淺談自錨式懸索橋

李曉東 郭亮

【摘要】自錨式懸索橋取消了龐大的錨碇，將主纜直接錨固在梁端，不僅降低了造價(jià)，更使不宜修建錨碇的地方修建懸索橋成為可能。21世紀(jì)初，自錨式懸索橋被稱(chēng)為新橋型，登上中國(guó)橋梁舞臺(tái)，發(fā)展速度非?？?，大有成為“時(shí)尚”橋型的趨勢(shì)。但自錨式懸索橋并不是新橋型，受體系特點(diǎn)和施工方法的限制，其跨越能力有限，審美表現(xiàn)力不會(huì)很突出，所以有必要對(duì)這種橋型的合理性作科學(xué)的反思。

【關(guān)鍵詞】自錨式懸索橋；發(fā)展；橋型；體系特點(diǎn)；施工方法；反思

1自錨式懸索橋的歷史回顧

1859年，奧地利工程師Langer第一次提出自錨式懸索橋的設(shè)想，但美國(guó)工程師Bender于1867年搶先申請(qǐng)了專(zhuān)利。1870年，Langer在波蘭率先建成了世界第一座小跨度的試驗(yàn)橋，成為第一位自錨式懸索橋的實(shí)踐者。

1915年，德國(guó)工程師在建造跨越萊茵河的科?。↘?ln）-Deutz橋時(shí)，因美學(xué)考慮希望選擇懸索橋方案，但由于軟土地基不宜建造錨碇，最后決定采用自錨式懸索橋，主跨184.5米的該橋取得了成功，在國(guó)際上產(chǎn)生了很大的影響。

1929至1939年的十年間，德國(guó)萊茵河上又建成了四座自錨式懸索橋，其中最著名的是主跨達(dá)315米的K?ln-Mülheim橋。

1990年，日本工程師在建造主跨300米的大阪Konohona橋時(shí)采用了Leonhardt單索面自錨式懸索橋的思想，但用斜吊桿以增加剛度，并用預(yù)張力解決吊桿的疲勞問(wèn)題。

中國(guó)自2000年以來(lái)，已建成了二十幾座自錨式懸索橋，已形成了一股自錨式懸索橋的熱潮。

2006年，我國(guó)建成了主跨350米的自錨式懸索橋——佛山平勝大橋，獨(dú)塔四索面雙門(mén)塔結(jié)構(gòu)，頂推法施工主梁。

2008年，我國(guó)建成了跨徑組合為47+167+219+47米，總長(zhǎng)480米的獨(dú)塔自錨式懸索橋——廣州獵德大橋和主跨260米，邊跨83米，雙塔采用中央獨(dú)柱，三維空間主纜的自錨式懸索橋——杭州江東大橋。

2自錨式懸索橋的發(fā)展趨勢(shì)【1】

現(xiàn)代自錨式懸索橋的大量涌現(xiàn)，表明這一結(jié)構(gòu)新穎、造型美觀的橋型歷經(jīng)一個(gè)半世紀(jì)的洗禮，目前已經(jīng)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段。目前主要有以下發(fā)展趨勢(shì)：

（1）橋型布置

自錨式懸索橋橋型布置多種多樣，目前主要有雙塔三跨，單塔雙跨等結(jié)構(gòu)形式，今后也可能建造多塔自錨式懸索橋，主纜線形上也會(huì)有所變化。

（2）加勁梁及纜索系統(tǒng)

隨著自錨式懸索橋跨度的不斷增大，加勁梁的軸壓力和纜索支承系統(tǒng)的體系轉(zhuǎn)換已成為控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，修建大跨度自錨式懸索橋?qū)⒚媾R較大的挑戰(zhàn)。因此，提高材料強(qiáng)度，增加跨越能力，減少恒載，研發(fā)新型材料，以及便捷體系轉(zhuǎn)換和加快施工進(jìn)度，都是今后研究的重要課題。

（3）架設(shè)方法

傳統(tǒng)自錨式懸索橋采用“先梁后纜”的施工方法，需要搭建大量臨時(shí)支架以安裝主梁，這在一定程度上限制了這種橋型的推廣，已成為阻礙自錨式懸索橋廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要因素。目前已經(jīng)出現(xiàn)了“先纜后梁”的施工工藝。

3 自錨式懸索橋橋型方案合理性的反思

圖1 自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)圖

自錨式懸索橋（圖1）與傳統(tǒng)懸索橋（地錨式懸索橋）的最大區(qū)別有兩個(gè)：其一，主纜錨固于邊跨加勁梁（即錨跨），因而可以利用加勁梁的水平支承能力來(lái)平衡（傳遞、支承）主纜水平分力，利用錨跨自重來(lái)平衡主纜拉力的豎向分力，節(jié)省龐大的錨碇工程，在地質(zhì)條件差或深水橋位，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)十分突出；其二，可以利用主纜水平分力為加勁梁提供壓應(yīng)力，因而加勁梁可采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)省預(yù)應(yīng)力費(fèi)用。

深入分析已建成的自錨式懸索橋發(fā)現(xiàn)，上述兩大優(yōu)點(diǎn)是局限的，同時(shí)也會(huì)引發(fā)一些新問(wèn)題或負(fù)效應(yīng)，分述如下：

