自錨式懸索橋研究論文

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摘要：介紹自錨式懸索橋的特點、歷史及國內外發展情況。重點分析了鋼筋混凝土橋的設計和發展，并對其施工工藝做了簡單介紹?？偨Y展望了自錨式懸索橋的發展空間及其需進一步研究的問題。

關鍵詞：懸索橋；自錨式體系；施工；實例

一、前言

一般索橋的主要承重構件主纜都錨固在錨碇上，在少數情況下，為滿足特殊的設計要求，也可將主纜直接錨固在加勁梁上，從而取消了龐大的錨碇，變成了自錨式懸索橋。

過去建造的自錨式懸索橋加勁梁大多采用鋼結構，如1990年通車的日本此花大橋，韓國永宗懸索橋、美國舊金山——奧克蘭海灣新橋、愛沙尼亞穆胡島橋墩等。2002年7月在大連建成了世界上第一座鋼筋混凝土材料的自錨式懸索橋——金石灘金灣橋墩，為該類橋墩型的研究提供了寶貴的經驗。此后在吉林、河北、遼寧又有4座鋼筋混凝土自錨式懸索橋正在設計和設計和建造中。

自錨式懸索橋有以下的優點：①不需要修建大體積的錨碇，所以特別適用于地質條件很差的地區。

②因受地形限制小，可結合地形靈活布置，既可做成雙塔三跨的懸索橋，了可做成單塔雙跨的懸索橋。

③對于鋼筋混凝土材料的加勁梁，由于需要承受主纜傳遞的壓力，剛度會提高，節省了大量預應力構造及裝置，同時也克服了鋼在較大軸向力下容易壓屈的缺點。

④采用混凝土材料可克服以往自錨式懸索橋用鋼量大、建造和后期維護費用高的缺點，能取得很好的經濟效益和社會效益。

⑤保留了傳統懸索橋的外形，在中小跨徑橋梁中是很有競爭力的方案。

⑥由于采用鋼筋混凝土材料造價較低，結構合理，橋梁外形美觀，所以不公局限于在地基很差、錨碇修建軍困難的地區采用。

自錨式懸索橋也不可避免地有其自身的缺點：①由于主纜直接錨固在加勁梁上，梁承受了很大的軸向力，為此需加大梁的截面，對于鋼結構的加勁梁則造價明顯增加，對于混凝土材料的加勁梁則增加了主梁自重，從而使主纜鋼材用量增加，所以采用了這兩種材料跨徑都會受到限制。

②施工步驟受到了限制，必須在加勁梁、橋塔做好之后再吊裝主纜、安裝吊索，因此需要搭建大量臨時支架以安裝加勁梁。所以自錨式懸索橋若跨徑增大，其額外的施工費用就會增多。

③錨固區局部受力復雜。

④相對地錨式懸索橋而言，由于主纜非線性的影響，使得吊桿張拉時的施工控制更加復雜。

二、歷史回顧

19世紀后半葉，奧地利工程師約瑟夫。朗金和美國工程師查理斯。本德分別獨立地構思出自錨式懸索橋的造型。本德在1867年申請了專利，朗金則在1870年在波蘭建造了一座小型的鐵路自錨式懸索橋。

到20世紀，自錨式懸索橋已經在德國興起。1915年，德國設計師在科隆的萊茵河上建造了第一座大型自錨式懸索橋——科隆-迪茲橋，當時主要是因為地質條件的限制而使工程師們選擇了這種橋型，該橋主跨185m，用木腳手架支撐鋼梁直到主纜就位。此后，美國賓夕尼亞州的匹茲堡跨越阿勒格尼河的3座橋和在日本東京修建的清洲橋都受科隆-迪茲橋的影響。雖然科隆-迪茲橋1945年被毀，但原橋臺上的鋼箱梁仍保存至今。匹茲堡的3座懸索橋比科隆-迪茲橋的跨徑要小，但施工技術比科隆-迪茲橋有了很大的進步。科隆-迪茲橋建成后的25年內在德國萊茵河上又修建了4座懸索橋，其中最著名的是1929年建成的科隆-米爾海姆橋，該橋主跨315m，雖然該橋在1945年被毀，但它至仍然保持著自錨式懸索橋的跨徑記錄。在20世紀30年代，工程師們認為自錨式懸索橋加勁梁的軸力將使該種橋梁的受力性能接近于彈性理論，所以這段時間美國德國修建了許多座自錨式懸索橋。

