悬索桥内力分析与施工简介

1.分析理论

悬索桥是大缆系统和加劲梁系统两者的简单组合。图8.81所示的单跨两铰悬索桥，为一次超静定结构。将大缆从跨中切开，作用一对冗余力H，则可按力法（以大缆切口两面相对位移是零为条件）分析大缆以及加劲梁的内力。若忽略不计活载p对结构变形的影响，即假定大缆几何形状由满跨均布恒载决定（可推算其线形为二次抛物线），且这一线形不因活载p作用而发生改变，则由此分析悬索桥内力的方法就是传统的“弹性理论”。

图8.81　单跨两铰悬索桥内力分析

求出H后，将H作用在基本体系上，就可以求出加劲梁的弯矩M：

式中　M0——简支梁弯矩，即活载使基本体系产生的弯矩；

y——大缆在承受活载之前的纵标取值，参见图8.82。

图8.82　“挠度理论”特点示意

实际上，大缆是柔性受拉构件。“弹性理论”假定它的几何形状及长度都不因活载而改变，这是一个很大的缺点。早在1888年建立的“挠度理论”就纠正了这一缺点。“挠度理论”的主要特点是：大缆在恒载下取得平衡的几何形状（二次抛物线）将因活载的介入而改变，大缆因活载作用引起的拉伸量也需考虑。因此，应采用位移法，并计及结构的几何非线性，来分析悬索桥内力。见图8.82，大缆在恒载下的平衡位置（虚线）因活载作用而有所改变（实线）。按右图的分离体，可求得加劲梁的M为：

式中：v代表纵标增值；Hq和Hp分别表示按“挠度理论”计算的恒载缆力和活载缆力。将上两式加以比较，可知后式中的Hpy与前式中的Hy相当，但后式中增加了[－ （Hq＋Hp） v]项。虽然v值并不会大，但Hq往往很大。考虑　[－（Hq＋Hp） v]这一项的效应，正是“挠度理论”的重要特征。

对加劲梁很柔的悬索桥，还可以先让加劲梁的抗弯刚度是零，也就是叫它先退出工作，取大缆做基本体系，并且让基本体系用改变其几何线形的方式来承担活荷载。在缆的线形改变量或挠度（从只受恒载变到承受恒载加活载）求得后，可以就每一吊索上端的位置推算位于吊索下端的梁的挠度，再凭梁的挠度的各阶导数推算梁的弯矩及其所分担的活载集度。从给定的活载集度中将梁所分担的集度扣除，余下者就是经由吊索传给大缆，让大缆所分担的活载集度。按吊索传来的活载重新计算大缆挠度，将上述计算重复迭代几次，就能取得使人满意的结果。

这种分析方法就叫作重力刚度法。所谓重力刚度，指原本柔性的大缆因承受（巨大恒载所生）重力而产生的抵抗（活载所致）变形的刚度。该方法抓住了大跨悬索桥的两大特点：一是较大恒载使缆的线形稳定（即其挠度不因活载而发生大的变化）；二是柔性很大的加劲梁所能分担的活载份额必然很小。这样，所需的最终结果也就同该法在迭代开始时所假定的情况很相近了。将重力刚度概念及其在内力计算中的应用较为明确地提出，这是美国乔治·华盛顿桥设计者的贡献。在悬索桥初步设计阶段，重力刚度法是有使用价值的。

从20世纪60年代以来，随着计算机、计算数学和计算力学的发展，借助于计算机，可对悬索桥进行非线性有限元分析。对于竖向作用力（对称于桥轴的作用）来讲，非线性有限元理论是指将悬索桥当作非线性平面框架结构，按非线性杆系有限元求严密解的理论。由于杆系有限元方法可求得精度很高的数值解，而悬索桥按杆系有限元离散又在客观上代表了其实际模型，所以，在悬素桥的所有分析方法中，该法是最精确的。

