近代悬索桥体系

奠基时期

        奠基时期，悬索桥发展以欧洲为主。公元 14 世纪的文艺复兴为欧洲的桥梁发展奠定了丰富的自然科学理论和物质财富。其中，意大利天文学家、自然哲学家伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)建立的代数学和《关于两种新科学的对话》中对材料强度、杠杆原理等的描述使工程师们能够科学地建造桥梁。该时期，悬索桥的计算主要基于弹性理论。

        该时期出现的悬索桥有：

      ① 康威城堡桥(Conwy Castle Bridge,1822 年, 图1)，由托马斯?泰尔福特(Thomas Telford)设计。该桥的跨径只有 99.7m，但与古代吊桥相比，有了本质的变化，出现了桥塔、吊杆、加劲梁等重要构件。荷载通过加劲梁经吊索传递给主缆最后分配给桥塔和锚碇，体系内力按构件刚度分配，见图2。

图 1 康威城堡桥

图 2 近代悬索桥受力简析

        ② 梅奈海峡桥(Menai Straits Bridge, 1826年, 图3)，由托马斯?泰尔福特(Thomas Telford)设计。该桥塔高 46.7m，跨径 176.6m，是当时英国第一座跨径位居世界之

首的桥梁。

图3 梅奈海峡桥

        该时期悬索桥的特点是：主缆是索链，用铁眼杆做成，桥塔为圬工结构。由于眼杆链式体系杆件之间接触面小，会产生应力集中(图4)，而制成眼杆所用的锻铁又是脆性材料，眼杆索链容易在连接处破坏，并且跨径增大时索很难施工。

图 4 铁眼杆受力

发展时期

        1883年，德国工程师约翰?奥古斯塔斯?罗布林(John Augustus Roebling)建成的美国布鲁克林大桥(Brooklyn Bridge, L=486m)改变了以往悬索桥受力性能差、施工困难等特点。该桥首次真正采用平行钢丝索制作主缆。与链式体系比，平行钢丝索用空中纺线法(AS 法)施工，外荷载分散到每根钢丝上，克服了链式体系的缺点。

图 5 罗布林体系

        除主缆材料和形式的创新外，罗布林在布鲁克林桥中还做出了其它重大创新：发明了“AS”法施工主缆；随主缆形式的改变，发明了塔顶鞍座、散索鞍等构件。但由于罗布林尚未认识到主缆的“重力刚度”作用，增添了多条斜拉索来加劲主梁并分担主缆荷载。桥塔仍采用圬工结构。

        1883年后，悬索桥进入发展时期。近代悬索桥的发展得益于两大成就：一是布鲁克林桥的建造，其在主缆材料（平行钢丝）和施工方法（空中纺线）上作出了创新，并完善了近、现代悬索桥的体系和构造；二是挠度理论的出现，使悬索桥向轻型化发展，跨径有了质的飞跃。

        “弹性理论”没有考虑初应力的刚度贡献，并将平衡建立在变形前的位置。根据“弹性理论”计算出的加劲梁需要很大的刚度，因而这一时期的悬索桥有很深的加劲梁和笨拙的桥塔，大大限制了悬索桥的跨径。1888 年，出生于维也纳的美国工程师约瑟夫?米兰提出了挠度理论，使人们认清了悬索桥的受力特性，悬索桥的跨径才有了发展。

        该时期出现的悬索桥有：

        ① 曼哈顿大桥(Manhattan Bridge, 1912 年, 图6)，由利昂?所罗门?莫西夫(Leon Solomon Moisseiff)设计，是最早应用挠度理论设计的悬索桥。该桥主跨 448.1m，总长 2089m，主梁为双层钢桁梁，结构体系为三跨两铰式。曼哈顿大桥改变了传统悬索桥笨重的形象，用全钢桥塔代替圬工桥塔，是第一座用华伦式桁梁作为加劲梁，第一次采用骑跨式吊索的悬索桥，整座大桥纤细、美观。

图 6 曼哈顿大桥

        ② 乔治?华盛顿桥(George Washington Bridge, 1931年)，由奥斯玛?赫尔曼?安曼(Othmar Herrmann Ammann)设计。该桥主跨为 1067m，标志着悬索桥进入千米级。在该桥的设计中，安曼认识到：大跨悬索桥在活载下的刚度，加劲梁的贡献是很有限的，因此加劲梁的高度不必随跨径增大而增大。

        由于挠度理论的应用，1885年到1945年期间的悬索桥主梁向纤细化发展，钢桥塔代替了圬工桥塔，加劲梁由深桁梁变为浅桁梁，甚至出现了高跨比 1:350 的板梁(塔科马大桥)。

        ③  塔科马大桥(Tacoma Narrows, 图7)，由莫西夫设计。该桥主跨长 853m，加劲梁为钢板梁，高跨比只有 1/350，宽跨比 1/72，其值几乎比金门大桥(1/47)和华盛顿大桥(1/33)小一倍。塔科马大桥在一场 68km/h 的持久风速下振毁，引起了工程师们对悬索桥加劲梁抗扭刚度的重视，并使人们开始关注大跨径桥梁的空气动力稳定问题。但是，塔科马事件也使悬索桥的发展停滞了近十年。

图 7 塔科马桥

        ④ 卢瓦河夏托纳夫桥，由马克?塞昆设计，是第一座多塔地锚式悬索桥。该桥1940年建成，孔跨布置为 49+3×59+49m。与双塔悬索桥比，多塔悬索桥的缺点是中塔缺少约束，结构刚度太小，在活载作用下会产很大的变形。为了提高结构体系刚度，马克?塞昆在桥塔之间设置了水平拉索。这样，在中间桥塔变形时，水平拉索会产生抗力H将其拉回。这与中国古代出现的多墩吊桥有所不同，如图 8 (c)。

图 8 多塔悬索桥