自锚式悬索桥的综述

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一、前言
    一般索桥的主要承重构件主缆都锚固在锚碇上，在少数情况下，为满足特殊的设计要求，也可将主缆直接锚固在加劲梁上，从而取消了庞大的锚碇，变成了自锚式悬索桥。
    过去建造的自锚式悬索桥加劲梁大多采用钢结构，如1990年通车的日本此花大桥，韩国永宗悬索桥、美国旧金山——奥克兰海湾新桥、爱沙尼亚穆胡岛桥墩等。2002年7月在大连建成了世界上第一座钢筋混凝土材料的自锚式悬索桥——金石滩金湾桥墩，为该类桥墩型的研究提供了宝贵的经验。此后在吉林、河北、辽宁又有4座钢筋混凝土自锚式悬索桥正在设计和设计和建造中。
    自锚式悬索桥有以下的优点：①不需要修建大体积的锚碇，所以特别适用于地质条件很差的地区。②因受地形限制小，可结合地形灵活布置，既可做成双塔三跨的悬索桥，了可做成单塔双跨的悬索桥。③对于钢筋混凝土材料的加劲梁，由于需要承受主缆传递的压力，刚度会提高，节省了大量预应力构造及装置，同时也克服了钢在较大轴向力下容易压屈的缺点。④采用混凝土材料可克服以往自锚式悬索桥用钢量大、建造和后期维护费用高的缺点，能取得很好的经济效益和社会效益。⑤保留了传统悬索桥的外形，在中小跨径桥梁中是很有竞争力的方案。⑥由于采用钢筋混凝土材料造价较低，结构合理，桥梁外形美观，所以不公局限于在地基很差、锚碇修建军困难的地区采用。
    自锚式悬索桥也不可避免地有其自身的缺点：①由于主缆直接锚固在加劲梁上，梁承受了很大的轴向力，为此需加大梁的截面，对于钢结构的加劲梁则造价明显增加，对于混凝土材料的加劲梁则增加了主梁自重，从而使主缆钢材用量增加，所以采用了这两种材料跨径都会受到限制。②施工步骤受到了限制，必须在加劲梁、桥塔做好之后再吊装主缆、安装吊索，因此需要搭建大量临时支架以安装加劲梁。所以自锚式悬索桥若跨径增大，其额外的施工费用就会增多。③锚固区局部受力复杂。④相对地锚式悬索桥而言，由于主缆非线性的影响，使得吊杆张拉时的施工控制更加复杂。
    二、历史回顾
    19世纪后半叶，奥地利工程师约瑟夫·朗金和美国工程师查理斯·本德分别独立地构思出自锚式悬索桥的造型。本德在1867年申请了专利，朗金则在1870年在波兰建造了一座小型的铁路自锚式悬索桥。
    到20世纪，自锚式悬索桥已经在德国兴起。1915年，德国设计师在科隆的莱茵河上建造了第一座大型自锚式悬索桥——科隆-迪兹桥，当时主要是因为地质条件的限制而使工程师们选择了这种桥型，该桥主跨185m，用木脚手架支撑钢梁直到主缆就位。此后，美国宾夕尼亚州的匹兹堡跨越阿勒格尼河的3座桥和在日本东京修建的清洲桥都受科隆-迪兹桥的影响。虽然科隆-迪兹桥1945年被毁，但原桥台上的钢箱梁仍保存至今。匹兹堡的3座悬索桥比科隆-迪兹桥的跨径要小，但施工技术比科隆-迪兹桥有了很大的进步。科隆-迪兹桥建成后的25年内在德国莱茵河上又修建了4座悬索桥，其中最著名的是1929年建成的科隆-米尔海姆桥，该桥主跨315m，虽然该桥在1945年被毁，但它至　仍然保持着自锚式悬索桥的跨径记录。在20世纪30年代，工程师们认为自锚式悬索桥加劲梁的轴力将使该种桥梁的受力性能接近于弹性理论，所以这段时间美国德国修建了许多座自锚式悬索桥。
    三、国外现代自锚式悬索桥
    1、日本此花大桥
