懸索橋的構(gòu)造組成

1、懸索橋的構(gòu)造組成：懸索橋是由主纜、加勁梁、橋塔、鞍座、錨固構(gòu)造、吊索等構(gòu)件構(gòu) 成的柔性懸吊組合體系。成橋后，主要由主纜和橋塔承受結(jié)構(gòu)的自重，結(jié)構(gòu)共同承受外荷載作用， 受力按剛度分配。(2)主纜：主纜是懸索橋的主要承重構(gòu)件，除承受自身恒載外，纜索本身通過索夾和吊索承受活載和加勁梁(包括橋面系)的荷載。除此以外主纜還承擔(dān)一部分橫向風(fēng)荷載，并將它傳遞到橋塔頂部。主纜不僅可以通過自身彈性變形，而且可以通過其幾何形狀的改變來影響體系平衡，表現(xiàn)出大位移非線性的力學(xué)特征，這是懸索橋區(qū)別于其他橋梁結(jié)構(gòu)的重要特征之一。主纜在恒載作用下具有很大的初始張拉力，對后續(xù)結(jié)構(gòu)形狀提供強大的“重力剛度”，這是懸索橋跨徑得以

2、不斷增大、加 勁梁高跨比得以減小的根本原因。主索鞍：主索鞍在橋塔上，用來支承和固定主纜，通過它可以使主纜的拉力以垂直力和不平衡力的方式均勻地傳遞到塔頂。懸索橋的結(jié)構(gòu)特點主纜是幾何可變體，只承受拉力作用。主纜通過自身的彈性變形和幾何形狀的改變來影響體系的平衡。所以懸索橋的平衡應(yīng)建立在變形后的狀態(tài)上。主纜在初始恒載作用下，具有較大的初拉力，使主纜保持著一定的幾何形狀。當(dāng)外荷載作用時，纜索發(fā)生幾何形狀的改變。初拉力對在外荷載作用下產(chǎn)生的位移存在著抗力，它和位移有關(guān)，反映出纜索幾何非線性的特性。改變主纜的垂跨比將影響結(jié)構(gòu)的受力和剛度。垂跨比增大，則主纜的拉力減小，剛度減小，恒、活載作用產(chǎn)生的撓度增大。

3、懸索橋的跨度越大，加勁梁所受豎向活載的影響越小，豎向活載引起的變形也越小。增大加勁梁的抗彎剛度對減小懸索橋豎向變形的作用不大，這是因為豎向變形是懸索橋整 體變形的結(jié)果。加勁梁的撓度受到主纜變形的影響，跨度增大時加勁梁在承受豎向荷載方面的功能逐漸減小到只能將活荷載傳遞給主纜，其自身剛度的貢獻較小。這一點和其他橋型中主要構(gòu)件截面面積總是隨著跨徑的增大而顯著增大不同。邊跨的不同形式對懸索橋有很大的影響，通常懸索橋邊跨與中跨跨徑比對懸索橋的撓度和內(nèi)力有影響，當(dāng)邊跨與中跨跨徑比減小時，其中跨的跨中和L/4處的撓度和彎矩值減小，而主纜拉力有所增加。纜索腐蝕一般發(fā)生在鋼絞線裸露的并且存在交變應(yīng)力的部位，主要

4、存在以下幾種腐蝕類型。應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕存在3個必要的條件：1)存在產(chǎn)生腐蝕傾向的材料處于應(yīng)力狀態(tài)；2)存在產(chǎn)生腐蝕傾向的材料處于電解質(zhì)環(huán)境里；3)電解質(zhì)里有處于應(yīng)力狀態(tài)下的材料敏感的元素或物質(zhì)。材料同時具有上述3種條件就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。比如處于高應(yīng)力狀態(tài)下的鋼絲在水環(huán)境或含氯離子的環(huán)境中極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力水平的高低與應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的強度存在一定的比例關(guān)系。微動磨耗腐蝕。在橋梁纜索的錨固區(qū)，由于車輛運行產(chǎn)生振動，使得鋼絲之間發(fā)生微小的振動和往復(fù)的摩擦。在高應(yīng)力狀態(tài)下，緊鄰的鋼絲之間發(fā)生電子移動而導(dǎo)致鋼絲磨損，鋼絲表面出現(xiàn)麻點或溝紋。 麻點或溝紋進一步增加了鋼絲之間的摩擦力，使鋼絲 磨耗腐蝕的

