[分享]我们还需要建造多少自锚式悬索桥?

发表于2018-10-07     1616人浏览     1人跟帖     总热度:282  

从世纪之交开始,在约20年的时间内,自锚式悬索桥在我国得到了飞速发展。今天,中国的自锚式悬索桥数量最多,跨度最大,发展势头也可谓一家独大。可是,全球视野下自锚式悬索桥的发展历程如何?这种桥式有哪些长处与不足?桥梁设计与施工有什么特点?诸如此类的问题,有必要梳理一二。

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什么是自锚式悬索桥?
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典型的自锚式悬索桥构成,如图1所示。一眼看上去,其与传统的地锚式悬索桥(以下简称为悬索桥)相比几乎一样,不同的是,自锚式悬索桥的主缆是锚固于主梁(或加劲梁)的两端,而不像悬索桥那样固定于锚碇。
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图1  典型的自锚式悬索桥的构成
因主缆锚固于梁端,这就使得自锚式悬索桥的主梁不仅承受竖向荷载,还得承受水平荷载(图1中箭头所示),于是,梁的稳定性就成为这一桥式在设计中需要考虑的主要问题。也正因为如此,这一桥式的缆、梁受力互为关联,设计时需要在主梁稳定性与主缆索力之间寻求平衡。

一般而言,可以把自锚式悬索桥视为悬索桥的一个特例。与悬索桥相比,自锚式悬索桥在外观上相差无几,在构造上主缆较柔细而主梁则较刚劲,在受力上则表现为缆-梁组合结构的特点。

顺便也讨论一下自锚式悬索桥中的“梁”的称谓。在悬索桥中,加劲梁不是主要承重构件,而在自锚式悬索桥中,梁却是主要承重构件之一。因此,称自锚式悬索桥中的梁为“主梁”而非“加劲梁”,更为合适。

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自锚式悬索桥的发展
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自锚式悬索桥的构想,由来已久。1859年,奥地利工程师约瑟夫·朗格尔(Josef Langer)首次提出了一种用缆加劲的桁梁方案(图2a),并把这一方案应用于Wrsowicer铁路桥(1870年建成,位于维也纳弗朗茨·约瑟夫车站附近,早已不存)。朗格尔擅长将不同的结构组合起来。1858年,他曾提出在等高钢板梁铁路桥上增设柔性拱,用来加劲钢梁,这就是后来的“刚性系杆柔性拱”。对Wrsowicer桥,他采用较柔的主缆(并未全桥贯通)和吊索来加劲钢桁梁,并将桁梁两端竖向锚固于墩台。
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图2  自锚式悬索桥的起源
1867年,美国工程师查尔斯·本德(Charles Bender)独自获得了自锚式悬索桥的专利。图2b所示为原始专利中的插图。尽管这一专利并未投入实用,但从图2b中还是可看出,本德的思路与朗格尔类同,即采用较柔的主缆来加劲较刚劲的主梁。

今天,桥梁工程界把朗格尔和本德视为自锚式悬索桥的创始者。

图3所示,为笔者根据所能搜集到的国内外自锚式悬索桥资料,绘制的桥梁建成年份与跨度的关系图。据此,可把自锚式悬索桥的发展分成以下三个阶段。
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图3  中外自锚式悬索桥建设概况
阶段I:19世纪末——20世纪50年代

这一阶段建造的桥梁,主要分布在德、美、奥地利、比利时、法、英等国,总数约26座。

第一座真正意义上的自锚式悬索桥,是德国的Mühlenthor桥。该桥采用钢桁梁和钢眼杆主缆(全桥贯通),主跨42m,建成于1899年,见图4。
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图4  德国Mühlenthor桥现状
20世纪20-40年代,是这一时期的建设高潮。1915年,德国建成科隆道依泽尔(Deutzer)自锚式悬索桥,主跨185m。1926-28年,美国在匹兹堡建造的“三姐妹”桥,均采用熟铁链杆作为主缆(图5),均采用悬臂法施工(图6),是美国最早建造的一批自锚式悬索桥。
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图5  美国三姐妹桥之一的安迪沃霍尔(Andy Warhol)桥
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图6  悬臂法架设安迪沃霍尔桥
欧洲(主要是德国)在这一时期建造了一些大跨度自锚式悬索桥,但几乎都遭到战争毁坏,例如,德国的科隆-米尔海姆莱茵河桥(1927年建成,主跨315m),贝尔格莱德的亚历山大国王桥(1934年建成,主跨261m)等。战后重建时,似乎只有一座桥仍采用了原桥式,这就是德国的Krefeld-Uerdinger桥。这桥原名鲁道夫希特勒桥,主跨250m,跨越莱茵河,1936年采用悬臂法建成,1945年被德军自行炸毁,1950年再次开通,见图7。

