悬索桥的特点 中国大跨径悬索桥的发展

2019-01-30 - 悬索桥

汕头海湾大桥 汕头海湾大桥是我国第一座现代化的悬索桥,为三跨双铰预应力混凝土箱梁悬索桥,跨度为154 452 154m,在主塔处设有8m跨度的柔性过渡梁将主梁衔接。由于地处台风经常登陆的地方,抗风稳定要求高,为此加劲梁采用了截面呈流线型的预应力混凝土梁,使主缆具有较大的重力刚度,从而提高了整桥的气动稳定性;加劲梁是单箱三室预应力混凝土结构,采用具有良好导风的鱼腹式断面;主缆采用预制平行钢丝束,外径56cm,通过设置在两端边墩上的竖向摆柱支承进入嵌岩的锚碇中。

悬索桥的特点 中国大跨径悬索桥的发展
悬索桥的特点 中国大跨径悬索桥的发展

西陵长江大桥 西陵长江大桥是三峡工程的配套项目,三峡工程施工期间要求通过总重达78吨的重型车队。大桥主跨为900m四车道的悬索桥。由于大坝施工期航道多次改变,故采用一跨过江方案。吊索为钢丝绳骑跨于索夹,下端用冷铸锚与加劲梁敞开连接,以便于安装和维护;锚碇为重力式锚;全桥仅29个月即建成。

悬索桥的特点 中国大跨径悬索桥的发展
悬索桥的特点 中国大跨径悬索桥的发展

丰都长江大桥 丰都长江大桥是一座两车道的单跨悬索桥,主跨450m。主缆线型为空间曲缆,主缆在跨中间距为14m,比索塔上的间距小6.5m;加劲梁为钢桁架与钢筋混凝土桥面板组合结构,桁杆采用了H型截面,全焊的桁架预制节段在工地上采用高强螺栓连接,连接构造装置在上下弦杆的体外;锚碇隧道锚,上缘为圆形,下缘为矩形,纵向呈楔形棱台,更好地利用了岩体的力学性能。

悬索桥的特点 中国大跨径悬索桥的发展
悬索桥的特点 中国大跨径悬索桥的发展

香港青马大桥 香港青马大桥是世界上最大跨径的公铁两用桥,双层桥面中上层是六车道公路而下层是双轨轻轨铁路与避风用的双向单车汽车道,主跨为1377m。由于一侧需接立交桥,故为双跨悬吊,但三跨加劲梁是连续的,以增加铁路运行的平稳;加劲梁为钢桁架结构并用不锈钢板外包风咀,设有中央通风孔,有利于改善桥梁抗风稳定性;主缆采用空中纺丝法编制,编制时采用带有4个扣套丝槽的编丝轮,加快编制速度;锚碇为嵌岩的重力锚,水面附近和水下的钢筋采用了防腐蚀措施。

悬索桥的特点 中国大跨径悬索桥的发展

虎门大桥 虎门大桥连接了广珠和广深高速公路,主航道桥采用了跨径为888m单跨六车道的钢箱梁悬索桥。该地区处在强台风区,加劲梁采用扁平流线型钢箱梁,具有高的抗风稳定性能;主缆直径为68.7cm;两岸锚碇都为重力式锚碇,特别是西岸利用暗礁石露头,施工中用了地下连续墙作为施工防水结构来浇筑嵌岩重力锚;国内首次在钢箱梁和锚碇内采用了自动除湿系统。

江阴长江大桥 江阴长江大桥位于江苏省江阴市,横跨长江。为不影响泄洪和航运,采用了一跨过江单跨六车道的悬索桥。主跨1385m,为中国第一、世界第四;南锚碇是嵌岩重力锚,北锚碇基础采用巨型沉井,以紧密含砾中粗砂层为持力层。

为了减少沉井在施工中的不均匀沉降,在锚体后缘5m宽混凝土暂不浇筑,待加劲梁架设后再浇筑;施工中严格控制,主缆孔隙率小于设计要求,使主缆架设和吊索同步进行和主缆缠丝先于桥面铺装得以实现;加劲梁为扁平钢箱梁,通过节段模型风洞试验进行断面选型;在跨中附近吊索为钢丝绳吊索以增加柔性。该桥获得中国工程质量优质奖“鲁班奖”和国际桥梁大会(IBC)颁发的“尤金·菲戈金奖”。

