悬索桥又称吊桥、索桥,如果把天然跨涧的藤索也算在内,它的历史肯定早于人造的独木梁桥。当然将天然藤索纳人桥梁史未免牵强,但从有文字记载的来看,中国悬索桥的历史至少有2300 多年。和梁桥一样,现代悬索桥从材料上讲是工业革命的产物,但受力原理与古代吊桥颇有渊源。
中国现代悬索桥可分为三类,下承式悬索桥、上承式悬索桥和吊拉组合体系桥。下承式悬索桥是最常见的一种悬索形式,即固定在两个锚碇上的主索支承在塔顶的索鞍上,通过吊索或吊杆,吊起桥道梁,故也称吊桥;上承式悬索桥是一种较为罕见的形式,即主索位于桥道梁之下,通过刚性立柱支承刚性桥道梁,这种桥型在目前看实用价值并不高,数量极少,很难成为悬索桥的主流;吊拉组合体系桥数量更少,这种桥型是悬索桥和斜拉桥的结合体,外型上非常类似19 世纪一十年代悬索桥向斜拉桥过渡时期的桥梁,事实上它是两种成熟了的桥型向新桥型发展的产物,集两种桥型的优点于一身。
现代悬索桥是跨越能力最强的桥型,除具有与一般桥梁相同的墩台及其基础外,主要由主缆、吊杆、塔、索鞍、锚旋和桥道梁几部分组成。主缆是悬索桥的主要受力构件,现代悬索桥的主缆都是由钢丝绳、钢绞线或平行钢丝的束股制成,承受其自重及由桥道梁和汽车荷载产生的巨大拉力。主缆支承在塔顶的索鞍上,尾部锚固在锚锭上。锚锭承受索的巨大拉力。
悬索桥与其他桥型很不相同的一点在于桥的刚度小,抗风能力较差。在悬索桥的设计中,除必须保证各组成部件的强度和刚度外,大型悬索桥还必须作风洞试验。
中国现代悬索桥的发展大体可以20 世纪九十年代为界,划分两个时期。
钢丝绳(钢绞线)主缆悬索桥
20 世纪九十年代以前为现代悬索桥出现及发展初期,这一时期的悬索桥大都是山区低等级公路桥梁,桥面窄、荷载小,许多桥梁具有临时性质和战备性质,主索材料以钢丝绳为主,我们称其为“钢丝绳(钢绞线)主缆悬索桥”。
中国现代悬索桥最早出现在20 世纪四十年代前后,主要分布在中印、中缅公路上,也就是云贵高原。云贵高原是中国地形最复杂,道路最艰险的地区,金沙江、澜沧江和怒江在近距离内将这里切割成壁立似的高山峡谷;云贵高原又是中国地势的第二台阶,江河落差大,水势汹涌,所有这些条件决定了悬索桥是当时当地选择的最佳方案。建成于1938 年的云南省功果桥是这一时期的经典之作,但这座桥跨径仅88 米,宽4.5 米,只能容纳一辆车通过。
20 世纪五十年代以后,西南地区出现了一些较有特色的、承载能力较大的悬索桥。1969 年建成的重庆市朝阳桥主跨186 米,是中国唯一一座双链悬索桥,两根线型不同的主缆,可防止出现加劲梁反对称的变形。加劲钢箱梁上有钢筋混凝土板,桥宽8.5 米,荷载标准为汽车一13 ,拖车一60 。到1996 年以前,朝阳桥一直保持着同类桥型的世界跨径纪录。
从20 世纪五十年代至八十年代,中国建成的跨径最大的悬索桥,是1986 年建成的河南省白浪黄河大桥,钢绞线主缆,跨径439 米。
平行钢丝主缆悬索桥
20 世纪九十年代以后,为中国悬索桥的大发展时期。随着高等级公路和高速公路的发展,跨大江大河和海湾海峡的需要,出现了真正大跨径现代化悬索桥。这一时期的桥梁规模宏大,桥面宽阔,技术含量远非“钢丝绳(钢绞线)主缆悬索桥”可比,尽管至今仅修建了10 余座,但发展迅速,跨径已超过1000 米,我们称其为“平行钢丝主缆悬索桥”。由于这一时期悬索桥的技术含量高,索、塔、锚、梁的形式多样,组合变化大,且数量较少,为便于叙述,我们将从悬索桥的加劲梁和锚碇人手,向世人展示中国现代悬索桥的风采。
桥道梁
现存悬索桥中有柔性悬索桥和刚性悬索桥两种。前者的桥道梁仅把荷载传给主缆,它主要由横梁和木板或混凝土板的桥面梁组成,现已很少建造;后者即刚性悬索桥的桥道梁习惯被称作“加劲梁”,一般用钢材、混凝土材料建造。
钢加劲梁
