以技术精进跨越——也谈悬索桥的创新

悬索桥以主缆为主要承载构件，是世界上跨越能力最强的桥梁，有着悠久的历史。下面我们通过悬索桥的前世今生，来说说悬索桥的创新发展。

我国3000多年前已有的吊桥是悬索桥的雏形（图1）。据史料，公元前250年，李冰在都江堰修建了竹索吊桥；公元前206年，我国陕西省汉中地区修建了樊河铁索桥，以铁链作为主要承重构件。

图1 传统吊桥

近代悬索桥诞生于18世纪的欧美，与古代吊桥相比，近代悬索桥出现了桥塔、吊杆、加劲梁等重要构件，使结构受力明确，并有了计算理论的支撑。

1820～1883年是近代悬索桥的奠基时期，该时期悬索桥的特点包括：计算采用1823年法国学者Navier提出的弹性理论；主缆采用链式构造（铁/铜链或铁眼杆）；桥塔为圬工结构；加劲梁多采用桁架深梁。该时期悬索桥跨度不大，在100～300米之间。如图2所示，此间的代表作品包括——

1822年建成的欧洲第一座近代悬索桥—康威城堡桥；

1826年建成的英国第一座跨度位居世界之首的悬索桥—梅奈海峡桥；

1834年建成的主跨273m欧洲最大跨度的悬索桥—弗瑞堡桥；

1840年建成的近代唯一多塔悬索桥—卢瓦河夏托纳夫桥；

1849年在美国建成主跨308m的惠林桥，成为当时悬索桥跨度的世界纪录。

(a) 康威城堡桥

(b) 梅奈海峡桥

(c) 弗瑞堡桥

(d) 卢瓦河夏托纳夫桥

(e) 惠林桥

图2 近代悬索桥的代表作

1883年，在罗布林家族的不懈努力下，美国建成了主跨486m的布鲁克林大桥，成为这一时期最伟大的作品，使近代悬索桥进入发展时期。布鲁克林大桥第一次真正使用平行钢丝缆索作为悬索桥主缆，发明“空中纺丝法”架设悬索桥主缆。该桥创新了塔顶鞍座、散索鞍、锚碇等悬索桥构件（图3），至今仍是现代悬索桥的重要组成。但由于理论上认识不足，采用了斜索加劲悬索桥的罗布林体系。

图3 布鲁克林大桥

近代悬索桥的发展得益于计算理论的进步。1888年，奥地利教授Melan提出的挠度理论将平衡方程建立在结构变形后的位置，认识到主缆作为悬索桥主要的受力构件，具有强劲的重力刚度，加劲梁只起到传递荷载的作用。从此，悬索桥的跨度有了快速增大。1909年建成的美国曼哈顿大桥是第一座应用挠度理论设计的悬索桥；1926年建成的本杰明·富兰克林大桥，主跨533m，使悬索桥主跨首次突破500m；1931年建成的乔治·华盛顿大桥，主跨1067m，是第一座千米级悬索桥；1937年建成的金门大桥，主跨1280m，保持世界最大跨度桥纪录达27年。该时期悬索桥发展的主要特点是结构轻型化，钢桥塔代替圬工桥塔，加劲梁高度不断降低以减小自重。

但在取得进步的同时，忽视了加劲梁刚度在抗风中的重要作用。1940年建成了老塔克玛大桥，主跨853m，加劲梁采用板梁结构，梁高仅有2.44m，高跨比1:350，宽跨比1:72，该桥在建成当年的一场68km/h的持久风速下振毁。

悬索桥的过去，从古代吊桥到近代悬索桥，完善了悬索桥的静力分析理论、主要结构、构造形式和施工工法。但老塔克玛大桥倒塌事件使悬索桥的发展停滞了近十年，人们开始关注大跨度桥梁的空气动力稳定性问题，推动悬索桥进入了一个新的发展时期。

