各國大跨徑懸索橋建設風格及成橋線形計算方法（圖文并茂）

各國大跨跨徑懸索索橋建設設風格及及成橋線線形計算算方法2懸索橋跨越能力力最強的的橋型之之一3懸索橋的的起源——起源于中中國，藤藤橋、索索橋等。。跨度500m：1880年至1920年-紐約，布布魯克林林（Brooklyn，1883，486m）橋，威威廉斯堡堡橋（Williamsboarg，1930，488m）橋，曼曼哈頓（（Manhattan，1909，448m）橋?？缍?000m：1931年-喬治、華華盛頓（（GeorgeWashington，1066m）橋；1937年金門（GoldenGate，1280m）大大橋橋。。1940年-美國國華華盛盛頓頓州州的的塔塔可可馬馬（（Tacoma，主主跨跨853m）大大橋橋的的風風毀毀引引起起人人們們對對懸索索橋橋抗抗風風的反反思思。。1964年-建成成韋韋拉拉扎扎諾諾（（VerrazanoNarrowsBr.）橋橋（（雙雙層層，，主主跨跨1298m）的的記記錄錄一一直直保保持持至至上上世世紀紀80年代代初初。。1966年建成成主主跨跨988m的塞塞文文（（Severn）橋橋。。歷史史4布魯魯克克林林橋橋（（Brooklyn，1883，486m），，美美國國，，紐紐約約5金門門大大橋橋，，1280m，美美國國，，1937年7新塔塔可可馬馬（（Tacoma，主主跨跨853m）大大橋橋81981年英國國的的恒恒伯伯爾爾（（Humber）橋（（主跨跨1410m）的建建成，，將保保持記記錄17年之久久的韋韋拉扎扎諾橋橋打破破。在亞洲洲，1962年福岡的的若戶戶橋，，主跨跨367m，至1988年建成的的南備備贊大大橋（（主跨跨1100m）結束束了亞亞州無無千米米跨大大橋歷歷史，，1998年，明石石海峽峽大橋橋（主主跨1990m）的建建成，，標志志著大大跨懸懸索橋橋修建建重心心轉移移到了了亞州州。在中國國，1995年建成了了西陵陵長江江大橋橋（主主跨900m）、1997年建成了了虎門門大橋橋（主主跨888m）。1998年的香港港青馬馬大橋橋（主主跨1377m）和1999年江陰長長江大大橋（（主跨跨1385m）分別列入入世界大跨跨度橋梁序序列中的第第四位與第第五位。主跨452m的汕頭海灣灣大橋采用預應力力混凝土加加勁梁，在在世界同類類橋中跨徑徑排名第一。歷史9構成：主纜、加勁勁梁、主塔塔、鞍座、、錨碇、吊吊索特征：柔性懸吊組組合體系。。成橋時，主主要由主纜纜和主塔承承受結構自自重，加勁勁梁受力由由施工方法法決定。成橋后，結結構共同承承受外荷載載作用，受受力按剛度度分配。構成及特征征10主纜纜：結構體系中中主要承重重構件，是是幾何可變變體，主要要承受拉力力作用。主主纜在恒載載作用下具具有很大的的初始張拉拉力，對后后續(xù)結構形形狀提供強強大的“重力剛度”，這是懸索索橋跨徑得得以不斷增增大、加勁勁梁高跨比比得以減小小的根本原原因主塔塔：抵抗豎向荷荷載的主要要承重構件件，在恒載載作用下，，以軸向受受壓為主；；在活載作作用下，以以壓彎為主主，呈梁柱柱構件特征征加勁梁梁：促證車輛行行駛、提供供結構剛度度的二次結結構，主要要承受彎曲曲內力。