    日本此花大桥原名大阪北港连络桥，是现有的最早修建的特大跨径自锚式悬索桥,又是世界上唯一的英国式自锚式悬索桥。1990年通车。
    跨径布置为（120+300+120）m，是现有最大跨径的自锚式悬索桥。垂跨比叫大，为1/6，以减小主缆的索力，使能为梁所承受。
    该桥采用单主缆，用PWS法施工，包含30束股，每束184丝。仅一个索面，吊索做成倾斜形，构成三角形吊杆，与钢箱加劲梁一起，体现了英国式悬索桥的特点。
    钢箱加劲梁为三室箱，梁高3.17m，箱总宽26.5m。由于单索面，按抗扭的需要，箱高较大。塔成呈花瓶形，但下塔柱较矮。人字形上塔柱要在加劲梁节段架设后才能安装。
    2、韩国永宗大悬索桥
    永宗大悬索桥位于韩国汉城仁川国际机场通往汉城市区的高速公路上，是世界上第一座双层行车的公铁两用自锚式县索桥。
    跨径布置为125+300+125m，主跨径与日本此花大桥相同。垂跨比为1/5，以减小主缆索力。
    塔设计成花瓶形，高104.6m，较美观。采用空中纺线法制索，主缆直径46.7cm。主缆塔处横向间距受塔型限制，公6.6m，而在主跨中部则展宽为35m（与梁宽相同），主缆呈三维空间曲面。
    加劲梁三跨连续，其腹板及行驶铁路部分的下层为桁架。梁总高12m，宽35m。上层设6个车道；下设4个车道及双线铁路。加劲梁的上层桥面系为一钢箱，以承受巨大的水平轴力。箱高3m，连同风嘴，总宽41m。梁的施工，分为8个节段，用3000t的海上浮吊架设，全部放在临时排架或塔上，然后安设吊索。
    防护体系，加劲梁采用抽湿防护，只要有一个传感器测得相对湿度高于50%时，抽湿系统自动开始一切工作，直至相对湿度降至40%以下。
    主缆防护采用S形钢丝缠绕，再设涂装，并采用干燥空气体系，与日本明石海峡大桥相同。
    3、美国旧金山——奥克兰海湾新桥
    20世纪30年代中期修建的旧金山——奥克兰海湾桥，全长12.8m，是当时世界上最长的、技术水平很高的桥梁，至今人仍为旧金山半岛至东海湾的主干线，车辆繁忙，每天通行近28万车次。设计的地震力很小，其东桥（钢桁架桥）于1989年在里氏7.1度地震烈度时局部坍塌，因此决定修建新海湾桥来代替现有东桥，全长3.6km。新桥每方向有宽25m的桥面，各包括5个车道和一条轻轨铁路。南侧还有宽4.8m的人行道，考虑1500年回归的地震。
    主航道桥为自锚式悬索桥，单塔，跨径为385+180m。两主缆直径0.78m，东侧（385m侧）锚固在东墩处的梁上，其素鞍由箱梁支承，并设计成可移动的，以平衡两主缆索力差。西侧（180m侧）主缆通过两分离的索鞍环绕在西墩上，这两个分离索鞍固定在西墩上在施工期间两主缆索力差异采用一项进的座板来平衡。西墩上设计一个预应力帽梁，其重量可以平衡桥梁跨径不对称而在西墩产生的恒载拨力，也用以承受西墩两主缆在运营荷载和地震荷载作用时其素鞍产生的不同应力。塔高160m。主缆不跨越而是固定在单一的索鞍上。塔由4柱组成，沿高度用剪力杆连接。塔柱为钢箱。柱间有间距3m的横隔梁连接。承台高6.5m，支承在13根直径2.5m的钢管桩上，桩内填灌混凝土，桩净长20m，嵌入岩石。
    上部结构为两个空心的各向异性版，并将吊杆荷载分布在箱梁上，箱梁间用宽10m、高2.5m、间距30m的横梁连接。该横梁承受吊杆横向72m跨的荷载，保证两箱在荷载、特别是风和地震荷载时的整体作用。吊杆设在两箱的外侧，形成两空间索面，很美观。