为减轻自重,加劲梁一般都采用钢材,简称钢加劲梁。中国钢悬索桥采用钢桁架梁和钢箱加劲梁,最早出现的平行钢丝主缆钢桁架加劲梁悬索桥是1983 年建成的西藏自治区达孜吊桥,索跨500 米,梁跨达415 米,此桥为单塔,主索另一端锚固在山上;1988 年建成的重庆市奉节梅溪河大桥,将主缆利用地形直接锚在山顶岩石上,免去了桥塔,索跨343 米,加劲梁跨径200 米,是中国唯一一座斜吊杆平行钢丝主缆悬索桥;跨径450 米的重庆市丰都长江大桥,采用高3 米的钢桁架加劲梁;跨径560 米的重庆市忠县大桥,为高3.3 米的钢管空间桁架加劲梁。
采用钢梁可降低自重,是千米以上悬索桥的唯一选择。香港青马大桥为双跨钢悬索桥,主跨1377 米,加劲梁为桁架式,外包钢板而成箱型,由于梁内有两条轻轨铁路线和两条备用行车道,因此箱梁高达7.45 米,梁断面两端设有风咀,顶底板中部开槽,以提高抗风能力;江苏省江阴长江大桥为单跨钢悬索桥,跨径1385 米,加劲梁为扁平式全焊钢箱梁,箱高仅3 米,高跨比为1/462 ,为世界上钢悬索桥的高跨比最低者。
混凝土加劲梁
混凝土材料制造的加劲梁悬索桥简称为混凝土悬索桥。1992 年建成的新疆维吾尔自治区齐勒哈仁额尔齐斯河桥,跨径36 + 108 + 36 米,为3 跨混凝土悬索桥,为减轻自重,加劲梁采用高1.41 米的钢丝网水泥薄壁箱梁;1995 年建成的广东省汕头海湾大桥,为3 跨混凝土悬索桥,加劲梁为高2.2 米的扁平三室箱,底面呈圆弧型,跨径为154 + 452 + 154 米,居同类桥型的世界首位;2001 年,贵州省在风速较小的贵(阳)毕(节)公路上,修建了几座混凝土悬索桥,加劲梁采用高40 至60 厘米的混凝土板,底面呈圆弧型,其最大跨径已达338 米,这是一种新的尝试,也是中国独创。
加劲桥面梁的结构和支承
单跨悬索桥,无疑都是简支支承。3 跨悬索桥,也可以作成简支结构,如汕头海湾大桥;还可作成连续梁,如跨径648 米的福建省厦门海沧大桥。后者的加劲梁在塔上不以支座支承,而是用吊杆吊起,形成一般称为的“漂浮体系”。
锚碇
重力式锚
大多数悬索桥,都采用重力式锚碇,即用混凝土浇筑成一个大体积的锚碇,凭自重平衡主缆巨大的拉力。江阴长江大桥北锚位的岩面埋藏较深,锚碇基础施工采用了沉井方案,用长51 米、宽69 米、埋深58 米的钢筋混凝土沉井基础来承受约60 万吨的主缆拉力;跨径888 米的广东省虎门大桥的西锚碇,位于人工砂岛上,基岩埋深9 至19 米,岩面倾斜且起伏不平,采用地下连续墙作为围护结构,在其中作重力式基础,并与围护结构用混凝土连成一体;跨径960 米的宜昌长江大桥采用明挖重力式锚碇,最大挖深达85 米以上,为挖深最大者。
隧道锚和岩锚
在一些地层比较好的悬索桥上,通常可以考虑采用隧道锚,即顺主缆走向,在岩面上挖掘隧道,在隧道后端设锚碇板或预埋的锚杆,然后锚固主缆各束股,抵抗主缆拉力。这是一种很经济的锚碇形式,不需浇注大体积混凝土。跨径450 米的重庆市丰都长江大桥,基岩为并不很坚硬的页岩,采用了隧道锚,洞长52 米,进洞12 米处,设置散束鞍,散束鞍以下,有30 米是束股展开段,再下10 米封灌混凝土,将束股力传给岩体,这是一次隧道锚和岩锚结合的成功尝试;跨径600 米的重庆市鹅公岩大桥的东锚,正在施工的跨径580 米的万州长江大桥,也都采用了隧道锚和岩锚的结合形式。
岩锚是将抗拔锚固钢筋放入岩层,加以固定,然后锚固束股,这也是一种非常经济的锚碇。贵州省乌江大桥是中国首次采用岩锚的大型桥梁。
大跨径悬索桥建设在中国起步虽晚,但秉承了数千年索桥建设的传统和积累,借助于世界尖端技术、材料和工艺的推动,中国悬索桥以空前的规模和速度发展。短短十余年间建成了双链式主缆的重庆朝阳桥;大跨径预应力混凝土箱型加劲梁的汕头海湾大桥;三跨连续钢箱加劲梁的厦门海沧大桥;吊拉组合的贵州乌江大桥;巨型沉井式锚碇的江阴长江大桥等。这些成就证明,中国正在迅速地跻身悬索桥的世界先进行列。