大跨度懸索橋的發(fā)展歷史與研究

大跨度懸索橋的發(fā)展歷史與研究

1.引言

隨著世界經(jīng)濟建設的發(fā)展，交通運輸在國民經(jīng)濟中的地位和作用日益重要。洲際之間、海峽兩岸和陸島之間迫切需要修建大跨度，特大跨度或超長跨度橋梁[1]。我國渤海海峽跨海工程、長江口越江工程、珠江口伶仃洋工程以及瓊州海峽工程，為了避免深水基礎施工的困難和高昂的造價，滿足超級巨第一文庫網(wǎng)輪通航要求，需要修建1000m以上甚至2000m以上的超大跨度橋梁[2]。作為后本四聯(lián)絡線的架橋設計，日本計劃在東京灣、紀淡海峽、伊勢灣等地進行橫跨海峽的設計，其規(guī)模是超越Akashi-kaikyoBridge的超大跨度橋梁。歐洲和非洲之間隔著地中海，其西部最窄處為直布羅陀海峽，從西班牙到摩洛哥，修建一座大橋，把兩大陸連接起來是很有必要的[3]。懸索橋是目前跨度超過1000m時最優(yōu)可選橋型之一，從學術研究來說，大跨度懸索橋的研究是當前橋梁學科中最重要與最活躍的領域之一。

2.懸索橋結構特性及發(fā)展階段

懸索橋是以懸索為主要承重結構的橋梁類型，主要由大纜、橋塔、錨碇、加勁梁和吊索組成。構造簡單，受力明確。由于其主要構件大纜承受拉力，材料利用效率最高。因此懸索橋是目前跨度超過1000m時最優(yōu)可選橋型之一，并且認為在600m以上的跨度同其它橋型相比也具有很強競爭力。懸索橋的發(fā)展具有幾個重要里程碑：(1)彈性理論的建立與BrooklynBridge的建成。(2)撓度理論的建立，GeorgeWashingtonBridge的建成以及人們對大跨懸索橋重力剛度的認識。(3)TacomaNarrowsBridge風毀事件，橋梁風工程學科的建立。

(4)SevernBridge的建成，流線型扁平鋼箱梁和正交異性鋼橋面板的廣泛應用。(5)有限元技術的發(fā)展，大跨度懸索橋有限位移理論的建立。

2.1懸索橋彈性理論

1883年跨越紐約東河的BrooklynBridge建成通車，設計者是天才的橋梁設計師JohnARoebling。由于高強碳素鋼絲的使用和空中送絲法(aerialspinning)大纜施工技術的確立，該橋的跨度一下提高到486m。這兩項技術是現(xiàn)代懸索橋發(fā)展的基礎，所以BrooklynBridge被大家公認為世界上第一座現(xiàn)代懸索橋。1903年建成的WilliamsburgBridge，分跨284m+488m+284m，規(guī)模與BrooklynBridge相當，當時的計算理論為彈性理論。

2.2懸索橋撓度理論

1888年，奧地利的Melan教授提出了適用拱橋和懸索橋一類結構的撓度理論，并于1906年做了進一步的改進。以后由Steinman和Timoshenko等對撓度理論予以發(fā)展，立即促進了懸索橋的長大化，使得懸索橋的跨度一下子突破了1000m大關。紐約GeorgeWashingtonBridge作為世界上第一座真正意義上的大跨懸索橋，分跨186m+1067m+198m。該橋的設計者第一次認識到了大跨懸索橋重力剛度概念，并用這一概念來訂正“撓度理論”的分析結果。

2.3TacomaNarrowsBridge風毀事件與橋梁風工程學科的建立

1940年7月1日，由L．Moissief設計的位于美國華盛頓州主跨853m的TacomaNarrowsBridge建成通車，為了達到節(jié)省目的，設計者采用高度很小的板梁作為加勁梁，該橋的跨度與梁高之比為350，而在這以前對于這樣的跨度規(guī)模，其跨高比為70。1940年11月7日，在19m／s的八級大風作用下發(fā)生強烈的風致振動，導致全橋倒塌。這一事

故震驚了橋梁工程界。在調查這一事故的過程中，人們發(fā)現(xiàn)，自1818年起，至少已有11座橋梁毀于風害。然而遺憾的是在長達150年的時間里，工程師只是認識到了風的靜力作用。TacomaNarrowsBridge的風毀開始了土木工程界考慮橋梁風致振動的新時期，并形成了一門新的邊緣學科一風工程學。

2.4SevernBridge與流線型扁平鋼箱梁和正交異性鋼橋面板

20世紀50年代，英國為指導SevernBridge和FonhRoadBridge的抗風設計，由Scruton等進行了系列的風洞試驗。他們試驗了帶懸臂的六角形扁平鋼箱梁，結果大獲成功。這就使得SevernBridge在抗風設計方法上與過去迥然不同，該橋具有以下的優(yōu)點：扁平鋼箱梁接近流線型斷面，其繞流狀況較其他鈍形截面有較大的改善，而且在靜態(tài)方面因其對風的阻力系數(shù)很小，梁高較低，導致其靜風荷載顯著減��；梁的抗扭剛度大，使得全橋扭轉基頻提高，對提高顫振臨界風速非常有利；采用了正交異性板技術，一方面作為鋼箱梁的頂板，同時又作為橋面系。