图7  德国Krefeld-Uerdinger桥现状
重建中替代旧桥的桥式,均为梁桥。例如,德国的道依泽尔(Deutzer)自锚式悬索桥,在二战中受损,在1945年的修复过程中垮塌,1948年改建成世界上第一座钢箱梁桥,其用钢量仅为老桥的61%。1937 建成的奥地利维也纳帝国桥,主跨 241m,在1976年8月1日毫无征兆地垮掉了(事后分析主要是因为支座失效)。1980年开通的新桥,主跨169m,采用双层桥面预应力混凝土箱梁结构。

这一时期建造的自锚式悬索桥,主缆多为钢制链杆,主梁为桁梁、板梁和箱梁钢结构。但在法国和比利时,也开始尝试中小跨度的混凝土自锚式悬索桥。1932年,法国率先建成格罗雷亚克桥(图8,主跨70m),1950建造了一座跨度58m的铁路跨线桥。在比利时,从1955-1964年间,前后建造了三座混凝土自锚式悬索桥,最大跨度100m。
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图8  法国格罗雷亚克桥
在亚洲国家中,只有日本在1928年建成了一座跨度91.4m的青洲桥。

从图3可见,因损毁、改建或关闭废弃的自锚式悬索桥,共有8座,约占总数的1/3。另外,战后重建的桥梁,也大多改为梁桥。可见,自锚式悬索桥这一桥式并未得到众多桥梁工程师的持续关注,似乎更未受到青睐。

阶段II:20世纪60年代——20世纪80年代

这一时期基本上是自锚式悬索桥发展的空窗期。除了1964年比利时建造的一座混凝土桥(主跨100m)和1977年德国建造的一座人行桥(独塔,空间双主缆,主跨51m)外,别无其他。因为,更为壮观的斜拉桥的兴起,更为经济的大跨梁桥的发展,连带更为先进的悬臂施工方法的普及,使得自锚式悬索桥失去了吸引力和竞争力,于是大家对这一桥式慢慢就淡忘了。

阶段III:20世纪90年代至今

随着世界经济发展以及桥梁审美热情的提高,自锚式悬索桥又重新获得了桥梁工程师们的关注。1990年,日本建成此花大桥(图9)。这桥主跨300m,单缆,斜吊索,扁平钢箱梁。到2000年,韩国建成永宗大桥。这桥为公铁两用,双层桥面(上层6车道,下层4车道和双线铁路),主跨300m;布置空间双主缆,以及扁平钢箱与桁架组合截面(图10)。
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图9  日本此花大桥
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图10  韩国永宗大桥
日韩这两座桥的建成,再次引起业界(尤其是中国)对自锚式悬索桥的关注。但很容易观察到,尽管日韩是再启自锚式悬索桥建设的先锋,却并没有出现一窝蜂现象。近30年来,只有韩国在2008年建成一座连接小鹿岛的自锚式悬索桥(主跨250m,单缆直吊索,钢箱梁)。

