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大跨懸索橋及加勁梁斷面的發展概況
2018-05-21 
   

   根據世界科學史家李約瑟的推斷:鐵索橋(Iron Chain Bridge)起源于中國,而現代懸索橋(Suspension Bridge)隨著工業革命之后的發展,在西方國家得到了飛速的發展。

   懸索橋最大的特點就是恒載作用在主纜上,主纜在承受活載作用下形成巨大地拉力對結構的變形有很大的抵抗作用,由于懸索橋橋型的獨有特點使其具有幾何非線性。從理論上理解懸索橋,它應屬于索和梁的組合結構體系。懸索橋的主要承重結構是主纜,而加勁梁的功能只是將豎向荷載通過吊索傳遞給主纜。

   從18世紀后半葉開始,美國和英國開始了建造懸索橋的嘗試。最初的形式是一種沒有加勁梁的柔性懸索橋,跨度一般都在百米之內。19世紀初在蘇格蘭建成了一座用于馬車通行的懸索橋,主纜采用的是熟鐵鍛造的眼桿組成的。這個主跨79.25m的懸索橋在1818年由于大風而毀壞,這是近代第一座遭風毀的懸索橋。

   芬利于1801年在美國雅各溪上建了一座長21米的懸索橋,該橋的橋面由桁架支撐。基于芬利的思想,英國工程師Samuel Brown在1820年,建造了最早地大跨度懸索橋,主跨為136.86m的Union橋,該橋橋面由垂直吊桿承擔,吊桿由三組鍛鐵鏈懸掛,在建成6個月后此橋就遭到了風致毀壞。但是Brighton Chain Pier橋和Montrose橋分別經歷了強烈的風致振動后遭到毀壞。在后來的事故總結中,他給出的結論為:僅由縱橫梁組成的過于柔性的橋面容易發生振動。并且他提出了用抗扭較強的桁架做橋面的設想。后來的懸索橋設計對這一理論非常注重。提高桁架的整體高度可以增強橋梁的剛度,但是不可避免會產生迎風側較大的阻力,從而對整個橋梁的氣動力穩定性產生很大的影響。在美國,英國的風毀事故沒有得到應有的重視,從1854年跨度為307.85m的Wheeling橋到1889年跨度為386.49m的Nigara Clifton橋發生了三次懸索橋的風毀事故。

   在設計19世紀最大跨度的懸索橋——紐約Brooklin橋(主跨486.16m)的時候,設計師John Roebling認識到采用桁架加勁梁和輔助斜吊索的必要性,盡管當時理論上還不清楚提高抗扭剛度對抑制風振的作用。1940年,在美國華盛頓州,建成了一座當時最細長的橋梁——Old Tacoma Narrows Bridge,該橋為主跨為853m的三跨連續加勁梁懸索橋,加勁梁為H型板梁,高度只有2.45m,抗扭剛度幾乎為零。該橋主跨當時居世界懸索橋第三位,細長的結構是設計師莫伊塞夫將撓度理論應用到極限的結果,也是該橋風毀的根本原因。懸索橋撓度理論是Melan于1888年創立的,這種斷面忽視了扭轉剛度,從而導致高跨比急劇減小,橋面質量減輕的同時剛度也就降低了,斷面氣動性能惡化。該橋在建成后的第四個月就在19m/s的風速下振動不到70分鐘的時間內發生劇烈振動而垮塌。莫伊塞夫在設計時認為降低加勁梁的高度可以減小迎風側阻力,風振響應在順風向的也會相應的減少,可是這種特別柔的橋面引發了以前橋梁界從未認識到的振動形式——風致顫振。調查顯示,歷史上類似于塔科馬橋的風毀事故還有很多座。

   在20世紀初,采用桁架加勁梁成為懸索橋抗風的一種公認的最優可行性方案。主跨為1031m的紐約華盛頓橋和舉世聞名的跨度為1280m的金門大橋分別采取了這種形式的加勁梁。

   加勁梁采用了經風洞試驗選取的近乎流線型的閉口箱梁的塞文(Seven)懸索橋在1966年建成,梁高只有3.05m,主跨987.5m,是世界上第一座采用流線型鋼箱梁這種形式的加勁梁,高跨比再次降到了1/300以下,實現了柔細的但是空氣動力穩定性能良好的新型懸索橋形式。Seven橋的建成,與塔科馬橋風毀事故一樣,在橋梁風工程的發展史上具有劃時代的意義,充分展現了橋梁風工程理論對橋梁設計的巨大指導作用,也是橋梁風工程開始走向成熟的標志。較強的剛度以及可以減少空氣阻力的流線型外形使其具有了無可比擬的優勢。

   日本的懸索橋主要是從本四聯絡橋的修建開始的,到上世紀80年代末為止,日本在本四聯絡線上已經建成6座大跨度的懸索橋,分別為因島大橋(主跨770m)、大鳴大橋(主跨876m)、大島大橋(主跨560m)、下津井大橋(主跨940m)、北備贊大橋(主跨990m)和南備贊大橋(主跨1100m)。在本四聯絡橋的后期建設中出現再度破跨度記錄的神戶-鳴門線上的主跨達1991m的明石海峽大橋,這是當今世界上建成的最大跨度桁架式懸索橋。

   我國的懸索橋自古就有之,這種橋式最早可以推算到春秋戰國時期。現代意義上的第一座懸索橋是1938年在湖南建成的能灘橋,跨徑80m,沒設加勁梁。20世紀90年代,一座采用混凝土加勁梁主跨為452m的懸索橋的建成標志著我國現代大跨度懸索橋的起點,這個橋就是廣州汕頭海灣大橋。隨后我們經歷了學習追趕以及提高追蹤兩個時期的發展,建成了數十座具有里程碑式的懸索橋。其中主跨1385m的江陰長江大橋的建成使我國成為世界上能建造千米級大橋的第六個國家。而西堠門大橋的通車,使其成為當今世界上跨度最大的鋼箱梁懸索橋,跨徑達到1650m,是世界上抗風穩定性要求最高的橋梁之一。進入21世紀,我們帶著創新與超越的精神,爭取在橋梁技術領域有更高的突破。

   參考文獻:

   [1]岳麗娜.大跨懸索橋安全監測方法及體系研究與應用[D].武漢理工大學,2010.

   [2]田繼科.大跨懸索橋纜索系統耐久性的分析研究[D].北京交通大學,2010.

   [3]彭德運.大跨懸索橋錨碇基礎的設計與施工[J].鐵道標準設計,2003(01).
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