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1、一、悬索桥概述 二、悬索桥的基本结构及其设计与施工 三、自锚式悬索桥存在的问题 四、悬索桥的发展 五、铁路悬索桥 六、设计理念,第六章 悬索桥,第一节 悬索桥概述,悬索桥的组成及材料发展 悬索桥的选用原则及优点 悬索桥的形式 悬索桥的设计流派,悬索桥的组成及材料发展,受力特征：以主缆为主要承重结构，通过锚碇和桥塔传给地基。,悬索桥的材料发展：,早期制索材料为藤条、竹子、皮革、铁链等。至今我国千年前的四川灌县安澜竹索桥仍保持着原始的风貌。,17世纪采用铁链作为悬索的桥梁 建于公元1705年的四川大渡河的泸定铁索桥，主跨达103m，很可能是当时世界跨度最大的悬索桥。该桥已属于第一批国家保护的重要文
2、物。,利用钢缆绳、钢绞线和钢丝等现代化钢材来制造的悬索桥则基本上是进入20世纪后才出现的。,19世纪采用眼杆(eyebar)与销铰作悬链的桥梁 英国1826年建成的跨度为177m的麦地海峡桥和1864年建成的跨度为214m的克利夫顿(Clifton)桥都属于这种形式，这两座古老的悬索桥至今尚用。,悬索桥的选用原则及优点,建桥使用功能要求大跨度：悬索桥内力传递直接，充分发挥主缆钢丝的高强度特性，跨越能大； 地形和地质非常适于建锚碇：总体经济优势显著； 塔高受到限制：同跨度悬索桥比斜拉桥主塔高度低； 建筑景观需求：悬索桥对称的主缆悬链线型和雄伟的主塔造型美观； 施工条件特殊：大河、深谷，悬索桥构件
3、可化整为零，施工更便利。,悬索桥的形式,悬索桥的设计流派,悬索桥同梁桥、拱桥一样，是自古以来最基本的桥型之一，可以说它起源于我国，发展于美国，变革于英国，而现代建造最活跃的是欧州、日本，我国也正在快步追赶建造悬索桥的世界水平。自美国于1903年在纽约采用空中编缆法（AS）建成主跨488m的威廉姆斯堡（Williamsburg）大桥以来，真正意义上的大跨度悬索桥技术在世界范围已应用发展了100年，成为跨越千米以上最理想的桥型。据统计，全世界各类悬索桥总数已超过100座，其中跨度逾千米的已近20座。,我国江阴长江大桥建于1999年1385m,美国、英国、日本和中国是悬索桥相对集中的四个大国。由于这
4、些悬索桥的建设年代和国情条件差异，在结构特点上形成了各自的设计风格和设计流派。,美式悬索桥 英式悬索桥 日式悬索桥 中国悬索桥,美式悬索桥,美国是修建悬索桥的先驱，起步较早。 1883年建成布鲁克林（Brookly）桥，中跨486m。 1903年建成威廉斯堡（Williamsburg）桥，中跨487.5m。 1909年建成曼哈顿（Manhattan）桥，中跨450m。 1930年代就已成为建设悬索桥的高峰期，建成了两座跨度超过1000m的大桥乔治华盛顿桥（George Washington）和金门大桥（Golden Gate）。 1940年因塔科马（Tacoma）大桥风毁，悬索桥建设而一度受挫
5、，转而进行风洞试验研究。 1964年，悬索桥技术又开始复兴，美国又建成了维拉扎诺海峡桥（VarrazanoNarrows）。 此外，美国也为其他国家设计修建了多座悬索桥，如葡萄牙的4月25日桥、委内瑞拉的Augostura桥等。,这些桥具有如下一些共同特点，构成美式流派： 主缆：空中编缆法（AS法）架设成缆 加劲梁：钢桁梁适应双层桥面，并在塔处设吊拉支承及伸缩缝 桥塔：铆接或栓接钢结构 吊索：竖直4股骑挂式钢丝绳 索夹：左右两半式，上下采用高强螺栓水平向紧固 鞍座：大型铸钢结构、辊轴滑移支承 桥面：钢筋混凝土板,1883年建成的布鲁克林桥虽经百年沧桑仍在使用，它既是钢桥历史纪念的里程碑，也是纽