在欧美,这一时期新建成的公路自锚式悬索桥只有3座,美、德、西班牙各一座。2013年建成的美国旧金山奥克兰海湾新桥,其主桥是当时世界上跨度最大的独塔自锚式悬索桥(图11)。这桥主跨385m,边跨180m,突出特点是:美观的建筑造型,可抵抗强震的桥塔,只在主桥一端锚固的空间主缆,分离式钢箱梁等。
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图11  美国旧金山奥克兰海湾新桥
欧美国家对采用这一桥式建造跨度不大的人行(及自行车)桥,似乎更感兴趣。这些人行桥的设计大胆新颖,充分利用桥塔、缆索、主梁的变化组合,赋予自锚式悬索桥更多的美学元素和人文色彩。例如,图12所示的北爱尔兰的和平桥,2011 年建成,主跨96.3m,通过反向倾斜的桥塔、反S状钢箱梁与单根空间缆的结合,创造出平衡稳定且造型别致的桥梁作品。
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图12  北爱尔兰和平桥
最后看看中国的情况。中国的自锚式悬索桥建设,始于20世纪末。1999年,浙江诸暨市建成浣江桥(人行桥,独塔双索面,主跨70.6m,钢管桁梁)。接下来,出现了争先恐后竞相建设自锚式悬索桥的局面。据笔者不完全统计,至今所建的桥梁总数已近70座。用“井喷”来形容这一现象,似乎也不为过。

在跨度发展方面,先是从小跨度起步,但很快就突进到大跨度领域。2006建成的长沙湘江三汊矶大桥(钢主梁),主跨328m。同年建成的佛山平胜大桥(独塔,四根主缆,结合梁),主跨达350m。2013年建成的郑州桃花峪黄河公路大桥,把主跨提升到了406m,见图13。在建的重庆鹅公岩轨道交通环线专用桥,主跨达到空前的600m。
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图13  郑州桃花峪黄河公路大桥
与地锚式悬索桥相比,自锚式悬索桥为桥梁建筑造型(尤其是桥塔)提供了更大的空间。有一部分桥梁较好地协调了建筑造型与桥位处自然和人文环境关系,获得了满意的美学效果。广州猎德大桥(图14)可看作是其中的一个代表。
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图14  广州猎德大桥
在结构构造方面,自锚式悬索桥显得更加灵活。结合主梁材料、跨径划分、主缆布置、桥塔造型等,可构造出多样的外观形式。例如,在立面布置上,除了传统的双塔三跨外,还可采用独塔双跨或多跨,以及三塔多跨的形式。独塔的应用已十分普遍,如南京江心洲夹江大桥(主跨248m,混合梁,2008年),福州鼓山大桥(主跨235m,钢箱梁,2010年),青岛海湾大桥大沽河航道桥(主跨260m,分离式钢箱梁,2011年,见压题照片)等。三塔也开始得到应用,如银川滨河黄河大桥(主跨218m,结合梁,2016年,图15),山西临汾洰河桥(主跨168m,结合梁,在建)等。
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图15  银川滨河黄河大桥
总体而言,中国建造的自锚式悬索桥,在跨度发展、建筑造型、结构构造等方面,都做出了有益的尝试和突破。

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自锚式悬索桥的特点
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自锚式悬索桥为多次超静定的缆-梁组合体系,在外荷载作用下,主缆和主梁共同受力、相互影响。主缆和主梁设计参数的变化,会对整个结构体系受力产生明显影响。

不论对地锚式还是自锚式悬索桥,最主要的设计参数之一,是垂跨比或矢跨比(f/L)。采用小的垂跨比,有利于增加结构刚度,降低桥塔高度,但会增大主缆索力;反之亦然。工程设计中,需要通过多方案比较,从中选出合适的垂跨比。

大跨悬索桥的主缆垂跨比,常取1/10,大部分桥梁的取值在1/11~1/9之间。自锚式悬索桥(只计入1990年后建造的部分桥梁,没有计入独塔桥)的主跨/垂度比值资料,见图16。从图中可见,不论主梁材料和构造如何,主跨的垂跨比均位于1/8~1/4之间,大部分位于1/7~1/5之间。
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图16  自锚式悬索桥的垂跨比数据
1990年之前建造的部分桥梁(计15座)的垂跨比数据是:2座位于1/8(含)~1/6之间,12座位于1/10~1/8之间,1座约为1/11。可见,现代自锚式悬索桥的垂跨比取值,与传统者相比,有一定增加。