2.施　工

悬索桥的基本施工步骤是先修建基础、锚碇、桥塔，然后利用桥塔架设施工便道（称为猫道），利用猫道来架设大缆，随后安装吊索并拼装加劲梁。

悬索桥施工的重点是大缆和加劲梁的架设。大缆架设分为用空中送丝法编制大缆和预制平行丝股架设大缆，加劲梁架设则采用梁段提升法。分述如下。

（1）空中送丝法编制大缆

空中送丝法是美国人J·A·罗伯林在1844年提出的。其工作原理如下：沿着大缆设计位置，从锚到锚，布置一根无端牵引绳（即长绳圈），将送丝轮扣牢在牵引绳某处。从卷筒抽出一钢丝头，套过送丝轮，并暂时固定在某靴根（可编号为A）处。用动力机驱动牵引绳，送丝轮就带着钢丝套圈送至对岸，取下套圈，将其套在对应的靴根（可编号为A′）上。随着牵引绳的驱动，送丝轮就被带回这岸。在将钢丝绕过编号为 A 的靴根后，就可继续抽送钢丝，形成下一个套圈。如此反复进行，当套在两岸对应靴根（A、A′）上的丝数达到一根丝股的设计数目时，将钢丝剪断，用钢丝连接器将其两端头连起来。这样，一根丝股的空中编制就完成了。图8.83是美国韦拉扎诺桥的送丝工艺示意。

图8.83　韦拉扎诺桥的送丝工艺示意

根据上述工作原理，实际施工中可采取多种措施来提高工效。例如，在对岸也放置卷筒钢丝，这样，送丝轮在返程中就不必放空，而是另带一钢丝套圈到这岸来，在另一对靴根（可编号为B、B′）之间进行编股。再比如，在牵引绳上设置两个送丝轮，为节省时间，其间距布置成：当一轮从这岸开始驶向对岸时，另一轮正开始从对岸驶向这岸来。这样，两个送丝轮就可以在两对靴根（如A－A′、C－C′）之间分别编制两丝股。若对岸设置有卷筒钢丝，还可以利用两轮的返程在另两对靴根（如B－B′、D－D′）之间另编制两丝股。还有，在固定送丝轮的那点上，可以设多个送丝轮，而每轮所设的绕丝槽路也可以不止一道。

为实现空中送丝，必须设置猫道和送丝设备。所谓猫道，就是指位于大缆之下（大约是1m多），沿着大缆设置，让进行大缆作业（包括送丝、调丝、调股、紧缆、装索夹、装吊索、缠缆等工序）的工人有立足之处的脚手架。猫道一般设两条，宽度3m左右，分设在两根大缆之下，用悬吊在塔和塔、塔和锚之间的几根平行承重绳加上铺面层组成。面层多用镀锌钢丝网（但横梁及栏柱时常还用有防火涂料的木材），其自重较轻，所受到的风的静压较小，且对防火也更有利。(www.xing528.com)

由于猫道宽度不大，为防止被风吹翻，同时也为左、右两猫道能互相交通，一般要在两猫道之间设“横道”，在主跨范围内，横道可设3或5道；在边跨范围，可设1或2道。由于猫道自重小，一般还应在其下方设抗风索，在立面上，抗风索可呈向上凸出的抛物线形。抗风索两端是扣在塔和锚碇的下方。在猫道承重绳和抗风素之间，设若干根竖向（或布置成V形的）细绳。用拉力将上述绳索绷紧，这就能形成一抗风体系，帮助猫道抗风。这样设置的抗风索势必侵入航运净空，故其设置必须得到航运部门同意。

猫道承重绳安装的常用办法是：将成卷的绳装在船上，绳的一头扣在一岸的塔边，而后将船开到对岸去，一面行船，一面将绳放落水底，然后，封锁航道，在两岸同时用绞车或塔顶起重机将绳提升，直至安放在塔顶。若希望钢丝绳不要沾水，可以将装有卷筒（作猫道承重绳用的）钢丝绳的船抛锚在一塔之旁，将该绳的一端引到塔顶滑轮后再落到这船；在对岸的塔旁设一绞车，从该绞车引出一较细的牵引绳，让细牵引绳通过另塔塔顶滑轮后再引到这船来，将它同这船上的承重绳头相连接。随后开动另塔之旁的绞车，则细牵引绳就能将猫道承重绳牵引到另塔塔顶了。为使各钢丝绳（包括牵引绳）都不沾水，则需要利用先锋绳（又叫先导索）。先锋绳与牵引绳相连，可借助长臂吊船来帮助先锋绳越过水面（日本南备赞桥），或用直升机来运送（日本明石海峡大桥），或用飞艇牵送（贵州坝陵河特大桥），或用火箭抛送（湖北四渡河特大桥）。

前述无端牵引绳还需要若干个支承点将它架在空中。现常用两根独立的支承索，及架在这两索之间的若干根横梁。图8.84为英国福思桥所用猫道、牵引绳和支承索布置。支承索直径35mm，牵引绳直径25mm。横梁间距60m，在设横梁处，都用细钢丝绳将支承索与下面的猫道相连。送丝轮用刚性臂扣牢在牵引绳上，每一送丝轮各设槽路4道。猫道承重绳8根，面层采用直径约5mm 的钢丝编结成的网。