6、约的象征，由于时代技术的制约墩实厚重的石塔沿袭了古典样式。罗布林父子设计建造。主缆镀锌、AS法编缆、气压沉箱。,云海中的金门大桥,大桥有6车道。,当年主塔施工情况,主塔塔高227m,大桥工人当年架设主缆的情况,两根主缆直径为90cm,当年架设主缆施工情况,1941年修了华盛顿州的塔科玛桥（但仅通车三个月被风吹垮，后于1950年重建。,塔科玛桥风毁事故与卡门涡街,冯卡门（Theodore von Krmn 1881-1963）是美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀在美国加州理工学院时的导师。 卡门涡街是流体力学中重要的现象。在自然界中常可遇到，在一定条件
7、下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，甚至使物体损坏。,1940年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元，建造了一座主跨度853.4米的悬索桥。建成4个月后，于同年11月7日碰到了一场风速为19米/秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近9米），直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中
8、。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程，它后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时，惊异地发现：从1818年到19世纪末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了11座悬索桥。,第二次世界大战结束后，人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振；而以冯卡门为代表的流体力学家认为，塔科玛桥的主梁有着钝头的H型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。冯卡门1954年在空气动力学的发展一书中写道：塔科玛海峽大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引
9、起的。设计的人想建造一个较便宜的结构，采用了平板来代替桁架作为边墙。不幸，这些平板引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引起的。,20世纪60年代，经过计算和实验，证明了冯卡门的分析是正确的。塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门涡街；卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。,塔科玛桥重建,1964年修建了维拉扎诺海峡桥，主跨1298m，双层公路，上下层各六车道。双面悬索，每面均为双索。钢加劲桁架用刚构式横断面以增加抗扭刚
10、度。当时世界前十二位的长大悬索桥全部都是美国的，形成了索轻、梁劲、塔薄、墩重的美国式风格。,这座吊桥建在被阿肯色河分隔开的1,053尺高的峡谷之上。于1929年在6个月之内由行业生手所造，作为世界最高的悬索桥名噪一时。,英式悬索桥,1960年代起步，1964年建成第一座悬索桥福斯桥，随后在英国和土耳其建成塞文（Severn）桥、博斯普鲁斯一桥、二桥和恒比尔（Humber）桥等典型英式悬索桥，形成了英式流派，其主要特征如下： 加劲梁：流线型扁平箱梁 桥塔：焊接钢结构或钢筋混凝土结构 吊索：端销接，斜向布置 索夹：上下两半式，两侧采用高螺栓竖向紧固,1966年英国建造的塞文桥采用了流线型的扁平钢箱