5、程度更加嚴重。（3）腐蝕疲勞。橋梁纜索在交變應(yīng)力作用下的腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕不同，腐蝕疲勞不需要金屬一環(huán)境 的特殊組合。交變應(yīng)力條件下，材料發(fā)生疲勞腐蝕具 有普遍性。橋梁纜索鋼絲由于任何一種腐蝕的原因使 其表面產(chǎn)生坑蝕或產(chǎn)生裂紋，在交變應(yīng)力的作用下，坑 蝕部位則極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生滑移而誘發(fā)裂 紋，裂紋的內(nèi)部新表面進一步發(fā)生腐蝕。隨著裂紋的 不斷擴展，鋼絲的抗疲勞性明顯降低有懸索橋主纜現(xiàn)狀由于現(xiàn)代懸索橋在中國歷史較短，中國還尚未開 展類似的調(diào)查工作。日本從1988年起對多座懸索橋 的主纜內(nèi)部防護效果進行了調(diào)查，結(jié)果顯示并不理想， 普遍存在以下問題：1）主纜內(nèi)部有積水；2）防銹膩子 已變硬、

6、退化；3）整個主纜表面出現(xiàn)腐蝕，并在深層出 現(xiàn)紅銹；4）高性能的防銹膩子僅對與之接觸的外層鋼 絲表面起到保護作用，對其余部分不起作用；5）主纜 內(nèi)部相對濕度較高，在索夾截面處與外界濕度相差無 幾，其余截面幾乎不受外界影響。斯公路大橋（Forth Road Bridge ,福斯橋）是1座大跨徑懸索橋，1964年9月建成通車。大橋在 英國愛丁堡以西約15 km處橫跨福斯灣，是蘇格蘭 主要道路網(wǎng)的重要連接線。橋上設(shè)雙向4車道,無 硬路肩或硬路緣帶，兩側(cè)各設(shè)1條分離式人行道/自 行車道（見圖1）。橋上車輛通行量由該橋投入運營 第1年的400萬輛到2007年增加到超過2 400萬輛。2001年大橋被認定

7、為蘇格蘭重要歷史建筑被列為A類建筑。主纜除濕系統(tǒng)在與歐洲、日本和美國的橋梁經(jīng)營者討論后，決 定福斯橋安裝主纜除濕系統(tǒng)。首先使用一層氣密的 氯丁橡膠帶密封主纜，再從主纜不同位置向主纜內(nèi) 注入干燥空氣（見圖9）。除濕系統(tǒng)是一種防止鍍鋅鋼材腐蝕的經(jīng)過試驗證明的有效系統(tǒng)。雖然已經(jīng)在其它橋梁的鋼箱梁及 在福斯橋的錨室中應(yīng)用，但應(yīng)用到懸索橋的主纜上 還是比較新的。這種主纜防護系統(tǒng)已安裝在日本、 瑞典和丹麥的幾座新建橋梁上方案A:上方更換主纜3.1更換主纜和吊索新主纜架設(shè)方法考慮采用2個方案，即空中編纜法(AS法)和預(yù)制平行索股法(PPWS法)。從 技術(shù)上看，2種方法都是可行的。PPWS法將作為優(yōu)先方案，因

8、為這一方法在架設(shè)新主纜方面是 更可控制的方法。主纜索股在工地以外的工廠環(huán)境里制作，運到工地后牽引過江。雖然牽引預(yù)制 索股要比空中編纜的單根鋼絲重，但牽引索股需要的貓道小，需要的設(shè)備空間比空中編纜也小。 新主纜由91股預(yù)制平行索股組成，每股索股由127根單獨的鋼絲制成。目前設(shè)想的是在整個懸索橋長度范圍，新主纜的高度位置將比原主纜的高5.8m，這使得新 主纜和原主纜間有足夠的豎向間距，在完成荷載轉(zhuǎn)移后，仍有足夠的空間拆除原主纜。由于新主 纜高程的增高，新吊索比原吊索長，由此會增加橋面結(jié)構(gòu)在風(fēng)載、制動荷載及牽引荷載作用下的 橫向和縱向位移，橋上需要設(shè)置伸縮縫來調(diào)節(jié)。在原主纜卸載，直到拆除前，要求吊索