另一个重要的设计参数,是高跨比。自锚式悬索桥的主梁,构造上包括钢梁、混凝土梁、结合梁和混合梁(其在主跨通常为钢梁或结合梁)。图17所示为自锚式悬索桥(只计入1990年后建造的部分桥梁)主跨长与梁高的比值。可见:第一,大部分比值位于100以下,个别在120上下;第二,钢梁(含结合梁)的比值较大,而混凝土梁的比值较小。
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图17  自锚式悬索桥的高跨比数据
1990年之前建造的部分桥梁(计14座)的比值数据是:最大82,最小21,其余的介于两者之间。可见,早期修建的自锚式悬索桥,主梁相对更为刚劲。

与现代悬索桥的高跨比数据相比,可看出自锚式悬索桥的主梁更为刚劲。例如,虎门大桥(钢箱)的高跨比为295,汕头海湾大桥(混凝土箱梁)205,舟山西堠门大桥(分离式钢箱)471,武汉鹦鹉洲长江大桥(结合梁)283,武汉杨泗港长江大桥(钢桁梁,双层桥面)170,在建的土耳其恰纳卡莱1915大桥(分离式钢箱)578。

其他设计参数,如边中跨比、宽跨比等,就不一一讨论了。

简而言之,自锚式悬索桥的设计,宜采用较为刚劲的主梁,以确保压弯扭共同作用下的结构静动力稳定;采用较柔的主缆(选择较大的垂跨比),以减小主缆拉力以及传递给主梁的水平压力,同时减小主缆截面及锚固构造的尺寸。

再来看看施工。自锚式悬索桥的施工顺序通常为“先梁后缆”,即先架设主梁,再安装主缆等。架设主梁的方法,一类是支架法(含与其他方法的综合运用),一类是悬臂法。

在无水或浅水之处,或对中小跨度的混凝土现浇主梁,多采用满堂支架法,但其不宜用于桥面过高的大跨桥梁或较深水域。为适应高桥面、深水、通航等情况,可设置临时支墩,采用顶推(如桃花峪黄河大桥,平胜大桥,古田大桥等)、大件浮吊(如此花大桥,永宗大桥,大沽河航道桥等)等方法架梁。

悬臂法曾用于建造自锚式链杆悬索桥。例如,美国的安迪沃霍尔桥(图6),主梁采用下承式板梁,施工时将梁、链杆、吊索、临时构件组成桁架,单悬臂法拼装。德国Krefeld-Uerdinger桥(图7),因钢桁主梁刚劲,直接采用悬臂法,连同链杆和吊索一起拼装(配置了斜向拉索)。

这样的悬臂法,自然不适于采用平行钢丝索股制缆的自锚式悬索桥。那参照斜拉桥施工,采用临时斜拉索拼装主梁是否可行?答案是肯定的。第一座如此架设的自锚式悬索桥,是德国杜伊斯堡的Friedrich-Ebert桥(主跨285.5m,钢板梁,1954年,图18)。另一座桥就是重庆鹅公岩轨道交通环线专用桥(主跨600m,钢箱梁,在建,图19)。不过,笔者以为,这种先建“斜拉桥”,再转换成自锚式悬索桥的做法,不仅难以阐明选择自锚式悬索桥的合理性,而且建造费用不菲,只宜在极特殊情况下采用。
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图18  德国Friedrich-Ebert桥主梁单悬臂拼装
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图19  重庆鹅公岩轨道交通环线专用桥(左)主梁单悬臂拼装(史文哲摄)
也有按“先缆后梁”的工序建造自锚式悬索桥的尝试或研究。2003年在苏州建造的一座主跨90m的桥,借助两岸的临时锚碇,实现了主梁的无支架施工。有文献建议,在自锚式悬索桥的边墩附近,临时增加辅助墩,共同起到临时锚碇的作用。从概念上讲,设置临时锚碇,与“自锚”相悖。若跨度小,可选择其他架梁方式满足条件不高的通航要求;若跨度大且有条件设锚,则不如直接做成悬索桥。

自锚式悬索桥的长处和不足,大体如下。

长处:(1)无需修建锚碇;(2)对桥面较高的情况,可省略从桥面到地面锚碇的主缆;需要强调的是,这两条优点,仅仅是针对同级别跨度的悬索桥而言的;(3)在中小跨度范围内也可展现出主缆的曲线美特征,不高的桥塔也适于景观造型;(4)结构布置形式灵活多样。