11、梁，被称为现代扁平箱梁悬索桥之父，主跨988m。像机翼一样的断面形状其空气动力稳定性非常好，而且箱梁的扭转刚度也较大，同时塞文桥采用了斜吊杆，以其独特的形态强烈地冲击了桥梁界，形成了悬索桥的英国式风格。,该桥长1560米，宽33米，高165米，六车道。 1973年10月30日正式通车，宛如一根纽带把欧亚两部分连结起来，那天有25万人从欧洲过桥到达亚洲。 “这座由英国人设计的欧亚大桥是一座难忘的结构物。”,英国恒比尔桥,英国恒比尔大桥（建于1981年）,恒比尔大桥的主塔,桥塔采用混凝土框架结构，塔高155.5m；北桥塔基础为实体混凝土，南桥塔基础为混凝土沉井，围堰法施工；塔身采用滑模法施工。,T
12、he Humber Bridge,从塔顶俯视桥面,主跨1410m,恒比尔大桥的主跨长度保持了世界纪录16年,大桥底部,大桥桥面,大桥全景,日式悬索桥,1970年代以后日本开始兴建悬索桥，这时国际上悬索桥的技术发展已日臻完善，日本结合自己的国情，吸收了世界上的先进技术，融合形成了日式流派： 主缆：一律采用预制束股法（PWS法）架设成缆 加劲梁：沿袭美式桁梁型式，且在下层布置铁路，少数公路桥亦开始采用英式流线型箱梁结构 桥塔：钢结构，主要采用焊接、少数采用栓接 吊索：沿用美式竖向4股骑挂式钢丝绳 鞍座：铸焊混合式 主缆锚固：预应力锚固系统,日本南备赞濑户大桥建于1988年,日本明石海峡大桥,目前世
13、界第一大悬索桥(跨度1991m),Akashi Kaikyo Bridge,主塔塔顶高度297.3m,明石海峡大桥的主塔,当年大桥架设主缆的情况,位于日本本州岛西南部,中跨1991m，20世纪在悬索桥类型中，中跨长度世界第一。,The main towers made of steel reached 297 m above the sea level,主塔297m,安装主钢缆,90,000 tons of steel was used in constructing the stiffening girders.,大桥的加劲钢箱梁用了钢材90000吨。这是架设钢箱梁的情况,如此重的桥跨全靠主
14、塔支承着。这是主塔施工的情况。,主塔基础,主塔基础施工的情况,移动主塔沉箱就位,水下浇注混凝土,主塔施工情况,两个主塔初见雄姿,中国悬索桥,1995年建成中国第一座现代悬索桥汕头海湾大桥，随后进入迅猛发展时期，相继建成了西陵长江大桥、虎门大桥、丰都长江大桥、厦门海沧大桥、江阴长江大桥、重庆鹅公岩长江大桥和宜昌长江公路桥等，另有江苏润扬长江大桥、柳州红光桥和贵州的几座小型公路悬索桥等也正在施工建设中。作为桥梁设计者在此勉励广大桥梁工程师们继续发扬前辈桥梁专家的创新精神，在吸收世界先进建桥技术的同时，努力开拓进取，以科技创新和新技术含量形成中国悬索桥的设计流派，树立中国桥梁技术的国际形象，形成具有
15、中国技术特色的设计流派。,香港青马大桥建于1997年,主跨1377m,主跨1377m,青马大桥主塔高度206m,大桥主塔施工的情况,当年大桥安装钢箱梁的情况,大桥主缆施工的情况,从塔顶向下俯瞰,大桥刚建成的情况,大桥桥面具有6个车道,Tsing Ma Bridge,大桥雄伟的夜景,各国对悬索桥技术发展的主要贡献： 美国：在设计方法，计算理论，材料制造和施工工艺等各方面均具开创和示范作用； 英国：扁平钢箱加劲梁技术革命； 日本：大型模型试验，材料技术，巨型深水基础，铁路公路两用； 中国：混凝土加劲梁，板式加劲梁(PC板梁，钢板梁），结合梁。,第二节 悬索桥的基本结构及其设计与施工,主缆 主塔 锚碇 加劲梁 塔顶鞍座 散索鞍/散索箍 吊索和索夹 主缆锚固,主缆,空中纺丝法制缆（AS法）,是将1至4对钢丝在空中猫道上以滑车牵引纺成平行钢丝索索股，然后再将若干根钢丝索彼此平行地绑扎成一根主缆。,主缆线型：垂跨比1/9-1/12 边跨线型：由恒载水平拉力相等确定 主缆控制工况：三跨满载降温,主塔,钢塔,混凝土塔,锚碇,加劲梁,汕头桥加劲梁,塔顶鞍座,散索鞍/散索箍,吊索和索夹,吊索,索夹,主缆锚固,