为使大缆各钢丝受力均匀，必须对钢丝长度和丝股长度分别进行调整，这就叫调丝和调股。调丝的目的是使同一丝股内的各丝长度相等，而调股是为了使每根丝股的计算长度符合设计要求。

图8.84　猫道、牵引索和支承索示例

为使大缆有妥善的防护，还应及时进行紧缆和缠缆等工序。紧缆指在大缆各丝股全部落位之后，立即用紧缆机将大缆截面挤压成圆形。紧缆机能沿大缆移动。继压紧之后，为避免丝股松散，要立即用钢丝或扁钢每隔0.7～0.9m捆扎一道。随后，就可以安装索夹和吊索。大缆会因其拉应力的增加而使横截面收缩，为了将大缆缠紧，应当在恒载的大部分已作用于大缆之后，再进行缠缆。缠缆就是指用缠丝机将软钢丝紧紧缠在大缆之外。缠丝之前，应清洗大缆表面，并涂防锈材料（常用锌粉膏等）。缠丝过程中，应随时清除被挤出的膏。最后在缠丝之外进行油漆。

（2）预制平行丝股的制造及架设

① 平行丝股的制造

预制平行丝股大缆的构造是：大缆由若干两端带锚头的丝股组成，每丝股含钢丝若干。美国纽波特桥是第一座采用预制平行丝股大缆的悬索桥，在跨度范围内，每缆76股，每股61丝，丝径5.16mm。大缆的含股数由计算确定，每股含丝数最多为127丝。

图8.85为预制平行丝股制造工艺示意。钢丝从丝盘放出，通过导向网格，在成型机上向右移动，每隔一定距离用捆扎机捆扎一道，然后卷在卷筒上。同时，要给丝股两端装上锚头。图8.86表示一丝股的横截面（丝数127）。它是正六边形，在其一角是基准丝，其他各丝的长度都是以它为基准来确定的。另一角设有一带颜色的丝，这是为了便于检查安装在缆中的丝股是否扭曲。

图8.85　预制平行丝股制造工艺示意

图8.86　基准丝和带色丝

② 用预制平行丝股架缆

采用预制平行丝股架成大缆时，也需要先架设导索和猫道，也设无端牵引绳（或叫拽拉索）及丝股输放机。但在猫道之上，要设置若干导向滚轮，以支承丝股。这套拽拉系统把各丝股拽拉到位，丝股两端分别联结于锚杆。图8.87为汕头海湾大桥所用的拽拉系统。

图8.87　汕头海湾大桥拽拉系统

（3）加劲梁架设

在完成大缆架设并调整好大缆线形后，就可安装索夹和吊索，开始加劲梁的架设工作了。见图8.88示意（汕头海湾大桥）。当加劲梁是桁架式时，以往常采用的方法类似于桁架梁桥的悬臂安装法，即利用能沿着桁架上弦行走的吊机作为架梁机具；所不同的是，将架设好的梁段立即与对应的吊索相连，把梁段自重传给大缆，这样，先架设的梁段并不承受后架设梁段的自重。在旧金山海湾桥施工中，第一次采用梁段提升法架梁。先将加劲梁预制成梁段，浮运到桥下，利用可行驶于大缆上的起重台车，借助滑轮组及钢丝绳，将梁段提升到位。对扁平钢箱加劲梁，合理的架梁方法也是梁段提升法。目前，提升的梁段重量一般是3.9～4.9MN，较先进的设备是液压连续提升千斤顶配钢绞线。

图8.88　悬索桥施工步骤示意

在梁段架设中，大缆被用作一悬吊脚手架，但是，这脚手架是柔性的，它的几何形状会随着梁段的逐渐增加而不断改变。这一情况对加劲梁架设的影响是：当只有少数梁段架设到位时，这些梁段在上弦（或上翼缘板）处当互相挤压，而在下弦（或下翼缘板）处当互相分离。若强制将下弦（或下翼缘板）过早地闭合，结构或连接有可能因强度不足而破坏。较为合理的做法是：从架梁开始到大部分梁段到位，只是让各梁段的上弦（或上翼缘板）形成“铰”状的临时连接，对于下弦（或下翼缘板）则让其张开。待到绝大部分梁段到位，梁段之间下面的张口就会趋向闭合，这时，才开始梁段之间的工地永久性连接。