2.5有限元技術與懸索橋有限位移理論

計算機和有限元理論的飛速發(fā)展，為大跨懸索橋的理論分析提供了強有力的工具。有限位移理論逐步發(fā)展完善，摒棄了撓度理論的過多的假定條件，使計算模型更加接近真實結構，計算結果更加真實地反應實際情況。

3.大跨度懸索橋研究前沿

3.1大跨度懸索橋抗震研究

我國是世界上的多地震國家之一，隨經(jīng)濟建設和城市化進程的進展，城市抗震防災日趨重要[4]。大跨度懸索橋投資大，且作為交通工程的樞紐，其抗震設計與研究則是重中之重。對于大跨度懸索橋,其抗震研究的前沿問題主要有：

（1）多點激勵：大跨度橋梁的各支撐點可能位于顯著不同的場地上,導致各支撐處輸入地震波的不同,因此,在地震反應分析中就要考慮多支撐不同激勵。

（2）行波效應：由于地震波速是有限值,當支座間距離很大時,必須考慮其到達各支座的時間不同。

（3）合理的地震動輸入：同一橋梁對不同地震動輸入有不同的地震反應，橋梁設計中究竟取怎樣的地震動輸入將起決定作用，合理的地震動輸入至少應是橋址區(qū)的可能地震動，所以地震動記錄以及地區(qū)地震危險性分析研究變得相當重要。

（4）地基-土相互作用：地基與土的相互作用主要體現(xiàn)在兩個方面，即地基運動的改變和結構動力特性的改變。為得到較為符合實際情況的橋梁基頻和橋梁控制截面的內力就必須考慮地基與土的相互作用。

（5）橋梁結構的各種減隔震，地震動控制的研究，目前國內外這一領域的研究非�；钴S，各種減隔震裝置的應用效果，各種控制算法均得到了廣泛的關注。

（6）強地震作用下結構的物理和幾何非線性分析研究。

3.2大跨度懸索橋抗風研究

1940年秋，美國華盛頓州建成才4個月的塔科馬(Tacoma)懸索橋在不到20m／s的8級大風作用下發(fā)生強烈的風致振動--反對稱扭轉振動，而導致橋面折斷和橋梁坍塌，這才開始了以風致振動為重點的橋梁抗風研究[5]�？癸L研究的前沿問題主要有：

(1)風振機理研究：顫振發(fā)散的微觀機制、拉索風雨激振的機制以及能有效抑制風致振動的氣動措施及其機理。

(2)風振理論的精細化：通過典型工程的案例研究加以對比和驗證，對現(xiàn)行的抖振和渦

振分析理論進行精細化的改進，甚至建立新的理論和方法。

(3)概率性評價方法：在世界橋梁設計規(guī)范已經(jīng)向基于可靠度理論方向過渡的形勢下，應盡快改變中國抗風設計規(guī)范仍采用基于經(jīng)驗安全系數(shù)的確定性方法來進行各類風振安全檢驗的局面。

(4)CFD技術和數(shù)值風洞：隨著計算流體動力學理論的進步，數(shù)值模擬方法將在抗風設計中發(fā)揮愈來愈大的作用，數(shù)值風洞新技術應提到議事日程。

(5)橋梁等效風荷載：目前規(guī)范中規(guī)定的風荷載計算方法仍是近似的，應當通過對實橋監(jiān)測或全橋模型試驗或者通過數(shù)值模擬等途徑提高風載荷計算的精度和可靠性。

3.3大跨度懸索橋健康監(jiān)測技術

在特大跨度橋梁運營階段橋梁結構本身如何避免突發(fā)性損傷和積累性損傷帶來的災害性后果成為近期工程技術界所廣泛研究的內容。良好的檢查養(yǎng)護、結構應力、變形等內在狀態(tài)的監(jiān)控調整，不僅可使橋梁結構在其運營期內處于健康狀態(tài)，而且還可降低維修成本、延長使用壽命。大跨度橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究涉及測試、分析和決策等多個學科。其理論核心為基于振動的損傷識別技術。理論上，這一概念可用于對橋梁結構損傷與老化的診斷，但距離實用性的系統(tǒng)目標尚有很大的差距。最基本的問題在于以目前的測試水準，僅能較準確測量結構的低頻響應，而低頻響應多為結構的整體模態(tài)，對整體響應貢獻小的局部，即使在整體模態(tài)中有所反映，但由于量值過小，往往也容易淹沒在噪聲/誤差和不確定因素引起的擾動之中，故除非出現(xiàn)非常精確的測試技術或結構產(chǎn)生嚴重的損傷才可能對局部損傷進行診斷。實際上不同類型、部位的結構損傷對結構各階模態(tài)的影響程度有極大的不同。尋找特定結構形式不同損傷對其動力模態(tài)的敏感因素，并盡可能排除噪聲對結果判斷的影響，有可能在一定程度上推進此技術的實用化過程[6]。

推動健康監(jiān)測技術在實踐中真正的應用，基本實現(xiàn)大型橋梁健康監(jiān)測，長期/定時，自動，經(jīng)濟，不妨礙交通的要求，尚有許多問題有待研究。然而此項技術的最終成功應用，其在結構安全/可靠，延長結構使用壽命和科學探索等方面將產(chǎn)生重大的技術變革。

4.結語

21世紀建設海峽工程，溝通全球交通，在20世紀初就是橋梁界的夢想。隨著世界經(jīng)濟全球化步伐的加快，橋梁溝通全球交通的夢想在21世紀將會實現(xiàn)。