三、國外現代自錨式懸索橋

1、日本此花大橋

日本此花大橋原名大阪北港連絡橋，是現有的最早修建的特大跨徑自錨式懸索橋，又是世界上唯一的英國式自錨式懸索橋。1990年通車。

跨徑布置為（120+300+120）m，是現有最大跨徑的自錨式懸索橋。垂跨比叫大，為1/6，以減小主纜的索力，使能為梁所承受。

該橋采用單主纜，用PWS法施工，包含30束股，每束184絲。僅一個索面，吊索做成傾斜形，構成三角形吊桿，與鋼箱加勁梁一起，體現了英國式懸索橋的特點。

鋼箱加勁梁為三室箱，梁高3.17m，箱總寬26.5m.由于單索面，按抗扭的需要，箱高較大。塔成呈花瓶形，但下塔柱較矮。人字形上塔柱要在加勁梁節段架設后才能安裝。

2韓國永宗大懸索橋

永宗大懸索橋位于韓國漢城仁川國際機場通往漢城市區的高速公路上，是世界上第一座雙層行車的公鐵兩用自錨式縣索橋。

跨徑布置為125+300+125m，主跨徑與日本此花大橋相同。垂跨比為1/5，以減小主纜索力。

塔設計成花瓶形，高104.6m，較美觀。采用空中紡線法制索，主纜直徑46.7cm.主纜塔處橫向間距受塔型限制，公6.6m，而在主跨中部則展寬為35m（與梁寬相同），主纜呈三維空間曲面。

加勁梁三跨連續，其腹板及行駛鐵路部分的下層為桁架。梁總高12m，寬35m.上層設6個車道；下設4個車道及雙線鐵路。加勁梁的上層橋面系為一鋼箱，以承受巨大的水平軸力。箱高3m，連同風嘴，總寬41m.梁的施工，分為8個節段，用3000t的海上浮吊架設，全部放在臨時排架或塔上，然后安設吊索。

防護體系，加勁梁采用抽濕防護，只要有一個傳感器測得相對濕度高于50%時，抽濕系統自動開始一切工作，直至相對濕度降至40%以下。

主纜防護采用S形鋼絲纏繞，再設涂裝，并采用干燥空氣體系，與日本明石海峽大橋相同。

3、美國舊金山——奧克蘭海灣新橋

20世紀30年代中期修建的舊金山——奧克蘭海灣橋，全長12.8m，是當時世界上最長的、技術水平很高的橋梁，至今人仍為舊金山半島至東海灣的主干線，車輛繁忙，每天通行近28萬車次。設計的地震力很小，其東橋（鋼桁架橋）于1989年在里氏7.1度地震烈度時局部坍塌，因此決定修建新海灣橋來代替現有東橋，全長3.6km.新橋每方向有寬25m的橋面，各包括5個車道和一條輕軌鐵路。南側還有寬4.8m的人行道，考慮1500年回歸的地震。

主航道橋為自錨式懸索橋，單塔，跨徑為385+180m.兩主纜直徑0.78m，東側（385m側）錨固在東墩處的梁上，其素鞍由箱梁支承，并設計成可移動的，以平衡兩主纜索力差。西側（180m側）主纜通過兩分離的索鞍環繞在西墩上，這兩個分離索鞍固定在西墩上在施工期間兩主纜索力差異采用一項進的座板來平衡。西墩上設計一個預應力帽梁，其重量可以平衡橋梁跨徑不對稱而在西墩產生的恒載撥力，也用以承受西墩兩主纜在運營荷載和地震荷載作用時其素鞍產生的不同應力。塔高160m.主纜不跨越而是固定在單一的索鞍上。塔由4柱組成，沿高度用剪力桿連接。塔柱為鋼箱。柱間有間距3m的橫隔梁連接。承臺高6.5m，支承在13根直徑2.5m的鋼管樁上，樁內填灌混凝土，樁凈長20m，嵌入巖石。

