这种形式。不仅是因其结构受力特征较为合理,同时,也因其流畅对称的建筑造型更符合人们的审美观。

(3)多跨悬索桥。

相对于三跨悬索桥而言,四跨和五跨悬索桥又称为多跨悬索桥,这种桥型由于结构柔性大,固有振动频率较低,难以满足特大跨度悬索桥的受力及刚度需要,因而也就不具备实用优势,世界上几乎没有这类特大桥工程的实例。

在建桥条件需要采用连续大跨布置时,可以用两个三跨悬索桥联袂布置,中间共用一座桥的锚碇锚固这两桥的主缆。美国的旧金山—奥克兰海湾大桥和日本本州四国联络线中的南北备赞大桥即采用此形式。当建桥条件特别适于作连续大跨布置而采用四跨悬索桥时,其中央主塔为满足全桥刚度要求通常需要做A形布置,相应的塔顶主缆须采取特殊锚固措施,以克服两侧较大的不平衡水平拉力。

2)按主缆的锚固方式划分

根据主缆的锚固方式的不同,悬索桥可分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。

(1)地锚式悬索桥。

通常所讲的绝大多数悬索桥都采用地锚式锚固主缆,即主缆通过重力式锚碇或岩隧式锚碇将荷载产生的拉力传至大地来达到全桥的受力平衡,这是大跨度悬索桥最佳的受力模式。

(2)自锚式悬索桥。

在较小跨度的悬索桥中,也有个别以自锚形式锚固主缆的,这种自锚式悬索桥的主缆,在边跨两端将主缆直接锚固于加劲梁上,主缆的水平拉力由加劲梁提供的轴压力自相平衡,不需要另外设置锚碇。这种桥式的加劲梁要先于主缆安装施工,实践中因施工困难、经济性差等,一般很少采用。

3)按悬吊方式划分

竖直吊索,以钢桁架作加劲梁;斜吊索,采用三角布置,并以扁平流线型钢箱作加劲梁,也有呈交叉形布置的斜吊桥;混合式,即采用竖直吊索、斜吊索和流线型钢箱梁作加劲梁。除了有一般悬索桥的缆索体系,还设有若干加强用的斜拉索。

4)按支承结构划分

如果按加劲梁的支承结构来分,又可分为单跨两铰加劲梁悬索桥、三跨两铰加劲梁悬索桥及三跨连续加劲梁悬索桥等。