    4、其它自锚式悬索桥
    Sorok岛桥是韩国与Geogcum岛连接本土的桥梁，跨径布置为110m+480m+200m，矢跨比为1：8，加劲梁为钢箱梁，高跨比为1：400，桥塔为H形。1996年哥本哈根的国际桥梁和结构工程协会（LABSE）学术会议论文集中，J.F.Klcin介绍了一种自锚式悬索桥的比较方案，跨径布置为303m+950m+303m，采用单主缆，主跨跨中约200m长的主缆在梁体内部，与梁固结，使结构具有很高的刚度，索夹处设有锚固装置，所以主缆截面沿桥梁是可变化的，这样可大大节省主缆造价。
    四、国内自锚式悬索桥
    尽管自锚式悬索桥在国处产生发展较早，在国内却很少建造，相关文献也很少，使这种桥型在国内的发展远远落后于国外。2002年在大连建成了世界上第一座加劲梁采用钢筋混凝土材料的自锚式悬索桥，此后大连理工大学桥梁研究所又设计了多座钢筋混凝土自锚式悬索桥，为国内桥梁的建设提供了宝贵的经验。
    1、大连金石滩金湾悬索桥
    金石滩金湾悬索桥是我国，也是世界上第一座钢筋混凝土结构的自锚式悬索桥，位于大连金石滩旅游度假区的滨海路上，横跨帆船港池入海口，已成为当地的一处特殊景观。
    金石滩金湾桥主桥为自锚式混凝土悬索桥，它直接把主缆锚固于加劲梁的两端，用加劲梁做成拱形（吊拱体系），用主缆的水平分力来抵搞拱脚的推力，起到了系杆拱桥中系杆的作用。这样既满足了跨中通航的净空要求，同时也使主桥两端高度降低，大大减少了引桥的长度，节省了投资。这种拱度也可使加劲梁刚度增加、挠度减小，从而使该桥在受力和经济上都达到了很好的效果。金湾悬索桥总长198m，其中主桥长108m，引桥长90m，主桥跨径为（24+60+24）m，桥宽10m，矢跨比为1：8，双塔双主缆结构。主桥的加劲梁采用钢筋混凝土边主梁形式，梁高1m，梁段中间浇注横隔梁，引桥为钢筋混凝土连续梁。桥塔为钢筋混凝土门式塔架，塔高27m，塔柱直径为1.5m。主桥的加劲梁及横梁采用50号混凝土。主缆索采用ф7，吊杆采用ф5镀锌高强钢丝，冷铸锚具。基础采用ф1.6m钻孔灌注桩基础。主缆跨过桥塔索鞍，不散开，两端锚固在主梁上，在端部主索套筒内设减震器。梁上吊杆间距为3m。主桥施工主要工序为：钻孔桩基础；浇筑桥墩桥塔；搭设临时支架，支架上浇筑加劲梁；加劲梁达到强度后挂主缆，上索夹，张拉吊杆。
    金石滩悬殊索桥采用了新的结构形式，总造价只有498万元，不但取得了良好的经济效益，而且其独特的设计为美丽的海滨城市大连又增添了一处亮丽的风景，同时也为该类桥型的建造提供了宝贵的经验。
    2、浙江省平湖市海盐塘桥
    海盐塘桥位于浙江省平湖市东湖风景区，上部结构构为自锚式钢筋混凝土悬索桥，主跨跨径组合为（30+70+30）m，全桥长164m；桥面全宽40.0.m；桥梁纵坡为K2.20%。
    平湖海盐塘自锚式悬索桥充分利用自锚式悬索桥的受力特性，借鉴了同类桥梁的一些优点，并经过改进。其主要有以下几个特点：主缆锚于梁端，不需要建造昂贵的锚碇；主梁采用了钢筋混凝土箱梁，利用主缆的水平分力，为主梁施加免费预应力，主梁内不再配置预应力钢束；塔顶不设置鞍座，主缆直接锚固在塔顶上。这种桥型结构新颖，造型美观，结构轻巧，构件受力合理，用材经济，造价比同等跨径的预应力混凝土连续梁桥、部分斜拉桥都要低，是一种在中小跨径内非常具有竞争力的桥型。