上部結構為兩個空心的各向異性版，并將吊桿荷載分布在箱梁上，箱梁間用寬10m、高2.5m、間距30m的橫梁連接。該橫梁承受吊桿橫向72m跨的荷載，保證兩箱在荷載、特別是風和地震荷載時的整體作用。吊桿設在兩箱的外側，形成兩空間索面，很美觀。

4、其它自錨式懸索橋

Sorok島橋是韓國與Geogcum島連接本土的橋梁，跨徑布置為110m+480m+200m，矢跨比為1：8，加勁梁為鋼箱梁，高跨比為1：400，橋塔為H形。1996年哥本哈根的國際橋梁和結構工程協會（LABSE）學術會議論文集中，J.F.Klcin介紹了一種自錨式懸索橋的比較方案，跨徑布置為303m+950m+303m，采用單主纜，主跨跨中約200m長的主纜在梁體內部，與梁固結，使結構具有很高的剛度，索夾處設有錨固裝置，所以主纜截面沿橋梁是可變化的，這樣可大大節省主纜造價。

四、國內自錨式懸索橋

盡管自錨式懸索橋在國處產生發展較早，在國內卻很少建造，相關文獻也很少，使這種橋型在國內的發展遠遠落后于國外。2002年在大連建成了世界上第一座加勁梁采用鋼筋混凝土材料的自錨式懸索橋，此后大連理工大學橋梁研究所又設計了多座鋼筋混凝土自錨式懸索橋，為國內橋梁的建設提供了寶貴的經驗。

1大連金石灘金灣懸索橋

金石灘金灣懸索橋是我國，也是世界上第一座鋼筋混凝土結構的自錨式懸索橋，位于大連金石灘旅游度假區的濱海路上，橫跨帆船港池入?？?，已成為當地的一處特殊景觀。

金石灘金灣橋主橋為自錨式混凝土懸索橋，它直接把主纜錨固于加勁梁的兩端，用加勁梁做成拱形（吊拱體系），用主纜的水平分力來抵搞拱腳的推力，起到了系桿拱橋中系桿的作用。這樣既滿足了跨中通航的凈空要求，同時也使主橋兩端高度降低，大大減少了引橋的長度，節省了投資。這種拱度也可使加勁梁剛度增加、撓度減小，從而使該橋在受力和經濟上都達到了很好的效果。金灣懸索橋總長198m，其中主橋長108m，引橋長90m，主橋跨徑為（24+60+24）m，橋寬10m，矢跨比為1：8，雙塔雙主纜結構。主橋的加勁梁采用鋼筋混凝土邊主梁形式，梁高1m，梁段中間澆注橫隔梁，引橋為鋼筋混凝土連續梁。橋塔為鋼筋混凝土門式塔架，塔高27m，塔柱直徑為1.5m.主橋的加勁梁及橫梁采用50號混凝土。主纜索采用ф7，吊桿采用ф5鍍鋅高強鋼絲，冷鑄錨具。基礎采用ф1.6m鉆孔灌注樁基礎。主纜跨過橋塔索鞍，不散開，兩端錨固在主梁上，在端部主索套筒內設減震器。梁上吊桿間距為3m.主橋施工主要工序為：鉆孔樁基礎；澆筑橋墩橋塔；搭設臨時支架，支架上澆筑加勁梁；加勁梁達到強度后掛主纜，上索夾，張拉吊桿。

金石灘懸殊索橋采用了新的結構形式，總造價只有498萬元，不但取得了良好的經濟效益，而且其獨特的設計為美麗的海濱城市大連又增添了一處亮麗的風景，同時也為該類橋型的建造提供了寶貴的經驗。

2、浙江省平湖市海鹽塘橋

海鹽塘橋位于浙江省平湖市東湖風景區，上部結構構為自錨式鋼筋混凝土懸索橋，主跨跨徑組合為（30+70+30）m，全橋長164m；橋面全寬40.0.m；橋梁縱坡為K2.20%.