厦门海沧大桥 厦门海沧大桥是进出厦门的第二通道,有六个车道。由于受到航空对塔高的限制,又要满足通行海轮的通航净空的要求,故选用桥塔较矮的悬索桥,跨径布置为230 648 230m的三跨连续全飘浮体系悬索桥,在塔处不设支座,而采用塔和锚附近设加强型吊索;加劲梁为扁平钢箱梁;两岸的地质为风化软岩,采用倒坡箱型浅埋基础的三角型框架重力锚。

重庆长江鹅公岩大桥 重庆长江鹅公岩大桥是一座城市桥梁,桥面有六个车道和两条轻轨交通,是一座三跨连续钢箱梁悬索桥,跨径布置211 600 211m。桥面采用35.5m宽3m高扁平钢箱梁,在索塔下不设竖向支座而采用在塔附近设特殊吊索的措施;在边墩设有粘滞阻尼器,控制加劲梁水平移动的距离;桥址处为泥岩和砂岩互层地层,西岸为重力锚碇,东岸为隧道锚。

忠县长江大桥 忠县长江大桥是一座主跨为560m的单跨悬索桥,车行道宽15m。加劲梁采用空间钢管桁架,铺上钢筋混凝土板为行车道板;桁架高3.6m,宽19.8m,上横梁为焊接工字钢,其他杆件都采用无缝钢管,所有杆件采用焊接,吊装时用高强螺栓临时连接;加劲梁防护采用了喷涂铝镁合金封闭的长效保护体系;两岸锚碇采用隧道锚和非预应力岩锚相结合。

宜昌长江大桥 宜昌长江大桥是一座主跨960m单跨四车道的悬索桥。加劲梁为扁平钢箱梁,主缆直径为65.5cm;两岸基岩为强度较低的基岩,锚碇为重力式锚;在施工中增加猫道横向通道而不设抗风索,保持了猫道的稳定。

润扬长江大桥 正在建设中的润扬长江大桥南汊是长江主航道,采用主跨为1490m单跨六车道悬索桥的桥型,其跨度将达到中国第一、世界第三。加劲梁为扁平钢箱梁,为了增强整体刚度和减少跨中短吊索的疲劳,在跨中设置了刚性中央扣;两岸岩层覆盖层在30~50m,分别用地下连续墙和排桩冻结止水法作为围护结构,建造了着岩的锚碇基础;塔基为钻孔灌注桩,施工承台用重达1000吨的钢套箱一次吊装,不仅加快施工速度而且防水性好,有利于承台浇筑;主缆采用干风除湿系统来保护钢丝;设主缆的猫道采用加密横向通道,加大结点刚度的方法取消有碍通航的抗风索。

陕西葫芦河大桥 陕西葫芦河大桥是西部大通道包头到北海线黄土高原跨河谷的一座大桥,干河谷高154m,根据地形采用双铰双跨悬索桥方案,钢筋混凝土塔和3m直径的钻孔桩基础,三角框架重力式锚碇,加劲梁为扁平钢箱梁。

万洲长江二桥 2004年建成的万洲长江二桥的加劲梁为钢桁架结构,弦杆和腹杆为焊接“H”截面,采用整体节点高强螺栓连接;锚碇采用隧道式锚碇,并辅之岩锚,楔形预应力混凝土的锚塞体与岩面紧密结合;桥面铺装采用7cm厚CF40钢纤维混凝土。

贵州北盘江大桥 贵州北盘江大桥位于崇山峻岭之中,桥下悬崖深达460m,桥址两岸运输条件差,风场环境复杂。为此,在确定为悬索桥桥型后,选用了板式预应力混凝土主梁断面和全焊接的鞍座;采用了388m单跨悬索桥,主缆边跨为103m;主梁为哑铃型板式断面,有利于抗弯、抗扭提高抗风稳定性,在风攻角-6°时,颤振临界风速为59.