    五、自锚式悬索桥的受力分析
    1、受力原理
    自锚式悬索桥的上部结构包括：主梁、主缆、吊杆、主塔四部分。传力路径为：桥面重量、车辆荷载等竖向荷载通过吊杆传至主缆承受，主缆承受拉力，而 主缆锚固在梁端，将水平力传递给主梁。由于悬索桥水平力的大小与主缆的矢跨比有关，所以可以通过矢跨比的调整来调节主梁内水平力的大小，一般来讲，跨度较大时，可以适当增加其矢跨比，以减小主梁内的压力，跨度较小时，可以适当减小其矢跨比，使混凝土主梁内的预压力适当提高。由于主缆在塔顶锚固，为了尽量减少主塔承受的水平力，必须保证边跨主缆内的水平力与中跨主缆产生的水平力基本相等，这可以通过合理的跨径比来调节，也可以通过改变主缆的线形来调节。
    另外，自锚式悬索桥中的恒载由主缆来承受，而活载还需要由主梁来承受，所以主梁必须有一定的抗弯刚度，主梁的形式以采用具有一定抗弯刚度的箱形断面较为合适。
    2、结构特点
    采用自锚式结构体系，和地锚式相比可以不考虑地质条件的影响，而且由于免去了巨大的锚锭，降低了工程造价。采用自锚，将主缆锚固于加劲梁之上，相比同等跨径的其他桥型，更有其特有的曲线线形，外观优雅，而且现代桥梁除了满足自身的结构要求外，也越来越注重景观设计，其发展前途很大。
    自锚式悬索桥采用混凝土加劲梁，虽然增加了体系的自重，但也增加了体系的刚度，在一定的跨度允许范围内，使桥梁的安全性指标、适用性指标、经济性指标、美观性指标得到了完美的统一。对结构受力而言，由于采用了自锚体系，将索锚固于主梁上，利用主梁来抵抗水平轴力，对于混凝土这种抗压性能好的材料来说无疑是相当于提供了。免费的。预应力。因此采用的是普通钢筋混凝土结构，节省了大量的预应力器具，而且又由于混凝土材料相对于钢材料的经济性，工程造价大大减少。但是由于混凝土的抗拉、弯的性能较差，所以对其进行受力分析时应综合考虑这个特点。
    由于自锚式悬索桥的主缆拉力是传递给桥梁本身，而不是锚锭体，主缆拉力的水平分力在桥梁的上部结构中产生压力，如果两端不受约束的话，其垂直分力将使桥梁的两端产生上拔力。例如金石滩悬索桥桥采用了两种办法来抵抗这种上拔力：一是在锚块处设置拉压支座；二是在主桥和引桥的交接处设置牛腿，从而将引桥的重量压在主梁上。
    由于主梁采用混凝土材料，设计和计算时必须计入混凝土的收缩)徐变等因素的影响，这就使得混凝土自锚式悬索桥的设计较钢桥更为复杂。
    六、施工工艺
    1、主塔施工
    悬索桥一般主塔较高，塔身大多采用翻模法分段浇筑，在主塔连结板的部位要注意预留钢筋及模板支撑预埋件。对于索鞍孔道顶部的混凝土要在主缆架设完成后浇筑，以方便索鞍及缆索的施工。主塔的施工控制主要是垂直度监控，每段混凝土施工完毕后，在第二天早晨8：00至9：00间温度相对稳定时，利用全站仪对塔身垂直度进行监控，以便调整塔身混凝土施工，应避免在温度变化剧烈时段进行测试，同时随时观测混凝土质量，及时对混凝土配比进行调整。
    2、鞍部施工
    检查钢板顶面标高，符合设计要求后清理表面和四周的销孔，吊装就位，对齐销孔使底座与钢板销接。在底座表面进行涂油处理，安装索鞍主体。索鞍由索座、底板、索盖部分组成，索鞍整体吊装和就位困难；可用吊车或卷扬设备分块吊运组装。索鞍安装误差控制在横向轴线误差最大值3mm标高误差最大值3mm。吊装入座后，穿入销钉定位，要求鞍体底面与底座密贴，四周缝隙用黄油填实。