平湖海鹽塘自錨式懸索橋充分利用自錨式懸索橋的受力特性，借鑒了同類橋梁的一些優點，并經過改進。其主要有以下幾個特點：主纜錨于梁端，不需要建造昂貴的錨碇；主梁采用了鋼筋混凝土箱梁，利用主纜的水平分力，為主梁施加免費預應力，主梁內不再配置預應力鋼束；塔頂不設置鞍座，主纜直接錨固在塔頂上。這種橋型結構新穎，造型美觀，結構輕巧，構件受力合理，用材經濟，造價比同等跨徑的預應力混凝土連續梁橋、部分斜拉橋都要低，是一種在中小跨徑內非常具有競爭力的橋型。

五、自錨式懸索橋的受力分析

1、受力原理

自錨式懸索橋的上部結構包括：主梁、主纜、吊桿、主塔四部分。傳力路徑為：橋面重量、車輛荷載等豎向荷載通過吊桿傳至主纜承受，主纜承受拉力，而

主纜錨固在梁端，將水平力傳遞給主梁。由于懸索橋水平力的大小與主纜的矢跨比有關，所以可以通過矢跨比的調整來調節主梁內水平力的大小，一般來講，

跨度較大時，可以適當增加其矢跨比，以減小主梁內的壓力，跨度較小時，可以適當減小其矢跨比，使混凝土主梁內的預壓力適當提高。由于主纜在塔頂錨固，為了盡量減少主塔承受的水平力，必須保證邊跨主纜內的水平力與中跨主纜產生的水平力基本相等，這可以通過合理的跨徑比來調節，也可以通過改變主纜的線形來調節。

另外，自錨式懸索橋中的恒載由主纜來承受，而活載還需要由主梁來承受，所以主梁必須有一定的抗彎剛度，主梁的形式以采用具有一定抗彎剛度的箱形斷面較為合適。

2、結構特點

采用自錨式結構體系，和地錨式相比可以不考慮地質條件的影響，而且由于免去了巨大的錨錠，降低了工程造價。采用自錨，將主纜錨固于加勁梁之上，相比同等跨徑的其他橋型，更有其特有的曲線線形，外觀優雅，而且現代橋梁除了滿足自身的結構要求外，也越來越注重景觀設計，其發展前途很大。

自錨式懸索橋采用混凝土加勁梁，雖然增加了體系的自重，但也增加了體系的剛度，在一定的跨度允許范圍內，使橋梁的安全性指標、適用性指標、經濟性指標、美觀性指標得到了完美的統一。對結構受力而言，由于采用了自錨體系，將索錨固于主梁上，利用主梁來抵抗水平軸力，對于混凝土這種抗壓性能好的材料來說無疑是相當于提供了。免費的。預應力。因此采用的是普通鋼筋混凝土結構，節省了大量的預應力器具，而且又由于混凝土材料相對于鋼材料的經濟性，工程造價大大減少。但是由于混凝土的抗拉、彎的性能較差，所以對其進行受力分析時應綜合考慮這個特點。

由于自錨式懸索橋的主纜拉力是傳遞給橋梁本身，而不是錨錠體，主纜拉力的水平分力在橋梁的上部結構中產生壓力，如果兩端不受約束的話，其垂直分力將使橋梁的兩端產生上拔力。例如金石灘懸索橋橋采用了兩種辦法來抵抗這種上拔力：一是在錨塊處設置拉壓支座；二是在主橋和引橋的交接處設置牛腿，從而將引橋的重量壓在主梁上。

由于主梁采用混凝土材料，設計和計算時必須計入混凝土的收縮）徐變等因素的影響，這就使得混凝土自錨式懸索橋的設計較鋼橋更為復雜。

六、施工工藝

1、主塔施工

懸索橋一般主塔較高，塔身大多采用翻模法分段澆筑，在主塔連結板的部位要注意預留鋼筋及模板支撐預埋件。對于索鞍孔道頂部的混凝土要在主纜架設完成后澆筑，以方便索鞍及纜索的施工。主塔的施工控制主要是垂直度監控，每段混凝土施工完畢后，在第二天早晨8：00至9：00間溫度相對穩定時，利用全站儀對塔身垂直度進行監控，以便調整塔身混凝土施工，應避免在溫度變化劇烈時段進行測試，同時隨時觀測混凝土質量，及時對混凝土配比進行調整。