彎彎曲內力主主要來自結結構二期恒恒載和活載載吊索索：：將加勁梁自自重、外荷荷載傳遞到到主纜的傳傳力構件，，是連系加加勁梁和主主纜的紐帶帶，承受軸軸向拉力錨碇碇：錨固主纜的的結構，它它將主纜中中的拉力傳傳遞給地基基，通常采采用重力式式錨和隧道道式錨構件作用11（1）主纜采用用AS（AirSpinning）法架設。。（2）加勁梁采采用非連續(xù)續(xù)的鋼桁梁梁，適應雙雙層橋面，，并在橋塔處處設有伸縮縮縫。（3）橋塔采用用鉚接或栓栓接鋼結構構。（4）吊索采用用豎直的4股騎跨式。。（5）索夾分為為左右兩半半，在其上上下采用水水平高強螺栓緊固。。（6）鞍座采用用大型鑄鋼鋼件。（7）橋面板采采用RC構件。美國風格懸懸索橋主要要特點12首次采用鋼鋼箱梁與斜斜吊索聞名名于世的塞塞文橋的建建成，標志志著又一建建橋強國——英國的掘起起，代表了了歐洲風格格，其主要要特點（1）采用流線線型扁平鋼鋼箱梁作為為加勁梁。。（2）早期采用用鉸接斜吊吊索，經塞塞文橋、博博斯普魯斯橋以及恒恒伯爾橋的的實踐之后后，在博斯斯普魯斯二橋改回回到垂直吊吊索。（3）索夾分為為上下兩半半，在其兩兩側采用垂垂直于主纜的高強螺螺栓緊固。。（4）橋塔采用用焊接鋼結結構或鋼筋筋混凝土結結構。（5）鋼橋面板板采用瀝青青混合料鋪鋪裝。歐洲風格懸懸索橋主要要特點13作為為后后起起之之秀秀—日本本，，其其懸懸索索橋橋技技術術具具有有隨隨時時代代進進步步的的特特色色，，主主要要特特點點：：（1）采采用用預預制制平平行行鋼鋼絲絲索索股股架架設設主主纜纜（（PWS法））。。（2）加加勁勁梁梁主主要要沿沿襲襲美美國國流流派派的的鋼鋼桁桁梁梁型型式式，，但但近近年來對對非雙雙層橋橋面的的梁體體已轉轉向采采用流流線型型扁平鋼箱箱梁。。（3）吊索索沿襲襲美國國流派派的豎豎直4股騎跨跨式，，未接接受英國早早期的的斜吊吊索。。（4）橋塔塔采用用鋼結結構，，主要要采用用焊接接方式式。（5）鞍座座采用用鑄焊焊混合合方式式。（6）采用用鋼橋橋面板板瀝青青混合合料鋪鋪裝橋橋面。。（7）主纜纜索股股與錨錨碇內內鋼構構架采采用預預應力力工藝藝錨固固日本風風格懸懸索橋橋主要要特點點14目前，，國際際上廣廣泛采采用的的懸索索橋結結構及及工藝藝特點點：（1）主纜纜架設設方法法采用用AS法（英英國、、美國國）和和PWS法（日日本、、中國國）。。（2）加勁勁梁采采用流流線型型扁平平鋼箱箱梁型型式。。（3）吊索索為豎豎直形形式。。（4）錨固固方法法偏向向采用用鑄焊焊混合合結構構與預預應力力錨固工藝。。廣泛采用用的懸索索橋結構構及工藝藝特點15（1）跨徑越越來越大大，從幾十米發(fā)展到近近2000m；（2）加勁梁梁高跨比比越來越越小，從從1/40下降到1/300；（3）主纜等等主要承承重構件件的安全全系數取取值越來來越低，，從4.0下降到2.0?，F代懸索索橋的發(fā)發(fā)展中國懸索索橋歷史史與發(fā)展展16中國懸索索橋的歷歷史與發(fā)發(fā)展中國吊橋橋（索橋橋）歷史史悠久，，但多為為人行橋橋，跨徑徑小，適適應性較較差。現代懸索索橋雖然然源于古古代吊橋橋，但現現代懸索索橋的規(guī)規(guī)模、材材料、技技術含量量已和古古代吊橋橋不可同同日而語語，它集集中了當當代建筑筑學最尖尖端的理理論、工工藝、材材料，以以無與倫倫比的跨跨徑雄霸霸橋林，，即便是是橋林新新秀斜拉拉橋在跨跨徑上也也無力與與其爭鋒鋒。1995年，中國國第一座座現代大大跨徑懸懸索橋廣廣東省汕汕頭海灣灣大橋建建成，它它以452米的跨徑徑吹響了了中國大大跨徑懸懸索橋建建設的號號角。