    3、主梁浇筑
    主梁混凝土的浇筑同普通桥一样，首先梁体标高的控制必须准确，要通过精确的计算预留支架的沉降变形；其次，梁体预埋件的预埋要求有较高的精度，特别是拉杆的预留孔道要有准确的位置及良好的垂直度，以保证在正常的张拉过程中拉杆始终位于孔道的正中心。
    主梁浇筑顺序应从两端对称向中间施工，防止偏载产生的支架偏移，施工时以水准仪观测支架沉降值，并详细记录。待成型后立即复测梁体线型，将实际线型与设计线型进行比较，及时反馈信息，以调整下一步施工。
    4、索部施工
    （1）主缆架设
    根据结构特点，主缆架设可以采取在便桥或已浇筑桥面外侧直接展开，用卷扬机配合长臂汽车吊从主梁的侧面起吊安装就位。
    缆索的支撑：为避免形成绞，将成圈索放在可以旋转的支架上。在桥面每4-5m,设置索托辊（或敷设草包等柔性材料.），以保证索纵向移动时不会与桥面直接摩擦造成索护套损坏。因锚端重量较大，在牵引过程中采用小车承载索锚端。
    缆索的牵引：牵引采用卷扬机，为避免牵钢丝绳过长，索的纵向移动可分段进行，索的移动分三段，分别在二桥塔和索终点共设三台卷扬机。
    缆索的起吊：在塔的两侧设置导向滑车，卷扬机固定在引桥桥面上主桥索塔附近，卷扬机配合放索器将索在桥面上展开。主要用吊车起吊，提升时避免索与桥塔侧面相摩擦。当索提升到塔尖时将索吊入索鞍。在主索安装时，在桥侧配置了3台吊机，即锚固区提升吊机、主索塔顶就位吊机和提升倒链。
    当拉索锚固端牵引到位时，用锚固区提升吊机安装主索锚具，并一次锚固到设计位置，吊机起重力在5t以上；主索塔顶就位吊机是在两座塔的二侧安置提升高度大于25m时起重力大于45t的汽车吊，用于将主索直接吊上塔顶索鞍就位，在吊装过程中为避免索的损伤，索上吊点采用专用索夹保护；主索在提升到塔顶时，由于主跨的索段比较长，为确保吊机稳定，可在适当的时候用塔上提升倒链协助吊装。
    （2）主缆调整
    在制作过程中要在缆上进行准确标记。标记点包括锚固点、索夹、索鞍及跨中位置等。安装前按设计要求核对各项控制值，经设计单位同意后进行调整，按照调整后的控制值进行安装，调整一般在夜间温度比较稳定的时间进行。调整工作包括测定跨长、索鞍标高、索鞍预偏量、主索垂直度标高、索鞍位移量以及外界温度，然后计算出各控制点标高。
    主缆的调整采用75t千斤顶在锚固区张拉。先调整主跨跨中缆的垂直标高，完成索鞍处固定。调整时应参照主缆上的标记以保证索的调整范围。主跨调整完毕后，边跨根据设计提供的索力将主缆张拉到位。
    （3）索夹安装
    为避免索夹的扭转，索夹在主索安装完成后进行。首先复核工厂所标示的索夹安装位置，确认后将该处的PE护套剥除。索夹安装采用工作篮作为工作平台，将工作篮安装在主缆上（或同普通悬索桥一样搭设猫道），承载安装人员在其上进行操作。索夹起吊采用汽吊，索夹安装的关键是螺栓的坚固，要分二次进
    行)索夹安装就位时用扳手预紧，然后用扭力扳手第一次坚固，吊杆索力加载完毕后用扭力扳手第二次紧固。索夹安装顺序是中跨从跨中向塔顶进行，边跨从锚固点附近向塔顶进行。
    （4）吊杆安装及加载
    吊杆在索夹安装完成后立即安装。小型吊杆采用人工安装，大型吊杆采用吊车配合安装。