2、鞍部施工

檢查鋼板頂面標高，符合設計要求后清理表面和四周的銷孔，吊裝就位，對齊銷孔使底座與鋼板銷接。在底座表面進行涂油處理，安裝索鞍主體。索鞍由索座、底板、索蓋部分組成，索鞍整體吊裝和就位困難；可用吊車或卷揚設備分塊吊運組裝。索鞍安裝誤差控制在橫向軸線誤差最大值3mm標高誤差最大值3mm.吊裝入座后，穿入銷釘定位，要求鞍體底面與底座密貼，四周縫隙用黃油填實。

3、主梁澆筑

主梁混凝土的澆筑同普通橋一樣，首先梁體標高的控制必須準確，要通過精確的計算預留支架的沉降變形；其次，梁體預埋件的預埋要求有較高的精度，特別是拉桿的預留孔道要有準確的位置及良好的垂直度，以保證在正常的張拉過程中拉桿始終位于孔道的正中心。

主梁澆筑順序應從兩端對稱向中間施工，防止偏載產生的支架偏移，施工時以水準儀觀測支架沉降值，并詳細記錄。待成型后立即復測梁體線型，將實際線型與設計線型進行比較，及時反饋信息，以調整下一步施工。

4、索部施工

（1）主纜架設

根據結構特點，主纜架設可以采取在便橋或已澆筑橋面外側直接展開，用卷揚機配合長臂汽車吊從主梁的側面起吊安裝就位。

纜索的支撐：為避免形成絞，將成圈索放在可以旋轉的支架上。在橋面每4-5m，設置索托輥（或敷設草包等柔性材料。），以保證索縱向移動時不會與橋面直接摩擦造成索護套損壞。因錨端重量較大，在牽引過程中采用小車承載索錨端。

纜索的牽引：牽引采用卷揚機，為避免牽鋼絲繩過長，索的縱向移動可分段進行，索的移動分三段，分別在二橋塔和索終點共設三臺卷揚機。

纜索的起吊：在塔的兩側設置導向滑車，卷揚機固定在引橋橋面上主橋索塔附近，卷揚機配合放索器將索在橋面上展開。主要用吊車起吊，提升時避免索與橋塔側面相摩擦。當索提升到塔尖時將索吊入索鞍。在主索安裝時，在橋側配置了3臺吊機，即錨固區提升吊機、主索塔頂就位吊機和提升倒鏈。

當拉索錨固端牽引到位時，用錨固區提升吊機安裝主索錨具，并一次錨固到設計位置，吊機起重力在5t以上；主索塔頂就位吊機是在兩座塔的二側安置提升高度大于25m時起重力大于45t的汽車吊，用于將主索直接吊上塔頂索鞍就位，在吊裝過程中為避免索的損傷，索上吊點采用專用索夾保護；主索在提升到塔頂時，由于主跨的索段比較長，為確保吊機穩定，可在適當的時候用塔上提升倒鏈協助吊裝。

（2）主纜調整

在制作過程中要在纜上進行準確標記。標記點包括錨固點、索夾、索鞍及跨中位置等。安裝前按設計要求核對各項控制值，經設計單位同意后進行調整，按照調整后的控制值進行安裝，調整一般在夜間溫度比較穩定的時間進行。調整工作包括測定跨長、索鞍標高、索鞍預偏量、主索垂直度標高、索鞍位移量以及外界溫度，然后計算出各控制點標高。

主纜的調整采用75t千斤頂在錨固區張拉。先調整主跨跨中纜的垂直標高，完成索鞍處固定。調整時應參照主纜上的標記以保證索的調整范圍。主跨調整完畢后，邊跨根據設計提供的索力將主纜張拉到位。

（3）索夾安裝

為避免索夾的扭轉，索夾在主索安裝完成后進行。首先復核工廠所標示的索夾安裝位置，確認后將該處的PE護套剝除。索夾安裝采用工作籃作為工作平臺，將工作籃安裝在主纜上（或同普通懸索橋一樣搭設貓道），承載安裝人員在其上進行操作。索夾起吊采用汽吊，索夾安裝的關鍵是螺栓的堅固，要分二次進行）索夾安裝就位時用扳手預緊，然后用扭力扳手第一次堅固，吊桿索力加載完畢后用扭力扳手第二次緊固。索夾安裝順序是中跨從跨中向塔頂進行，邊跨從錨固點附近向塔頂進行。