1996年，西陵陵長江大大橋就將將這一紀紀錄提高高到900米。1997年，又建建成了跨跨徑888米的虎門門大橋。。同年，，香港青青馬大橋橋又實現現了新的的跨越，，以1377米的跨徑雄雄居中國橋橋梁跨徑之之首。1999年江陰長江江大橋又以以1385米的跨徑傲傲視橋林。。中國懸索索橋4年實現3次飛躍，每每次飛躍都都是450米的驚人數數字，這在在世界橋梁梁史上也絕絕無僅有。。中國懸索橋橋的歷史與與發(fā)展2009年，舟山連連島工程中中的西侯門門大橋以1650米跨徑排中中國第一，，世界第二二。中國懸索橋橋的歷史與與發(fā)展懸索橋安瀾橋，中中國四川成成都，中國國現存最早早的懸索橋橋懸索橋藤橋，西藏藏林芝懸索橋汕頭海灣橋橋（1995年），中國國汕頭，425米，中國第第一座現代代化懸索橋橋懸索橋西陵長江大大橋（1996年），中國國湖北，900米，懸索橋橋懸索橋青馬大橋（（1998年），中國國香港，1377米，懸索橋橋吊橋國內一些經經典異形橋橋梁洞口淘金橋橋（1989年），跨徑徑70米，中國湖湖南，自錨錨上承式懸懸?guī)蚴澜缡髴覒宜鳂蛐蛱枠蛎骺?米)國家竣工時間1日本明石海峽大橋(AkashiKaikyoBridge)1991日本19982舟山西堠門大橋1650中國20093丹麥大貝爾特橋（大帶橋）（GreatBeltBridge）1624丹麥19964潤揚長江公路大橋1490中國20055英國亨伯橋（HumberBridge）1410英國19816江陰長江公路大橋1385中國19997香港青馬大橋1377中國19978維拉扎諾橋（VerrazanoNarrowsBridge）1298美國19649舊金山金門大橋（GoldenGateBridge）1280美國193710武漢陽邏公路長江大橋1280中國2007國外著名橋橋梁明石海峽大大橋（1998年），跨徑徑1991米，日本，，懸索橋舟山山西西堠堠門門大大橋橋，，1650m，中中國國浙浙江江舟舟山山大貝貝爾爾特特橋橋，，1624m，丹丹麥麥，，1996年潤揚揚長長江江大大橋橋，，1490m，中中國國，，2005年亨伯伯爾爾橋橋，，1410m，英英國國，，1981年金門門大大橋橋，，1280m，美美國國，，1937年國外外著著名名橋橋梁梁倫敦敦塔塔橋橋國外外著著名名橋橋梁梁394041柔性性懸懸吊吊組組合合體體系系，，施施工工過過程程幾幾何何非非線線性性突突出出；；成橋橋時時主主要要由由主主纜纜和和主主塔塔承承受受結結構構自自重重，，結結構構受受力力按按剛剛度度分分配配；；主纜纜在在恒恒載載作作用用下下具具有有很很大大的的初初始始張張拉拉力力，，對對后后續(xù)續(xù)結結構構形形狀狀提提供供強強大大的的““重重力力剛剛度度””；；主塔塔是是壓壓彎彎構構件件，，抗抗推推剛剛度度較較小小，，塔塔頂頂位位移移主主要要由由中中、、邊邊主主纜纜平平衡衡條條件件確確定定；；加勁勁梁梁是是受受彎彎構構件件，，彎彎曲曲內內力力來來自自二二期期恒恒載載和和活活載載，，隨隨著著跨跨徑徑的的增增大大，，其其功功能能退退化化為為將將活活載載傳傳遞遞至至主主纜纜，，其其抗抗彎彎剛剛度度對對結結構構剛剛度度影影響響逐逐漸漸減減小小。。