9、仍起橫向 約束作用2錨碇方案新主纜的錨固有2個方案，即為新主纜修建新錨碇或重復(fù)利用原錨碇。重復(fù)利用原錨碇取決 于原錨碇的承載能力評估及原錨碇現(xiàn)在和將來在承受預(yù)期的永久和臨時荷載時是否具有整體性。盡管從技術(shù)上講是可行的，但將新主纜錨固到原錨碇上仍是一項具有挑戰(zhàn)性的方案，需要在 有限的環(huán)境里，如在高應(yīng)力鋼絲組成的原主纜周圍施工，且需要對這一方案進行全面調(diào)研。為新 主纜修建新錨碇的方案是最有可能被采納的方案。新錨碇方案(包括隧道錨、重力錨及地垅式錨) 的特點可歸納如下：隧道錨的大小和形狀與原錨碇相同。為了確保新建嵌巖隧道錨不影響原錨碇的整體性和 引橋橋墩的基礎(chǔ)，需要仔細確定新錨碇的位置。重力錨僅僅依

10、靠其自身質(zhì)量承受主纜的豎向荷載和水平力。因此，重力錨錨碇體積較大， 對海灘會造成視覺影響。重力錨的優(yōu)勢是它不依靠埋深來受力，與其它方案比較，其挖掘量也比 較小地垅式錨需要在巖石中深入挖掘。從地質(zhì)勘探的角度來看，這個方案是最好的方案，也是 可使整個錨碇得到長期監(jiān)測的一種合格的結(jié)構(gòu)方案，從而可避免出現(xiàn)與原錨碇相關(guān)的某些技術(shù)問 題。建成后，大部分結(jié)構(gòu)質(zhì)量均埋在地面以下，比僅僅依靠自重質(zhì)量承受主纜拉力的錨碇的視覺 影響小任何錨碇的位置都會對需要由錨碇抵抗的荷載造成影響。主纜中荷載的水平分量沿主纜長度 是不變的。相對于水平方向的角度，主纜背纜中將出現(xiàn)荷載變化。由于這一緣故，主纜從過渡塔 上下降的坡度越陡

11、，產(chǎn)生的上拔力就越大。如果允許過渡塔索鞍轉(zhuǎn)動，等分主纜角度，過渡塔索 鞍兩側(cè)主纜的拉力將相等。原過渡塔擺軸索鞍在橋梁恒載作用下，布置為豎向，將索鞍布置為豎 向的結(jié)果是由索鞍處產(chǎn)生、并施加到過渡塔的荷載水平分量為最小。因此，為了避免增大過渡塔 上的水平載荷，決定象原有索鞍一樣，將新的擺軸索鞍設(shè)置為恒載作用下的豎向考慮到過渡塔的承載能力和地面的利用，新錨碇的較好位置是將其錨室的中心線定位在原錨 碇的同一中心線上，并設(shè)在原錨碇之后。這個位置有利于施工，也是因為在荷載轉(zhuǎn)移到新錨碇前， 需要保持原主纜不動。如將新錨碇布置在比原錨碇更靠近過渡塔的位置，需要將新主纜在原主纜 周圍散開，將給工程增加不必要的復(fù)

12、雜性及費用。3.3過渡塔處人行道改造新主纜比原主纜高5.8m，要從過渡塔上向下散開到錨碇。為了讓新主纜從橋面穿過，需要 加長人行道上的開口，加長長度視錨碇的最終位置而定；需要改造引橋上的原有人行道，用新的、 更長的懸臂段來更換原來支撐人行道的懸臂板梁。新橋面可以是混凝土結(jié)構(gòu)也可以是鋼結(jié)構(gòu)，鋼 橋面比較可取，因為它比較輕，可以抵銷由于懸臂段尺寸增大而增加的部分荷載懸臂長度的增加會使引橋箱梁產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力，需要對箱梁進行局部加固?？偟膩碚f， 引橋荷載應(yīng)該沒有大的改變，除了人行道加寬的橋跨外，沒有預(yù)期需要對引橋?qū)嵤└蟮墓こ獭Ｔ诵械赖某休d能力不足，不適合用作人行道改造工程的通道。因此要采取從地