    由于自锚式悬索桥在荷载的作用下呈现出明显的几何非线性，因此吊杆的加载是一个复杂的过程。主缆相对于主梁而言刚度很小。如果吊杆一次直接锚固到位，无论是张拉设备的行程或者张拉力都很难控制，而全桥吊杆同时张拉调整在经济上是不可行的。为了解决这个问题，就必须根据主梁和主缆的刚度、自重采用计算机模拟的办法，得出最佳加载程序。并在施工过程中，通过观测，对张拉力加以修正。
    吊索张拉自塔柱和锚头处开始使用8台千斤顶对称张拉。吊索底端冷铸锚具，其锚杯铸有内外螺纹，内螺纹用于连接张拉时的连接杆以便千斤顶作用，外螺纹用螺母连接后将吊杆固定于锚垫板上。由于主缆在自重状态标高较高，导致吊杆在加载之前下锚头处于主梁梁体之内，因此在张拉时需配备临时工作撑脚和连接杆。
    第一次张拉施加1/4的设计力将每一根吊杆临时锁定!第二次顺序与第一次相同，按设计力张拉完，然后检测每一根吊杆的实际荷载，最后根据设计力具体对每一根吊杆进行微调。在吊索的张拉过程中，塔顶与鞍座一起发生位移!塔根承受弯矩!这样有可能产生塔根应力超限的危险，为了不让塔根应力超限!张拉一定程度后，根据实际观测及计算分析!进行索鞍顶推，使塔顶回到原来无水平位移时的状态，如此反复后!将每根吊索的张拉力调整至设计值。
    施工过程的控制对于自锚式混凝土悬索桥每一道工序的施工均非常重要，尤其在索部施工过程中每一阶段每一根吊索的索力都要及时准确的反馈。吊索张拉时千斤顶的油表读数是一个直观反映，另外利用智能信号采集处理分析仪通过对吊索的振动测出其所受的拉力，两种方法互相检验，确保张拉时每一根吊索的索力与设计相吻合。
    七、需要进一步研究的问题
    （1）更优越的施工方法的研究。例如将中跨主缆锚固在主梁的底部，用转体施工，从而可以在一定程度上克服施工上的困难，但在跨径较大的情况下，如何保证转体施工时的稳定性，还需要做进一步的研究。
    （2）主缆锚固点锚下应力的分布研究。
    （3）当主缆外包钢管混凝土时，吊杆在主缆上的锚固方式研究。
    （4）吊杆及主缆的合理张拉顺序研究。
    （5）新型材料的研究和开发。
    （6）受力体系及理论的进一步完善。
    八、结论及其发展
    （1）通过国内工程时间证明，钢筋混凝土自锚式悬索桥在中小跨径上是一种既经济又美观的桥型，结构的刚度也相对较大，对于中小跨径的公路桥梁和人行桥都适合建造。
    （2）对于钢筋混凝土结构的自锚式悬索桥，锚块的设计是一个关键环节，它不但影响结构的整体工作性能，也是影响桥梁的经济效益和美观要求，应给予足够的重视。
    （3）自锚式悬索桥主缆的锚固形式是与地锚式的最大不同之处，根据受力大小和锚块构造要求的不同，可采取直接锚固、散开锚固和环绕式锚固等方式。
    （4）由于主缆非线性的影响而使吊索张拉时的施工控制变的尤为关键。
    （5）加劲梁采用钢材造价较贵，并且钢结构容易在轴力作用下压屈。而采用钢筋混凝土材料恰好可以克服这两个缺点。
    在科学技术高速发展的今天，分析手段也越来越先进和完善，一些新型美观的结构也因此受到设计师们的研究和重视。尽管自锚式悬索桥有着自身的缺点和局限，但在中小跨径上是一种很有竞争力的方案，它会越来越受到人们的重视和欢迎。这种在20世纪曾被忽视很长一段时间的桥型随着社会的进步又得到了人们的重新认识，随着实践经验的逐渐积累，自锚式悬索桥的设计理论和施工方法也将趋于完善，跨越能力也会不断提高，相信在以后会有越来越多的方案倾向于这种桥型。