大跨懸索橋及加勁梁斷面的發(fā)展概況
2018-05-21
根據(jù)世界科學(xué)史家李約瑟的推斷：鐵索橋（Iron Chain Bridge）起源于中國，而現(xiàn)代懸索橋（Suspension Bridge）隨著工業(yè)革命之后的發(fā)展，在西方國家得到了飛速的發(fā)展。
懸索橋最大的特點(diǎn)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(duì)結(jié)構(gòu)的變形有很大的抵抗作用，由于懸索橋橋型的獨(dú)有特點(diǎn)使其具有幾何非線性。從理論上理解懸索橋，它應(yīng)屬于索和梁的組合結(jié)構(gòu)體系。懸索橋的主要承重結(jié)構(gòu)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(jì)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(nèi)。19世紀(jì)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(gè)主跨79.25m的懸索橋在1818年由于大風(fēng)而毀壞，這是近代第一座遭風(fēng)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?；诜依乃枷?，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(dān)，吊桿由三組鍛鐵鏈懸掛，在建成6個(gè)月后此橋就遭到了風(fēng)致毀壞。但是Brighton Chain Pier橋和Montrose橋分別經(jīng)歷了強(qiáng)烈的風(fēng)致振動(dòng)后遭到毀壞。在后來的事故總結(jié)中，他給出的結(jié)論為：僅由縱橫梁組成的過于柔性的橋面容易發(fā)生振動(dòng)。并且他提出了用抗扭較強(qiáng)的桁架做橋面的設(shè)想。后來的懸索橋設(shè)計(jì)對(duì)這一理論非常注重。提高桁架的整體高度可以增強(qiáng)橋梁的剛度，但是不可避免會(huì)產(chǎn)生迎風(fēng)側(cè)較大的阻力，從而對(duì)整個(gè)橋梁的氣動(dòng)力穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。在美國，英國的風(fēng)毀事故沒有得到應(yīng)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(fā)生了三次懸索橋的風(fēng)毀事故。
在設(shè)計(jì)19世紀(jì)最大跨度的懸索橋——紐約Brooklin橋（主跨486.16m）的時(shí)候，設(shè)計(jì)師John Roebling認(rèn)識(shí)到采用桁架加勁梁和輔助斜吊索的必要性，盡管當(dāng)時(shí)理論上還不清楚提高抗扭剛度對(duì)抑制風(fēng)振的作用。1940年，在美國華盛頓州，建成了一座當(dāng)時(shí)最細(xì)長的橋梁——Old Tacoma Narrows Bridge，該橋?yàn)橹骺鐬?53m的三跨連續(xù)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(dāng)時(shí)居世界懸索橋第三位，細(xì)長的結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)師莫伊塞夫?qū)隙壤碚搼?yīng)用到極限的結(jié)果，也是該橋風(fēng)毀的根本原因。懸索橋撓度理論是Melan于1888年創(chuàng)立的，這種斷面忽視了扭轉(zhuǎn)剛度，從而導(dǎo)致高跨比急劇減小，橋面質(zhì)量減輕的同時(shí)剛度也就降低了，斷面氣動(dòng)性能惡化。該橋在建成后的第四個(gè)月就在19m/s的風(fēng)速下振動(dòng)不到70分鐘的時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈振動(dòng)而垮塌。莫伊塞夫在設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為降低加勁梁的高度可以減小迎風(fēng)側(cè)阻力，風(fēng)振響應(yīng)在順風(fēng)向的也會(huì)相應(yīng)的減少，可是這種特別柔的橋面引發(fā)了以前橋梁界從未認(rèn)識(shí)到的振動(dòng)形式——風(fēng)致顫振。調(diào)查顯示，歷史上類似于塔科馬橋的風(fēng)毀事故還有很多座。
在20世紀(jì)初，采用桁架加勁梁成為懸索橋抗風(fēng)的一種公認(rèn)的最優(yōu)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(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了柔細(xì)的但是空氣動(dòng)力穩(wěn)定性能良好的新型懸索橋形式。Seven橋的建成，與塔科馬橋風(fēng)毀事故一樣，在橋梁風(fēng)工程的發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義，充分展現(xiàn)了橋梁風(fēng)工程理論對(duì)橋梁設(shè)計(jì)的巨大指導(dǎo)作用，也是橋梁風(fēng)工程開始走向成熟的標(biāo)志。較強(qiáng)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(yōu)勢(shì)。
日本的懸索橋主要是從本四聯(lián)絡(luò)橋的修建開始的，到上世紀(jì)80年代末為止，日本在本四聯(lián)絡(luò)線上已經(jīng)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(lián)絡(luò)橋的后期建設(shè)中出現(xiàn)再度破跨度記錄的神戶-鳴門線上的主跨達(dá)1991m的明石海峽大橋，這是當(dāng)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(zhàn)國時(shí)期?，F(xiàn)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(shè)加勁梁。20世紀(jì)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(biāo)志著我國現(xiàn)代大跨度懸索橋的起點(diǎn)，這個(gè)橋就是廣州汕頭海灣大橋。隨后我們經(jīng)歷了學(xué)習(xí)追趕以及提高追蹤兩個(gè)時(shí)期的發(fā)展，建成了數(shù)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(jí)大橋的第六個(gè)國家。而西堠門大橋的通車，使其成為當(dāng)今世界上跨度最大的鋼箱梁懸索橋，跨徑達(dá)到1650m，是世界上抗風(fēng)穩(wěn)定性要求最高的橋梁之一。進(jìn)入21世紀(jì)，我們帶著創(chuàng)新與超越的精神，爭(zhēng)取在橋梁技術(shù)領(lǐng)域有更高的突破。
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