大跨度悬索桥的发展历史与研究

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1、大跨度悬索桥的发展历史与研究1.引言　　随着世界经济建设的发展，交通运输在国民经济中的地位和作用日益重要。洲际之间、海峡两岸和陆岛之间迫切需要修建大跨度，特大跨度或超长跨度桥梁[1]。我国渤海海峡跨海工程、长江口越江工程、珠江口伶仃洋工程以及琼州海峡工程，为了避免深水基础施工的困难和高昂的造价，满足超级巨轮通航要求，需要修建1000m以上甚至2000m以上的超大跨度桥梁[2]。作为后本四联络线的架桥设计，日本计划在东京湾、纪淡海峡、伊势湾等地进行横跨海峡的设计，其规模是超越Akashi-kaikyoBridge的超大跨度桥梁。欧洲和非洲之间隔着地中海，其西部最窄处为直布罗陀海峡，从西班牙到

2、摩洛哥，修建一座大桥，把两大陆连接起来是很有必要的[3]。悬索桥是目前跨度超过1000m时最优可选桥型之一，从学术研究来说，大跨度悬索桥的研究是当前桥梁学科中最重要与最活跃的领域之一。　　2.悬索桥结构特性及发展阶段　　悬索桥是以悬索为主要承重结构的桥梁类型，主要由大缆、桥塔、锚碇、加劲梁和吊索组成。构造简单，受力明确。由于其主要构件大缆承受拉力，材料利用效率最高。因此悬索桥是目前跨度超过1000m时最优可选桥型之一，并且认为在600m以上的跨度同其它桥型相比也具有很强竞争力。悬索桥的发展具有几个重要里程碑：(1)弹性理论的建立与BrooklynBridge的建成。(2)挠度理论的建立，G

3、eorgeWashingtonBridge的建成以及人们对大跨悬索桥重力刚度的认识。(3)TacomaNarrowsBridge风毁事件，桥梁风工程学科的建立。(4)SevernBridge的建成，流线型扁平钢箱梁和正交异性钢桥面板的广泛应用。(5)有限元技术的发展，大跨度悬索桥有限位移理论的建立。　　2.1悬索桥弹性理论　　1883年跨越纽约东河的BrooklynBridge建成通车，设计者是天才的桥梁设计师JohnARoebling。由于高强碳素钢丝的使用和空中送丝法(aerialspinning)大缆施工技术的确立，该桥的跨度一下提高到486m。这两项技术是现代悬索桥发展的基础，所以

4、BrooklynBridge被大家公认为世界上第一座现代悬索桥。1903年建成的WilliamsburgBridge，分跨284m+488m+284m，规模与BrooklynBridge相当，当时的计算理论为弹性理论。　　2.2悬索桥挠度理论　　1888年，奥地利的Melan教授提出了适用拱桥和悬索桥一类结构的挠度理论，并于1906年做了进一步的改进。以后由Steinman和Timoshenko等对挠度理论予以发展，立即促进了悬索桥的长大化，使得悬索桥的跨度一下子突破了1000m大关。纽约GeorgeWashingtonBridge作为世界上第一座真正意义上的大跨悬索桥，分跨186m+10

5、67m+198m。该桥的设计者第一次认识到了大跨悬索桥重力刚度概念，并用这一概念来订正“挠度理论”的分析结果。　　2.3TacomaNarrowsBridge风毁事件与桥梁风工程学科的建立　　1940年7月1日，由L．Moissief设计的位于美国华盛顿州主跨853m的TacomaNarrowsBridge建成通车，为了达到节省目的，设计者采用高度很小的板梁作为加劲梁，该桥的跨度与梁高之比为350，而在这以前对于这样的跨度规模，其跨高比为70。1940年11月7日，在19m／s的八级大风作用下发生强烈的风致振动，导致全桥倒塌。这一事故震惊了桥梁工程界。在调查这一事故的过程中，人们发现，自1

6、818年起，至少已有11座桥梁毁于风害。然而遗憾的是在长达150年的时间里，工程师只是认识到了风的静力作用。TacomaNarrowsBridge的风毁开始了土木工程界考虑桥梁风致振动的新时期，并形成了一门新的边缘学科一风工程学。　　2.4SevernBridge与流线型扁平钢箱梁和正交异性钢桥面板　　20世纪50年代，英国为指导SevernBridge和FonhRoadBridge的抗风设计，由Scruton等进行了系列的风洞试验。他们试验了带悬臂的六角形扁平钢箱梁，结果大获成功。这就使得SevernBridge在抗风设计方法上与过去迥然不同，该桥具有以下的优点：扁平钢箱梁接近流线型断面

7、，其绕流状况较其他钝形截面有较大的改善，而且在静态方面因其对风的阻力系数很小，梁高较低，导致其静风荷载显著减小；梁的抗扭刚度大，使得全桥扭转基频提高，对提高颤振临界风速非常有利；采用了正交异性板技术，一方面作为钢箱梁的顶板，同时又作为桥面系。　　2.5有限元技术与悬索桥有限位移理论　　计算机和有限元理论的飞速发展，为大跨悬索桥的理论分析提供了强有力的工具。有限位移理论逐步发展完善，摒弃了挠度理论的过多的假定条件，使计算模