1m/s,大于颤振检验风速52.1m/s;梁体分段预制吊装,吊装就位后现浇0.6m的湿接缝,吊杆间距6m;主缆直径42.5cm,采用预制索股法;考虑运输和吊装条件,采用全焊接钢结构鞍座,两岸锚碇为明挖的重力式锚碇。

武汉阳逻大桥 正在建设中的武汉阳逻大桥为主跨1280m单跨六车道的悬索桥。加劲梁为扁平钢箱梁,主缆直径为82.1cm,钢筋混凝土门型塔;锚碇都为座落在岩石上的重力锚,特别是南锚处在距防洪要求很高的荆江大堤157m处,要求施工期必须安全渡洪。

为此,南锚采用了内径为70m,壁厚为1.5m的圆形地下连续墙结构,地下连续墙嵌入弱风化砾岩中,总深达60.5m,外圈还有自凝灰浆的挡水帷幕,从地连墙准备到井入底板浇筑完成只用了8个月时间。

舟山西堠门大桥 正在建设中的舟山西堠门大桥是舟山大陆连岛工程中桥梁跨度最大的一座桥,采用跨度为578 1650 485m的分体钢箱梁四车道的悬索桥。利用了海中一个小岛作为一个桥塔基础,北边跨和中跨为连续钢箱梁并由吊杆支撑,与支座配合形成具有抗纽约束的纵向漂浮体系;加劲梁断面采用全宽36m的分体双箱梁,中间开槽宽度为6m,能满足抗风稳定的要求(成桥颤振临界风速达78.

2m/s以上);主缆采用抗拉强度1770Mpa的镀锌平行钢丝束,跨中主缆直径为85.

5cm,吊索为骑跨式钢丝绳吊索;锚碇为重力式锚座落在岩基,但接近海边混凝土的防腐性能要求高;塔为钢筋混凝土门式塔,塔柱采用矩形凹角断面有利于抗风稳定性。

贵州坝陵河大桥 正在建设中的贵州坝陵河大桥是国道主干线上的一座四车道高速公路桥,跨过宽而深的山谷,从桥面到谷底达300多米,无论是斜拉桥还是连续刚构桥都无法避免300m的高桥墩,为此选用了单跨跨径为1068m的钢桁架悬索桥,采用钢桁架的加劲梁可以化整为零,便于山谷中施工;主缆为高强镀锌平行钢丝,锚碇为重力式嵌岩锚和隧道锚,索塔为混凝土门式塔。

该桥位于黄果树风景区,设计与施工中对于景观协调和环境保护都有很高的要求。

以上这些桥的共同特点是索塔都是钢筋混凝土门式塔架(有的桥横梁加了预应力);主缆都是用镀锌高强钢丝制成;除了香港青马大桥用空中纺丝法架设外,其余各桥都用预制平行束股法架设。在设计理论方面,我国在同济大学建造了世界第二大风洞试验室(风洞断面尺寸15×2m),可做较大比例的全桥风洞试验;根据膜理论和有限变形大变位理论开发了悬索桥静力计算软件;开发了包括计算风荷载非线性的静、动力风动稳定性设计软件和数值风洞技术为基础的随机离散涡流场计算程序;考虑地震动态时程分析与多点激励和结构与土共同作用的桥梁非线性地震反应程序。

不论在建桥的技术,还是计算和试验的手段,都说明了我国在建造特大跨径悬索桥方面已经走进世界先进行列。

随着经济发展的需求,我们建桥技术的不断提高,计划建造的大跨径悬索桥越来越多。如:珠江口的港澳粤通道,连接青岛和黄岛的青岛湾口大桥,香港青龙大桥都有悬索桥的方案。还有众多的大江大河和海湾都希望建设大跨悬索桥,特别是西部开发加快公路建设,在崇山峻岭中,峡谷深而宽时,悬索桥不失为一个有优势的比较方案。

为此,桥梁建设者既要总结国内外的经验,大胆迎接挑战,勇于创新,同时,对于大跨径悬索桥的设计中一些关键问题,还需要不断深入探讨。

桥梁的美学与景观设计 随着人们生活水平的不断提高,大家对环境景观和美的需求也不断提高,特别是一些大跨径桥梁常被作为景观工程和旅游景点。所以,桥梁的美学在中国逐步提升到较高的位置上来。桥梁的美首先要在设计中体现出来,在国外甚至有建筑师确定造型而结构工程师在结构上去满足造型的要求。

今后我国桥梁建设也要有建筑师参与设计。首先要在总体布置的尺度上把关,很难想象一座各部尺寸不协调而局部做了很多修饰的桥会很美;其次还要考虑到所选的桥型与周围景观协调;再次才是结构物的局部美化,原则是简洁明朗。