二战结束后，世界各国开始了重建工程。工程界经过多年的研究和风洞试验，在桥梁抗风理论上取得了丰硕成果。1966年建成的赛汶桥（图4），首次采用扁平流线型钢箱梁，大大提高了悬索桥的空气动力稳定性，悬索桥进入以扁平钢箱梁和混凝土桥塔为主流的发展时期。新材料及连接技术、新结构构造及附属设备、超大跨新体系、新施工工法、新计算理论及分析方法得到了发展。限于篇幅，下面仅举典型案例来说明这一时期悬索桥的发展与创新。

图4 赛汶桥

在新材料及连接技术方面。1998年建成的日本明石海峡大桥，采用了日本新日铁公司研发的抗拉强度1800MPa的超高强钢丝，相比之前1550-1600MPa之间的钢丝强度有较大幅度的提高；中国2019年建成的南沙大桥坭洲水道桥、杨泗港长江大桥使用了国产研发的1960MPa的超高强钢丝，建设中的仙新路长江大桥使用了2100MPa的超高强钢丝，与此同时，还研发了相应的锚固系统。德国、美国等在上世纪60年代开始研究并推广了高性能钢材（HPS）的使用，中国也研发了Q345-370-420-500-690系列桥钢，并已经在桥梁中得到了应用。瑞士、德国、日本等在上世纪70～90年代为大跨度桥梁设计的大行程伸缩缝，满足了大跨度悬索桥的使用需求。中国近年在洞庭湖二桥使用的UHPC-OSD组合桥面系（图5），提高了传统正交异性钢桥面板的抗疲劳及耐久性能。

图5 UHPC-OSD组合桥面系

在新结构构造及附属设备方面，1966年建成的赛汶桥首次采用扁平流线型钢箱梁，提高了悬索桥的空气动力稳定性。1970年建成的小贝尔特桥创新采用软土地基摩擦锚碇，利用土压力平衡主缆的水平分力。墨西拿海峡大桥设计方案中提出分体式钢箱梁，西堠门大桥中得到首次应用（图6），提高了悬索桥抗风稳定性。美国、英国等在上世纪90年代提出梁端限位阻尼装置，在提高抗震性能的同时，有效提高了伸缩缝等附属设施的耐久性。1998年大贝尔特海峡东桥使用抗风导流板，改善了桥梁气动性能。1998年明石海峡大桥采用悬索桥主缆除湿装置，提高了主缆的防腐耐久性。2012年泰州长江大桥采用半刚性中塔平衡了结构刚度与主缆-索鞍防滑的矛盾，实现了三塔悬索桥；2022年瓯江北口大桥采用刚性中塔三塔悬索桥设计，并通过防滑索鞍解决了主缆滑移问题（图7）。

图6 西堠门大桥加劲梁断面图

图7 瓯江北口大桥

在超大跨新体系方面，COWI公司为智利Chacao海峡做了三塔连续悬索桥方案，但未实现；中国建成了主跨2×1080米的三塔双跨钢箱梁悬索桥—泰州长江大桥，以及马鞍山长江大桥、武汉鹦鹉洲长江大桥、瓯江北口大桥等三塔悬索桥。同济大学于1995年为伶仃洋大桥和虎门二桥设计了斜拉-悬吊协作体系方案（图8），但未实现，最近有3个工程已经开工建设：主跨1488m西堠门公铁两用跨海大桥、主跨988mG3铜陵长江公铁大桥和主跨1120m荆州李埠长江公铁大桥，可以看到这一体系将在公铁两用桥梁中开花结果。同济大学于2007年提出了部分地锚斜拉-悬吊协作体系方案，但未实现；2016年，土耳其建成主跨1408m的博斯普鲁斯海峡三桥，建成了部分地锚斜拉-悬吊协作体系。

图8 伶仃洋大桥方案（1400m）

在施工工法方面， 1965年美国提出“预制平行索股法”代替“空中纺丝法”，在1969年用于Newport桥，并在日本关门桥和第二Chesapeake Bay桥中得到推广。2012年，中国矮寨大桥提出“轨索移梁法”并创新了施工设备，在大桥永久吊索下端安装水平轨索，作为加劲梁高空运梁轨道（图9）。

