第二章 悬索桥构造与设计
第二章 悬索桥构造与设计
第一节 总体设计
[A5-2.1]悬索桥总体设计主要包括桥跨布置、结构体系确定、抗风设计和景观设计等设计内容。
[A5-2.2]悬索桥的桥跨布置主要受桥位处地形、地貌和工程地质与水文条件制约。首先应根据功能要求确定主跨跨径，即桥塔的位置；其次是根据两岸地形和工程地质条件选择锚碇位置，基本确定桥跨布置；最后再视结构受力合理性和经济性确定边中跨比、垂跨比、宽跨比、加劲梁的高宽比与高跨比等重要参数。
[A5-2.3]边中跨比是指边跨跨径与主跨跨径的比值，一般取值在1/3.5～1/2。对于单跨悬索桥，边跨跨径可视为桥塔至锚碇散索鞍处的距离，一般为1/5～1/3。世界上已建成的悬索桥实例中，边主跨比一般为1/4～1/2。
[A5-2.4]从总体受力角度来讲，要求边跨与主跨的缆索水平分力在塔顶处互相平衡，即保证边跨与主跨的缆索在塔顶两侧的夹角尽量相近，但实际设计时往往受锚碇位置及锚固点髙程等客观条件限制。当边中跨比较小时，悬索桥刚度增加，主跨竖向挠度减小，边跨缆索拉力加大，因而缆索截面尺寸增加，缆索用钢量增大。对大多数大跨径悬索桥特别是单跨悬索桥，多采用适当减小缆索跨径、加大缆索截面尺寸的方式来提高结构刚度。
[A5-2.5]悬索桥的垂跨比是指缆索在主跨内的垂度与主跨跨径的比值，一般为1/12～1/9，自锚式悬索桥可增大一些，可达1/5。垂跨比的大小对缆索中的拉力有很大的影响，影响缆索的用钢量、结构整体刚度、中跨竖向和横向的挠度。垂跨比与缆索中的拉力和塔承受的压力呈反比；与塔高呈正比；垂跨比越大，悬索桥竖向挠度和横向挠度越大。
[A5-2.6]悬索桥的缆索垂跨比除了对结构整体刚度有影响以外，对结构振动特性也有一定的影响。悬索桥的竖向弯曲固有频率将随垂跨比的增加而减低；悬索桥的扭转固有频率随垂跨比的增大而增高；悬索桥扭转与竖向弯曲固有频率之比随垂跨比的增加而显著增大。
[A5-2.7]悬索桥主缆跨中与加劲梁间的最小竖向净距，应满足加劲梁安装时施工机械对净空的要求。
[A5-2.8]悬索桥的宽跨比是指桥面系的宽度（或缆索中心距）与中跨跨径的比值，一般取值在1/60～1/40。宽跨比是悬索桥横向刚度的重要指标，直接影响悬索桥的抗风性能。梁宽跨比对结构抗扭性能的影响比较明显，宽跨比越大，加劲梁的扭转角越小。经统计，国内外30余座已建成悬索桥的宽跨比，除英国亨伯尔桥为1/64外，其他均大于1/60。
[A5-2.9]加劲梁的高宽比是梁高和梁宽之比；高跨比是梁高与主跨跨径之比。由于加劲梁的受力状态是多跨弹性支承连续梁，表面上看梁髙和主跨跨径不是那么密切，但是从风动稳定性来看，还要考虑加劲梁要有足够的抗扭刚度，以抵抗涡激共振的发生。
[A5-2.10]加劲梁常有桁架式和箱梁式。20世纪80年代以前建成的悬索桥以桁架梁为主，对布置双层桥面的适应性较好，加劲梁的梁髙在6～l4m，高跨比为1/180～1/70。单层桥面的加劲梁多数采用箱梁，加劲梁高一般在2.50～4.50m，髙跨比在1/400～1/300；为了有比较好的流线型，加劲梁的高宽比一般在1/11～1/7。
[A5-2.11]实际上高宽比和高跨比是存在一定的矛盾的。在桥面宽度确定以后，梁髙小一些，断面的流线型可以好一些，有利于风动稳定，但髙度太小（即截面过于扁平）会导致加劲梁的抗扭刚度削弱，容易产生涡振和抖振，导致结构疲劳、行车舒适度降低和行车不安全。为此还应控制过小的高跨比。在设计中初选加劲梁断面方案后，对于特大桥应做风洞的节段模型试验，修改断面、测定各种参数进行抗风验算和各类风振分析。
[A5-2.12]悬索桥的结构体系主要是确定加劲梁的支承约束体系，一般三跨悬索桥的加劲梁多数是非连续的，即为三跨简支体系。三跨简支体系悬索桥在结构受力方面比较合理，但跨中挠度、梁端伸缩量和梁端转角均较大，给行车舒适度带来影响。对桥面变形量（包括梁端转角变形、伸缩量和跨中挠度）和行车舒适度要求较高的桥梁，则采用三跨连续体系悬索桥，例如厦门海沧大桥。也有因地形或线形限制而采用双跨连续体系的，例如香港青马大桥和舟山西堠门大桥。
[A5-2.13]悬索桥结构体系的确定需要综合大桥的使用功能、建设条件、工程规模和经济合理性等确定，与相应的支承约束措施和构造措施相配套，以满足刚度要求，即汽车荷载（不计冲击力）引起的加劲梁最大竖向挠度值不宜大于跨径的1/300，风荷载引起的加劲梁最大横向位移不宜大于跨径的1/150。各体系悬索桥适用性如表 5-2-1所示。