桥跨布置 一般来说,主跨在600~700m以上考虑悬索桥方案的可能性多一些(当前国内600m以上的斜拉桥也建了6~7座)。300~400m以下跨径的为了城市美观,节省投资采用自锚式悬索桥也有多例。但在条件适当时,如在山谷中地质条件好,为了减少桥墩高度加大跨径而边跨有限时也造悬索桥,如贵州的坝陵河大桥和湖北四渡河大桥是主跨分别为1068m和900m的钢桁梁悬索桥。

从经济的角度出发,在国内多用单跨悬索桥。

在单跨悬索桥中边中跨径取值较小(表二),一般在0.2~0.4之间,背索倾角加大,背索拉力加大,桥的整体刚度加大,对控制变形及改善振动特性有利,同时也比较经济。从美观和改善边跨通航条件角度出发,可采用三跨悬索桥。对于轨道运输要保证平稳做成三跨连续加劲梁的悬索桥为好。

钢箱梁高宽比 加劲梁为钢箱梁时,一般做得比较扁平,有较好的流线型以减少风制的振动和风荷载。在抗风稳定中不仅要考虑风能导致破坏的颤振稳定性外,还要考虑风产生的钢梁抖振的影响。虽然抖振不会造成垮桥,但使人和车辆行驶很不舒适。

一般取梁的高宽比大于1/10,至少也要大于1/11。对于大跨径悬索桥,在选择加劲梁断面时都应该做梁的节段模型试验,调整各细部尺寸,特别是梁高和风咀角度,选择风动稳定性好的断面可以大大降低风对桥梁的威胁。为了提高抗风稳定性,可以人为采用导流板、阻风板等措施。

抗风抗震稳定性 在提高抗风抗震稳定性方面最重要的是选择恰当的加劲梁和塔的断面以及必要的措施,还要进行梁的节段模型和全桥模型风洞试验。目前有这样一种趋势,在特大跨和强风区中加劲梁断面采用中间透风或分体箱梁的型式,这样减少梁上下的气压差,使梁在风的作用下,主要是上下运动,而减少扭转提高稳定性。

如前面介绍的香港青马桥是上下透空的;将要建设的舟山西堠门桥和香港青龙桥是分体箱梁。故有的专家提出千米以上跨径而抗风要求高的悬索桥都应考虑分体箱梁方案进行比较。

在抗风抗震中为了减少振幅和位移应考虑作用不同的阻尼器,如液压阻尼器,粘滞阻尼器和质量调谐阻尼器等。也有的专家考虑在主缆和吊索上做文章,使吊索面为倾斜面来增加抗扭刚度。

如前面提到的丰都长江大桥和韩国永宗悬索桥,但跨度都不大,而且都放弃了大跨径悬索桥施工中最有优势的跨缆吊机吊装方法。 锚碇 锚碇是悬索桥安全关键结构之一,靠它来锚固主缆,承受很大的主缆拉力,要求它最好不发生任何位移,故许多悬索桥的锚碇都利用基岩为基础。

但是在海上,在冲积平原基岩埋置很深时,只好利用摩擦式或重力式方法建造锚碇,如丹麦大、小海带桥、江阴长江大桥等。不过要非常慎重地确定允许水平、竖直变位,并严格控制。在地质条件好的地方,也有隧道锚加岩锚,如万州二桥,以提高锚体稳定性。

防腐与健康监测系统 对于建在大江和海上的桥梁,防腐蚀是保证桥梁耐久性的一个十分重要的问题,对于钢结构的加劲梁,主缆、吊索以及附属设施都要防止钢结构锈蚀,不仅有高质量的油漆做涂装,在钢梁、锚室和鞍罩内都有抽湿机。

有的桥连主缆也装有送干空气机,控制主缆内的湿度。对于在含氯离子的水中,水下和溅浪区的混凝土和钢筋也必须采取措施防腐蚀。 特大桥梁建成后,可以安装桥梁健康监测系统。但要注意,这个系统的监测点不宜过多,否则投资太大,数据分析工作量太大;而且数据分析多用历时较长的正常状态下对比和与设计的极限状态对比,而对历时较长而缓慢的衰变和疲劳等问题缺少及时的警告。

为此,日常的现场检查和定期的仪器检查是必不可少的,甚至应该以这样检查为主,监测系统的检查为辅。 总之,对于大跨径桥梁中悬索桥总是可以作为比选的方案。今后在研究新理论、新材料、新结构、新施工方案和新设备的基础上,悬索桥肯定会得到更大的发展。

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