图9 矮寨大桥轨索移梁法

在新计算理论和分析方法方面，随着计算机性能的提高，桥梁分析理论不断发展，桥梁设计分析软件实现了普及；抗风理论、抗震理论、非线性及稳定理论、健康监测及振动控制理论、车桥耦合振动及船撞理论、耐久性分析理论日趋成熟。现代悬索桥贯穿了五方面的创新，才使我们能看到今天悬索桥超大的跨度以及丰富多彩的结构形式。

2022年3月，土耳其1915恰纳卡莱大桥（主跨2023m）通车，悬索桥跨度突破了2000m；随着已开工的广东狮子洋大桥（主跨2180m）和江苏张靖皋长江大桥（主跨2300m）的建成，将使悬索桥跨度连续突破2100m和2300m，而载入桥梁史册（图10）；意大利墨西拿海峡大桥更为我们打开了大跨度悬索桥的跨越空间。大家不禁要问，未来悬索桥的发展还存在哪些问题？

图10 悬索桥的建设与跨度发展

首先，悬索桥跨度不可能无限增大，为此必须解决悬索桥长距离跨山越海中存在的技术、经济问题，包括：深水基础和水中锚碇问题（深度100m～200m），多塔共锚悬索桥以及刚性中塔多跨悬索桥的技术、经济和应用等问题。

对于深水基础和水中锚碇问题，目前已建桥梁的深水基础有明石海峡大桥的预制装配式沉井基础，深度50～60m；希腊Rion-Antirion桥的加筋土钟形装配式塔基，深度65m；我国长江下游大桥的基础水深一般在40米左右，深水基础的建设水平在70m左右。而琼州海峡中线和台湾海峡的水深都在80米以上，世界大部分海峡的水深达到了100m以上。虽然目前基础建造技术可以解决大部分水域的需求，但是要实现悬索桥长距离海峡跨越，必须解决超百米深水和能承受大吨位水平力基础的技术难题，并在经济上可行。只有有效解决深水基础问题，才能实现共锚和连续多跨悬索桥的海峡跨越。

其次，悬索桥要发展，还必须创新，使其拥有新的生命力。为避开深水基础难题和满足通航需求，需要更大跨度的悬索桥或其协作体系，新材料的应用为建造更大跨度悬索桥提供了机会，但也会带来横向问题、刚度控制设计等新问题。解决问题的可能方案包括——

（1）用协作体系，实现更大跨越。林同为直布罗陀海峡提出的混合双悬臂斜拉-悬吊体系（图11），每边的双悬臂来支承距桥墩1000m距离内的桥面，降低主缆的荷载，与单纯悬索桥体系相比，仅增加了斜撑构件，体系造价没有增加。

图11 混合双悬臂斜拉-悬吊体系

（2）用协作体系，改变悬索桥的力学和经济性能问题。例如我们试设计提出的斜拉-悬吊协作体系桥梁、部分地锚斜拉-悬吊协作体系桥梁和部分地锚悬索桥，通过合理改变缆索布置形式和约束方式，可以因地制宜，实现更好的跨越。

（3）用空间索面协作体系解决超大跨度悬索桥横向受力问题。瑞士Christian Menn教授提出，可以将传统框架式塔柱由带面外斜拉索塔的倒Y形塔柱代替，中央塔柱通过斜拉索支承面外斜拉索塔，面外斜拉索塔再通过斜拉索支承加劲梁，从而改善超大跨度悬索桥横向刚度受力（图12）。

图12 倒Y形塔柱形成空间索面

（4）用索网结构，有利于新材料的应用，并实现更大跨越。新材料建造超大跨度悬索桥遇到的突出问题是刚度问题，三维索网结构可对各个方向都提供有效支承，从而不仅仅依靠塔或梁来抵抗风力和地震力；2008年，意大利工程师M.Peroni和P.Casadei针对直布罗陀海峡提出了一种索网体系（图13），该体系由内外两层索面构成。

图13 空间索网体系概念

未来，世界上跨越工程还将遇到很多挑战，包括大风、强震、波浪、海流等极端作用和深水、大风大浪等复杂恶劣的建设条件。悬索桥的前世今生正说明了创新是解决问题、实现发展的动力和方法。本文回顾悬索桥的前世今生，意在抛砖引玉，让更多的同行通过过去、现在，去探索发现未来，用创新实现未来更好的跨越。