（1）主纜水平分力改變了加勁梁的受力方式，提高了鋼箱梁的應(yīng)力水平，大大增加了用鋼量和工程費(fèi)。

（2）邊跨普通鋼筋混凝土加勁梁的總費(fèi)用高于預(yù)應(yīng)力梁。自錨式懸索橋?qū)觿帕禾峁┑膲簯?yīng)力只能在體系轉(zhuǎn)換之后才能發(fā)揮作用，在此之前，為了防止普通鋼筋混凝土梁開(kāi)裂，設(shè)計(jì)要求增設(shè)龐大的跨中臨時(shí)墩或支架支撐。此外，為了適應(yīng)軸向壓力引起的彈性壓縮和后期徐變收縮，防止支座豎向力偏心，需要設(shè)置大偏位置活動(dòng)支座。這兩項(xiàng)費(fèi)用已超過(guò)了預(yù)應(yīng)力設(shè)施費(fèi)用。

（3）錨跨結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高空施工難度大，材料用量高，不一定比地錨經(jīng)濟(jì)。

4 自錨式懸索橋施工方法存在問(wèn)題的反思

自錨式懸索橋上部結(jié)構(gòu)主要施工與傳統(tǒng)地錨式懸索橋的最大區(qū)別有三點(diǎn)：其一，必須先完成加勁梁（包括主跨鋼箱梁，邊跨加勁梁及錨跨）；其二，必須進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換；其三，必須進(jìn)行強(qiáng)制性線性調(diào)整。這三大差異造成的施工難度和引發(fā)的技術(shù)問(wèn)題很多。

跨度較大的自錨式鋼箱梁懸索橋多推薦采用頂推法架設(shè)。此法的主要難點(diǎn)有：

（1）鋼箱梁梁段需運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝，受橋跨限制，拼裝平臺(tái)不可能太長(zhǎng)，而需要采用所謂“短線拼裝法”，觀測(cè)表明，受已推出梁段懸臂重量的影響，拼接段將會(huì)出現(xiàn)初應(yīng)力，實(shí)際拼裝線形難以預(yù)控。

（2）在頂推法過(guò)程中，鋼箱梁的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布不斷變化。觀測(cè)證明，這個(gè)應(yīng)力難以全部消除，運(yùn)營(yíng)階段鋼箱梁中可能殘留不明確的附加應(yīng)力，而地錨式懸索橋鋼箱梁中則不會(huì)發(fā)生這種附加應(yīng)力。

（3）需要對(duì)鋼箱梁和頂推系統(tǒng)作特殊設(shè)計(jì)。頂推法已是成熟的施工方法，但用于架設(shè)鋼箱梁時(shí)，則需特別控制支承面大偏心受壓、預(yù)防縱隔板偏移出滑道造成底板局部受力等問(wèn)題，為此，設(shè)計(jì)采取了局部加強(qiáng)縱隔板、加大支承面積、增大導(dǎo)梁長(zhǎng)度等措施。

5 自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換及線形調(diào)整引發(fā)問(wèn)題的反思

體系轉(zhuǎn)換和成橋線形調(diào)整是自錨式懸索橋區(qū)別于地錨式懸索橋的又一特殊工序，也是最復(fù)雜的工序。在該工序中，結(jié)構(gòu)受力模型、體系內(nèi)（應(yīng)）力、變形都會(huì)發(fā)生極大變化。如：

（1）主纜將由低拉應(yīng)力狀態(tài)過(guò)渡到高拉應(yīng)力狀態(tài)，由自重懸垂線形過(guò)渡到成橋拋物線形。

（2）吊索將由零拉應(yīng)力狀態(tài)過(guò)渡到設(shè)計(jì)應(yīng)力狀態(tài)。

（3）加勁梁將由零軸向壓應(yīng)力狀態(tài)過(guò)渡到高軸向壓應(yīng)力狀態(tài)，受力體系將承的多跨連續(xù)梁過(guò)渡到彈性支承多跨懸吊連續(xù)梁，線形將會(huì)發(fā)生多次變化。

（4）支架和臨時(shí)墩將由高壓應(yīng)力狀態(tài)過(guò)渡到零壓應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生彈性回彈。

（5）體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中，混凝土加勁梁支座將隨梁的彈性壓縮而產(chǎn)生水平位移，橋墩將承受水平力。

橋梁施工經(jīng)驗(yàn)表明，體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中最容易發(fā)生重大施工安全事故和工程質(zhì)量問(wèn)題。為了順利完成體系轉(zhuǎn)換，防止發(fā)生安全事故，通常要求按照“平穩(wěn)、平衡、逐步過(guò)渡”原則，擬定合理的轉(zhuǎn)換程序；進(jìn)行精細(xì)的計(jì)算、測(cè)量；制定標(biāo)高和索力“雙控”方案及誤差限制目標(biāo)；嚴(yán)格及時(shí)地監(jiān)控體系狀態(tài)。

成橋線形調(diào)整精度對(duì)橋梁使用期的受力和變形影響很大，也是一個(gè)重要工序。由于二期恒載較大（約為一期恒載的17%～20%），為了盡可能符合設(shè)計(jì)線形和內(nèi)力分布，一般在體系轉(zhuǎn)換后施工橋面鋪裝，然后再進(jìn)行主纜及橋面線形調(diào)整。

6結(jié)語(yǔ)

盡管自錨式懸索橋避免了傳統(tǒng)外錨式懸索橋中體量巨大的錨碇，適合在軟土地基的條件下采用這種外形優(yōu)美的懸索體系，但是由于其有著自身的缺點(diǎn)和局限，所以希望中國(guó)橋梁設(shè)計(jì)者慎重思考與決策，不宜盲目追逐熱潮，以免弄巧成拙，并造成不必要的浪費(fèi)和施工困難。