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(guó)，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(guó)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(guò)吊索傳遞給主纜。
從18世紀(jì)后半葉開(kāi)始，美國(guó)和英國(guó)開(kāi)始了建造懸索橋的嘗試。最初的形式是一種沒(méi)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(chē)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(guó)雅各溪上建了一座長(zhǎng)21米的懸索橋，該橋的橋面由桁架支撐?；诜依乃枷耄?guó)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(lái)的事故總結(jié)中，他給出的結(jié)論為：僅由縱橫梁組成的過(guò)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(lái)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(guó)，英國(guó)的風(fēng)毀事故沒(méi)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(guó)華盛頓州，建成了一座當(dāng)時(shí)最細(xì)長(zhǎng)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(zhǎng)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(mén)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(mén)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(guó)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(guó)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(méi)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(guó)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(zhǎng)江大橋的建成使我國(guó)成為世界上能建造千米級(jí)大橋的第六個(gè)國(guó)家。而西堠門(mén)大橋的通車(chē)，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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