13、面搭設(shè)臨時 支架和關(guān)閉交通兩項措施。3.4過渡塔過渡塔設(shè)有原有的擺軸索鞍，通過該索鞍，主纜向下傾斜錨固到錨碇。過渡塔中產(chǎn)生的荷載 部分由主纜通過索鞍、向下傾斜的角度決定。主纜平坦的線形將減少塔的豎向荷載，要求這種荷 載可抵抗加載到過渡塔上的水平荷載。距過渡塔200m的新錨碇將使主纜背纜與水平面間形成一定角度，南側(cè)約9、北邊側(cè)12 （角度差的原因是兩處的地形不同）。就這兩種角度而言，主纜向下產(chǎn)生的過渡塔豎向力，每根塔 柱將減少約3000t。如果重復(fù)利用原錨碇，由于過渡塔上新設(shè)置的擺軸索鞍的高度，主纜背纜的角度會增大，并 由此引起加載到過渡塔的索鞍產(chǎn)生的豎向荷載的增大。主纜線形的兩個極端點保持了過

14、渡塔的穩(wěn) 定性，因此沒有考慮加固過渡塔穩(wěn)定性的工程。3.5主塔將新主纜支撐在主塔上面臨的主要挑戰(zhàn)是如何將荷載轉(zhuǎn)移到高應(yīng)力的原結(jié)構(gòu)上。橋梁的主塔 依靠來自主纜的豎向荷載抵抗活載和風(fēng)載作用下橋塔變位引起的彎曲。為了保持這一荷載路徑， 有必要將原主塔接高到需要的高度。原主塔的通道和空間是有限的。主塔過去已經(jīng)加固過，在塔的中心箱室增加了1根新塔柱， 塔和塔柱之間的頂部連接完全占據(jù)了塔內(nèi)實施工程的所有的適用空間。為了連接原主塔和支撐新 索鞍的擴展結(jié)構(gòu)，考慮了多種方案可取的方案是通過在原塔塔頂采用加固和增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法，將新的鋼結(jié)構(gòu)支撐在原 索鞍處。這項工程需要對原索鞍進行實質(zhì)性改變，以方便塔頂連接

15、施工，并拆除原索鞍的夾持固 定裝置。索鞍的固定裝置是過去加固主塔時安裝的，用于保證原索鞍的安全。需要拆除封閉原索鞍箱室的外蓋板，以便能接近肋板。在拆除前，索鞍箱室內(nèi)肋板的支撐板 需要加固及增設(shè)。目前，原主纜是由9塊橫向和2塊縱向肋板支承的，索鞍鑄造件的外壁由索鞍 的固定裝置加固。加固的原因是橫向肋板由于主纜荷載產(chǎn)生的潛在迸發(fā)力可能出現(xiàn)超應(yīng)力。索鞍箱室的9塊橫向肋板中，有6塊直接定位在構(gòu)成主塔索鞍箱室的豎板之上。其它3塊不 直接支撐（圖6）。對原索鞍箱室的分析表明，一旦拆除現(xiàn)有的外蓋板，這3塊肋板就可能出現(xiàn)超 應(yīng)力。因此，在切除原有的外蓋板前，需要對它們進行支撐加固的形式是在原索鞍底座板下面增加

16、支承板。這些支承板安裝到位后，原索鞍箱室的外蓋 板就可拆除，可進入其內(nèi)部安裝新的肋板。新肋板有兩項功能，首先是將原塔接高到新索鞍箱室 底部，其次是臨時支撐原索鞍鑄造件外璧，以便拆除原索鞍的固定裝置，從而改善在原索鞍上施 工的新索鞍箱室的進入通道。隨著新肋板安裝到位，每根塔柱上的10個原索鞍的固定裝置就可以拆除，并可安裝新索鞍 箱室。索鞍箱室由鑄鋼材料組成，支承在高強鋼肋板格柵上，格柵可將荷載分布到原主塔的接高 部分上。在原索鞍箱室直接連接新索鞍有較多優(yōu)點，即將新主纜的荷載，以與原布置類似的方式施加 到原主塔頂部，從而將在原主塔頂?shù)膬?nèi)部加固和改造的工作量減到最少，保持了通過塔柱的原荷 載路徑（圖

17、7）。方案B:上方增設(shè)主纜在原主纜同一軸線的上方增設(shè)主纜，與在原主纜的上方更換主纜的工程量實際上相同（圖8）。 該案的主要區(qū)別是不必將全部荷載都轉(zhuǎn)移到新主纜上新主纜尺寸比完全更換主纜的小。然而，這需要對預(yù)估的原主纜長期承載能力有較高的信心， 因原主纜將仍用作橋梁的主要承重構(gòu)件。如果沒有這種信心，則最合適的方案是用新主纜來替換 原主纜，這樣就需要最終拆除原主纜方案C:外側(cè)增設(shè)主纜外側(cè)增設(shè)主纜為在原主纜的外側(cè)架設(shè)1根新主纜，并將一定比例的原主纜荷載轉(zhuǎn)移到新主纜 上新主纜尺寸比完全更換主纜的小。然而，這需要對預(yù)估的原主纜長期承載能力有較高的信心， 因原主纜將仍用作橋梁的主要承重構(gòu)件。如果沒有這種信心