（4）吊桿安裝及加載

吊桿在索夾安裝完成后立即安裝。小型吊桿采用人工安裝，大型吊桿采用吊車配合安裝。

由于自錨式懸索橋在荷載的作用下呈現出明顯的幾何非線性，因此吊桿的加載是一個復雜的過程。主纜相對于主梁而言剛度很小。如果吊桿一次直接錨固到位，無論是張拉設備的行程或者張拉力都很難控制而全橋吊桿同時張拉調整在經濟上是不可行的。為了解決這個問題，就必須根據主梁和主纜的剛度、自重采用計算機模擬的辦法，得出最佳加載程序。并在施工過程中，通過觀測，對張拉力加以修正。

吊索張拉自塔柱和錨頭處開始使用8臺千斤頂對稱張拉。吊索底端冷鑄錨具，其錨杯鑄有內外螺紋，內螺紋用于連接張拉時的連接桿以便千斤頂作用，外螺紋用螺母連接后將吊桿固定于錨墊板上。由于主纜在自重狀態標高較高，導致吊桿在加載之前下錨頭處于主梁梁體之內，因此在張拉時需配備臨時工作撐腳和連接桿。

第一次張拉施加1/4的設計力將每一根吊桿臨時鎖定！第二次順序與第一次相同，按設計力張拉完，然后檢測每一根吊桿的實際荷載，最后根據設計力具體對每一根吊桿進行微調。在吊索的張拉過程中，塔頂與鞍座一起發生位移！塔根承受彎矩！這樣有可能產生塔根應力超限的危險，為了不讓塔根應力超限！張拉一定程度后，根據實際觀測及計算分析！進行索鞍頂推，使塔頂回到原來無水平位移時的狀態，如此反復后！將每根吊索的張拉力調整至設計值。

施工過程的控制對于自錨式混凝土懸索橋每一道工序的施工均非常重要，尤其在索部施工過程中每一階段每一根吊索的索力都要及時準確的反饋。吊索張拉時千斤頂的油表讀數是一個直觀反映，另外利用智能信號采集處理分析儀通過對吊索的振動測出其所受的拉力，兩種方法互相檢驗，確保張拉時每一根吊索的索力與設計相吻合。

七、需要進一步研究的問題

（1）更優越的施工方法的研究。例如將中跨主纜錨固在主梁的底部，用轉體施工，從而可以在一定程度上克服施工上的困難，但在跨徑較大的情況下，如何保證轉體施工時的穩定性，還需要做進一步的研究。

（2）主纜錨固點錨下應力的分布研究。

（3）當主纜外包鋼管混凝土時，吊桿在主纜上的錨固方式研究。

（4）吊桿及主纜的合理張拉順序研究。

（5）新型材料的研究和開發。

（6）受力體系及理論的進一步完善。

八、結論及其發展

（1）通過國內工程時間證明，鋼筋混凝土自錨式懸索橋在中小跨徑上是一種既經濟又美觀的橋型，結構的剛度也相對較大，對于中小跨徑的公路橋梁和人行橋都適合建造。

（2）對于鋼筋混凝土結構的自錨式懸索橋，錨塊的設計是一個關鍵環節，它不但影響結構的整體工作性能，也是影響橋梁的經濟效益和美觀要求，應給予足夠的重視。

（3）自錨式懸索橋主纜的錨固形式是與地錨式的最大不同之處，根據受力大小和錨塊構造要求的不同，可采取直接錨固、散開錨固和環繞式錨固等方式。

（4）由于主纜非線性的影響而使吊索張拉時的施工控制變的尤為關鍵。

（5）加勁梁采用鋼材造價較貴，并且鋼結構容易在軸力作用下壓屈。而采用鋼筋混凝土材料恰好可以克服這兩個缺點。

在科學技術高速發展的今天，分析手段也越來越先進和完善，一些新型美觀的結構也因此受到設計師們的研究和重視。盡管自錨式懸索橋有著自身的缺點和局限，但在中小跨徑上是一種很有競爭力的方案，它會越來越受到人們的重視和歡迎。這種在20世紀曾被忽視很長一段時間的橋型隨著社會的進步又得到了人們的重新認識，隨著實踐經驗的逐漸積累，自錨式懸索橋的設計理論和施工方法也將趨于完善，跨越能力也會不斷提高，相信在以后會有越來越多的方案傾向于這種橋型。