不足:(1)需在临时支架或支墩上施工主梁,体系转换过程较繁琐,建造费时费力费财;(2)梁端锚固体的构造和应力分布复杂,可靠性要求高;(3)主梁受力不尽合理,难以或不宜向更大跨度发展。

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讨论与建议
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依笔者之见,无论中外,无论过去还是现在,建造自锚式悬索桥,既不是出于经济因素(不是为了更节省),也不是出于技术考虑(不是为了更先进合理),而是出于心理需求(为了新奇美观)。

从图3可以看出,近20年来,国外对建造自锚式悬索桥的热情,远远没有我国的高。我们为何更热衷于建造自锚式悬索桥?可能的答案是:为了美观,或为了满足“一桥一景”之类的城市景观需求,或为了填补本地区本城市的桥型空白,或为了争取某项“第一”。

我国自锚式悬索桥的建设发展,势头未减。对此,提出几点个人浅见。

1、需要算清楚“美的代价”

目前我国经济实力较为强大,多花一些钱,做一些看起来新奇一点的自锚式悬索桥,或者把桥梁造型做得更美观一些,无可厚非。只是,需要协调好经济与美观的矛盾,需要掂量掂量“美的代价”。

忽略或弱化技术和经济因素,一味地追求桥梁美,就可能在投资上让社会消受不起。举一个例子。据笔者了解的信息,美国的旧金山奥克兰海湾新桥(图11),1997年估算的造价是13亿(美元,下同),其中自锚式悬索桥的造价约占60%,即7.8亿。到2001年重新估算时,全桥造价26亿,其中悬索桥部分为14亿,占比约54%。到2005年再次估价时,全桥为51亿。完工后的全桥最终造价,则达到64亿。最终造价中,用于自锚式悬索桥的具体数字不详;但若按占比55%估算,则是35.2亿(有资料显示,其中支架花费2.5亿)。按旧金山纪事报特约记者Jaxon Van Derbeken的说法,选择自锚式悬索桥方案(没有选择更为合理的斜拉桥方案)带来的工程挑战,以及因政治上的扯皮争吵、材料供应和构件制造等原因导致的工期延宕,导致了过度的成本超支。

2、不宜追求大跨度

有三点理由:第一,大跨悬索桥的加劲梁,因不是主要承重构件,尽管材料用量不少,但其截面并不需要随着主跨的增加而做出多大改变。自锚式悬索桥的主梁设计,却与跨度的关系更为密切。类似于其他桥式,自锚式悬索桥也应该有一个相对合理的跨度区间。第二,跨度越大,主梁稳定性问题越突出,解决问题的代价会越大。第三,更大跨的自锚式悬索桥,必定用于跨越大江大河,若采用支架法施工,不仅难度大费用高,甚至难以实现。

把跨度做大一些,技术上没有明显障碍,但要衡量一下经济上合不合算,在更大跨度领域内是否具备竞争力。为了做大而做大的想法,应断然摈弃。

3、桥塔的造型,宜以现代风格为主

从已建成的桥梁看,自锚式悬索桥的桥塔均是造型重点。大部分桥塔造型效果良好,有一些却值得探讨。一类是构形和线条较为复杂、呈尖顶状的“古典风格”,其不免让人联想到欧洲近代建筑。一类是具象较直白的“地方风格”,其通常是将代表地方特色的建筑移植到塔上。

每座桥塔的造型,应该都有其历史或文化背景支撑,难分优劣。即便如此,笔者还是建议,自锚式悬索桥的桥塔造型,宜以“现代风格”为主。笔者理解的“现代风格”,是基于结构需求布置构件,基于当代美学原则优化构形,基于意象手法表现桥塔造型与地域文化的联系(若需要),整体上表现出当代桥梁的简约风格。


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 发表于2018-10-07   |  只看该作者      

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今天,中国的自锚式悬索桥数量最多,跨度最大,发展势头也可谓一家独大。

蒋德华

山东 滨州 | 工程造价

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