懸索索橋橋的的受受力力特特征征42吊索索是是重重要要的的傳傳力力構構件件，，其其內內力力決決定定主主纜纜線線形形，，也也決決定定主主梁梁恒恒載載彎彎矩矩；；錨碇碇錨錨固固主主纜纜，，傳傳遞遞主主纜纜力力至至基基礎礎，，分分重重力力式式錨錨碇碇和和隧隧道道式式錨錨碇碇；；懸索橋成成橋狀態(tài)態(tài)確定極極其重要要。懸索橋的的受力特特征43彈性理論論(19世紀末20世紀初)撓度理論論(20世紀初~20世紀80年代)有限位移理論論及非線性理理論(20世紀80年代以來)懸索橋計算理理論的發(fā)展44基本假定主纜只受拉，，不承受彎矩矩，恒載下主主纜幾何線形形為二次拋物物線，恒載完完全由主纜承承擔?；钶d下下主纜的幾何何形狀及長度度假定保持不不變。梁的抗彎剛度度EI沿梁長不變。。吊索的“膜效效應”。彈性理論45按上述假定，，懸索就是纜纜和加勁梁的的簡單組合體體系。具有線線彈性性質，，疊加原理對對它適用。在進行設計時時，可以為其其沿梁各點繪繪制彎矩和剪剪力的影響線線；而后讓活活載布置在最最不利位置，，進行梁的彎彎矩和剪力值值計算，并按按這些值對梁梁進行驗算。。在這種情況況，加勁梁是是承重結構體體系的重要組組成部分，而而結構在活載載下的撓度則則是同加勁梁梁抗彎剛度EI密切相關的。。當懸索橋的跨跨度不大,而且加勁梁的的高度取為跨跨度的1/40左右不感到為為難時，采用用彈性理論分分析是適宜的的。彈性理論46在彈性理論下下，可求得加加勁梁任意截截面的彎矩為為：彈性理論式中:Mp一一外荷載繞繞O點的力矩;Hp一一活載作用用下主纜張力力的水平分力力;y一一加勁梁任任意截面的豎豎向坐標。適用范圍在跨度小于200m的懸索橋設計計中,當加勁梁高度度取為跨徑的的l/40左右時,采用彈性理論論是合適的。。對于跨度大于于300m以上的懸索橋橋,采用彈性理論論計算,所得結果比用用撓度理論計計算偏大20%一50%,加勁梁將相當當笨重,從而造成材料料的嚴重浪費費,當跨度增大到到一定程度時時,彈性理論的計計算結果將嚴嚴重偏離實際際,達到不能接受受的程度。彈性理論撓度理論與彈彈性理論的根根本區(qū)別在于于：撓度理論在其其活載效應的的計算中考慮慮了主纜在活活載作用下的的撓度，而彈彈性理論則是是假定主纜由由恒載所決定定的形狀，在在活載作用下下沒有任何改改變。撓度理論基本假定恒載沿橋梁的的縱向是均勻勻分布的；在恒載作用下下，在無活載載狀態(tài)下，主主纜線形為拋拋物線，加勁勁梁內無應力力；吊索是豎向的的，且是密布布的，在活載載作用下，只只考慮吊索有有拉力，而不不考慮吊索的的拉伸和傾斜斜；在每每一一跨跨內內加加勁勁梁梁為為等等直直截截面面梁梁，，即即截截面面慣慣性性矩矩在在一一跨跨內內為為常常量量；；主纜纜及及加加勁勁梁梁都都只只有有豎豎向向位位移移，，不不考考慮慮其其在在縱縱向向的的位位移移。。撓度度理理論論撓度度理理論論下下加加勁勁梁梁任任意意截截面面的的活活載載彎彎矩矩M如下下：：撓度度理理論論與彈彈性性理理論論相相比比，，撓撓度度理理論論多多出出了了最最后后一一項項(Hp+Hg)v，這這就就是是撓撓度度理理論論與與彈彈性性理理論論的的差差別別，，即即主主纜纜恒恒載載要要抵抵抗抗活活載載的的變變形形，，活活載載引引起起的的主主纜纜張張力力對對抵抵抗抗變變形形也也有有貢貢獻獻。。將將其其加加勁勁梁梁寫寫成成微微分分方方程程形形式式加加下下:撓度度理理論論這就就是是懸懸索索橋橋撓撓度度理理論論的的平平衡衡方方程程。。