18、，則最合適的方案是用新主纜來替換 原主纜，這樣就需要最終拆除原主纜。5方案C:外側(cè)增設(shè)主纜外側(cè)增設(shè)主纜為在原主纜的外側(cè)架設(shè)1根新主纜，并將一定比例的原主纜荷載轉(zhuǎn)移到新主纜 上（圖9）。5.1增設(shè)主纜和吊索同在原主纜上方更換及增設(shè)新主纜方案一樣，本方案主纜也采用PPWS法。在這一方案中， 增設(shè)的新主纜的尺寸比較小，由37股127根鋼絲組成的索股組成，緊纜后主纜直徑為380mm。 選擇這種尺寸的主纜是為了使其承擔(dān)約30%的原主纜荷載，承擔(dān)這一百分比的荷載主要是要保持 原主塔有足夠的豎向荷載，依靠這種豎向荷載來抵抗活載和風(fēng)載引起的主塔彎曲應(yīng)力。在原主纜外側(cè)增設(shè)主纜，需要傾斜布置新吊索。一般可將新吊索

19、連接到加勁桁梁上弦的托架 上。對于最短的吊索，要制作新的連接點，使吊索與橋面結(jié)構(gòu)連接。可以預(yù)見，橋上加載后，外側(cè)增設(shè)主纜的線形與原主纜相同，吊索荷載的豎向分量因此可以 直接調(diào)整到相同比例。為了使吊索的凈空最大化，可取的方案是將2個1組的索股用銷軸分別與 索夾和橋面連接裝置連接。5.2錨碇錨碇的考慮與上方更換主纜方案中描述的錨碇方案類似，即為新增設(shè)的主纜修建新建錨碇主塔在主塔上支承新主纜面臨的主要難題是如何將荷載傳遞到原結(jié)構(gòu)上。由于荷載的偏心特性及 連接點處任何一種懸臂支撐均會引起的塔柱局部彎矩，這一難題因此變得復(fù)雜對塔頂以下各點的連接方案進行了驗算。由于原塔柱中產(chǎn)生的荷載幅及力，再加上連接需要

20、 的大量栓接或焊接產(chǎn)生的合力，這種驗算被認為是不實用的。也考慮了采用在塔頂布置新梁，讓該梁橫跨行車道、懸臂伸出支撐新索鞍，從而將荷載集中 在塔頂中心的方案。這一方案需要在行車道上方進行較大工程量的施工，其中大部分施工需要完 全關(guān)閉橋梁。由于這一緣故，這一方案未予考慮。將新主纜布置在原主塔的外側(cè)，從原塔樁基承臺起修建1根新塔柱來直接支撐新主纜是可行 的。所有的重型吊裝都可以從承臺處進行，因而避免了在塔頂布置重型吊裝設(shè)備。新塔柱頂部需 要布置的任何提升設(shè)備都能利用新塔柱自身來安裝。由于原塔柱隔離了新塔柱的施工，這一方案 還具有對橋上交通影響最小的優(yōu)點?？蓮脑魉鬟f到新塔柱的荷載將受到保持原主塔豎向荷載，以抵抗塔頂位移引起的塔柱彎 矩需要的限制。在對原主塔進行加固后，24000t恒載（每柱6000t）從原塔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到原塔柱中心 箱室內(nèi)安裝的塔柱上。為了補償原主塔豎向荷載的減小，在塔柱連接處采用了多個抗拉連接件。 連接件的承載能力成為決定是否可以從原塔結(jié)構(gòu)傳遞荷載的限制因素。為了將連接件的工作量減 到最小，將從原塔柱轉(zhuǎn)移的載荷限制為3200t。新塔柱的平面尺寸約為2.8mX1.2m，截面積為3.36m2o新塔柱的支撐將通過在原主塔的十 字支撐與塔柱交匯點處的連接來實現(xiàn)，這樣，每根塔柱將設(shè)置5個永久連接點。新塔柱加載后會壓縮，而荷載從原主塔