近似似方方法法等代梁梁法線性撓撓度理理論重力剛剛度法法撓度理理論撓度理理論在大跨跨度懸懸索橋橋的發(fā)發(fā)展過過程中中起到到了重重要的的作用用，但但它是是一種種解析析方法法，由由于微微分方方程的的求解解困難難而不不得不不加以以近似似處理理，忽忽略某某些影影響因因素，，例如如:(l)吊桿的的傾斜斜、伸伸長；；(2)纜索節(jié)節(jié)點的的水平平位移移；(3)加勁梁梁的水水平位位移及及剪切切變形形等，，這些些因素素的忽忽略會會使跨跨度較較大的的懸索索橋分分析結結果受受到顯顯著的的影響響。在在這些些方面面，Timoshenko進行過過有意意義的的討論論。盡盡管后后來有有不斷斷修正正的撓撓度理理論，，對吊吊桿伸伸長及及主纜纜傾斜斜進行行了考考慮，，但公公式推推導繁繁雜，，應用用很不不方便便。因因此其其影響響遠不不如撓撓度理理論。。撓度理理論有限位位移理理論是是相對對于微微小位位移理理論而而言的的，在在微小小位移移理論論中，，認為為外力力產生生的變變形不不影響響力的的平衡衡，而而有限限位移移理論論中，，荷載載的平平衡狀狀態(tài)是是以變變形后后的結結構狀狀態(tài)為為基礎礎的。。有限位位移理理論將將吊桿桿離散散化，，可以以適應應結構構細節(jié)節(jié)上的的任何何變化化，而而且其其可以以較全全面地地考慮慮幾何何非線線性的的因素素:荷載作作用下下的結結構大大位移移；纜纜索自自重垂垂度的的影響響；恒恒載初初始內內力對對剛度度的影影響。。因而而能夠夠對所所分析析的對對象采采取更更符合合實際際的計計算模模型，，與撓撓度理理論相相比其其計算算結果果更為為精確確。有限位位移理理論大變形形問題題的考考慮——T.L列式和和U.L列式。。總體拉拉格朗朗日法法（T.L列式）在整個分分析過程程中,單元的應應變、位位移、單單元間節(jié)節(jié)點力的的方向均均以t=0時(變形前)的構形作作為參考考,且參考位位形保持持不變,由此建立立的有限限元列式式即為總總體拉格格朗日列列式(T.L列式)。由于參考位位形不隨時間間和結構的變變形而變化,因此對同一單單元,局部坐標向整整體坐標變換換時其變換關關系是不會隨隨結構的變形形而變的。有限位移理論論按上述概念,利用虛位移原原理即可建立立基于T.L列式的平衡方方程：有限位移理論論其中：[K0]------彈性剛度矩陣陣，與節(jié)點位位移無關；[KL]------初始位移剛度度矩陣或大位位移剛度矩陣陣，是由大位位移引起的結結構剛度矩陣陣變化，是位位移的函數;[Kσ]------初應力剛度矩矩陣，表示初初應力對結構構剛度的影響響，當應力為為壓應力時，，切線剛度減減小，否則增增加。修正的總體拉拉格朗日法（（U.L列式）在建立t+Δt時刻物體平衡衡方程時,如果我們選擇擇的參照構形形不是t=0時的形,而是最后一個個已知平衡狀狀態(tài),即以本增量步步起始時的t時刻構形為參參照構形,這種列式稱為為修正的拉格格朗日列式(U.L列式),在該列式中,參考位形隨時時間和結構的的變形而變化化,因此此對對同同一一單單元元,局部部坐坐標標向向整整體體坐坐標標變變換換時時其其變變換換關關系系隨隨結結構構的的變變形形而而變變化化。。采采用用U.L列式式,平衡衡方方程程(2一9)中的的積積分分需需在在t時刻刻單單元元體體積積內內進進行行,且單單元元剛剛度度矩矩陣陣中中大大位位移移剛剛度度矩矩陣陣[KL]積分分式式是是[K0]的一一階階或或二二階階小小量量,可以以略略去去,則增增量量形形式式的的U.L列式式結結構構平平衡衡方方程程可可寫寫為為：有限限位位移移理理論論有限限位位移移理理論論------以變變形形后后結結構構為為參參考考的的結結構構彈彈性性剛剛度度矩矩陣陣----以變變形形后后結結構構為為參參考考的的結結構構初初應應力力剛剛度度矩矩陣陣有限限位位移移理理論論T.L列式式和和U.L列式式的的區(qū)區(qū)別別：：除在在大大位位移移剛剛度度矩矩陣陣[KL]上有有區(qū)區(qū)別別外外，，在在剛剛度度的的形形成成及及適適用用情情況況上上亦亦有有異異同同之之處處，，具具體體如如下下：：①剛度積積分域域不同同。T.L列式是是在初初始構構形的的體積積域內內進行行，而而U.L是在變變形后后的體體積域域內進進行；；②轉換矩矩陣不不同。T.L列式在在集成成總剛剛時，，始終終采用用初始始結構構的總總體坐坐標中中的單單元結結構方方向余余弦形形成轉轉換矩矩陣；；而U.L是用變變形后后的方方向余余弦形形成，，計算算過程程中不不斷改改變；；③關于計算精度。T.L列式中保留了了剛度矩陣中中的所有線性性和非線性項項，而U.L列式中忽略了了高階非線性性項。但是，U.L列式中由于忽忽略了大位移移剛度矩陣，，其在結構的的大應變分析析、彈塑性徐徐變分析等卻卻優(yōu)于T.L列式，更容易易用在考慮幾幾何、材料雙雙重非線性影影響的大型混混凝土橋梁結結構分析中。懸索橋的非線線性影響因素素荷載作用下的的結構大位移移纜索自重垂度度的影響恒載初始內力力對主纜剛度度的影響有限位移理論論拋物線法基本假定索是理想柔性性的,既不能受壓,也不能受彎；；索的材料符合合虎克定律,應力與應變符符合線性關系系;主纜的截面面面積和自重集集度在外荷載載作用下的變變化量十分微微小,可忽略不計;在懸索橋的成成橋狀態(tài),因為主纜荷載載集度同加勁勁梁相比很小小,所以將其荷載載分布近似看看作為沿跨度度方向的均布布荷載。懸索橋成橋線線形計算方法法懸索橋成橋線線形計算方法法單索平衡方程程假定q(x)延跨長均勻分分布q，則則兩次次積積分分并并考考慮慮邊邊界界條條件件，，得得因此此,當假假定定主主纜纜所所受受荷荷載載為為沿沿跨跨度度方方向向均均布布時時,主纜纜線線形形為為二二次次拋拋物物線線。。懸索索橋橋成成橋橋線線形形計計算算方方法法主纜纜水水平平拉拉力力帶入入線線形形公公式式，，得得上式式記記為為傳傳統統拋拋物物線線理理論論的的主主纜纜曲曲線線方方程程。。懸索橋橋成橋橋線形形計算算方法法無應力力長度度計算算a.成橋狀狀態(tài)下下的懸懸索長長度懸索橋橋成橋橋線形形計算算方法法b.主纜的的彈性性伸長長在懸索索橋AB中取一一微分分單元元ds,有懸索橋橋成橋橋線形形計算算方法法c.無應力力索長長的計計算上式是是常用用的拋拋物線線索長長近似似公式式。主主纜線線形計計算的的傳統統拋物物線法法有許許多假假定，，是一一種近近似方方法。。在跨跨度不不大的的情況況下，，用傳傳統拋拋物線線法確確定懸懸索橋橋恒載載下主主纜的的幾何何形狀狀和內內力，，是一一種簡簡單實實用的的方法法。分段懸懸鏈線線法對于大大跨度度懸索索橋來