| 悬吊结构类型 | 单跨简支 | 双跨连续 | 三跨简支 | 三跨连续 |
| 优点 | 线形美观，单跨悬索桥由于边跨主缆的垂度较小，主缆长度相对较短，桥塔水平变形较小，对中跨荷载变形控制更为有利。 | 造型新颖 | 造型美观，结构受力比较合理，加劲梁可不从桥塔塔柱之间通过，桥塔塔柱可竖直布置，桥塔处梁段施工简便。 | 造型美观，结构受力比较合理，加劲梁变形小 |
| 缺点 | 美观性与三跨结构相比稍差 | 自锚或地锚式，施工工艺复杂，经济性一般，桥塔水平变形较大 | 相邻跨的梁端相对转角及伸缩量较大，加劲梁横向变位大，跨中挠度较大 | 桥塔处加劲梁弯矩较大，桥塔基础相对较大，加劲梁制造、架设误差及桥墩的不均匀沉降对加劲梁应力影响较大 |
| 适用性 | 边跨地形较高或平曲线进入边跨，适用范围较广 | 两岸地形较高，江中有洲，跨径较小 | 边跨地形平坦，水深较深，布置桥墩很高，适用范围较广 | 边跨地形平坦，水深较深，布置桥墩很高，适用范围较广 |
[A5-2.14]抗风设计是悬索桥设计中非常重要的一环，需要与结构设计同步进行。在初步设计阶段需要根据桥址处的气象参数，确定抗风设计要求，选择结构体系、加劲梁型式等，开展动力特性计算、风洞试验等工作以满足悬索桥抗风设计要求。
[A5-2.15]加劲梁的抗风稳定性是抗风设计的主要内容。抗风设计要求不高时，一般选择经济性好、易施工、扭转刚度相对较低的加劲梁截面，如肋板式开口截面。而当抗风设计要求高时，一般选择扭转刚度大的闭口截面，如闭口钢箱梁形式。为了满足更高的抗风设计需要，一般通过风洞试验对截面进行优化，在设计截面上附设一些非承重的构件，如中央稳定板等措施，进一步提高悬索桥抗风稳定性，如图5-2-1所示。
图5-2-1 设置中央稳定板气动措施示意
[A5-2.16]悬索桥是非常突出于周围环境的大型桥梁工程建筑物，景观设计显得尤为重要。悬索桥以刚劲挺拔的主塔，流畅起伏的主缆和凌空飞渡的加劲梁构成了几何线形清晰、形态生动的建筑景观，充分体现了结构简洁，建筑比例匀称、功能与形式统一的优美形态。
[A5-2.17]悬索桥的景观设计通常主要包含总体造型、桥塔建筑造型、锚碇外观、结构色彩及景观照明等。
[A5-2.18]在对桥梁进行总体景观设计时，应使桥梁总体选型与周围环境相适应，并满足工程地质和桥涵水文条件、引桥接线条件和抗风受力要求等，尽量使悬索桥各主要受力构件之间的比例均衡，总体布局对称和谐，做到结构造型的表观性与内在的受力实用性相统一，在充分利用材料和高科技创新获取总体设计经济效益的同时，达到总体形态的美观要求。可见，要设计出整体美观及结构合理的悬索桥，比例选择极为重要，设计要点如下：
（1）边跨跨径应小于主跨跨径的一半，甚至可为0.2。边跨跨径的比率越小，整体刚度越好，同时主跨更引人注目。
（2）桥下空间应呈扁平形式，所以桥面离水面越高，跨径应越长。
（3）加劲梁应选择比例合适且空气动力性能好的扁平横断面，远望显得所悬吊的桥面轻巧而纤柔。
[A5-2.19]桥塔以高耸挺拔的风姿格外引人注目，往往对全桥起着象征性和标志性作用，是悬索桥景观设计的着重点。
[A5-2.20]桥塔立面（顺桥向）基本为直立立柱形态；侧面（横桥向）通常为两根立柱，立柱之间设置横向联结，是桥塔横向的主要造型形象，通常有桁架式[图5-2-2b）]、刚架式[图5-2-2a）]和混合式[图5-2-2c）]等。横向联结部分的设计既不能繁琐多余，显得过于杂乱，又不能太过单薄，给人以不安全感。同时又要注意处理横向联结与立柱尺寸之间的比例关系，做到均衡和谐，并使桥面上方净空适宜，减少联结系对通行者造成的空间压抑感。
[A5-2.21]桥塔立柱横截面形式，除矩形截面外还可选用工字形、丁字形、十字形、凹形、凸形等形式。不同截面形式的采用，在外形上通过线条和光线效果的变化，丰富了主塔的景观形象，给人视觉印象深刻。
a）矮寨特大悬索桥
b）日本明石海峡大桥
c）美国金门大桥
图5-2-2 国内外悬索桥示例
[A5-2.22]根据受力要求，锚碇通常成较庞大的混凝土构造物，若不进行景观设计，通常会影响悬索桥的整体美学形象，在设计中要结合地形地貌进行结构美化修饰。若地质条件适合隧道式锚设计，则锚体隐于岩层，融于周围环境之中；若地质条件适合重力式锚设计，而地形地貌无遮挡时，锚碇大部分突兀可见[图5-2-3a）]，应注重锚体的外形处理，适当增设线条或空透措施[图5-2-3b）]，提高视觉观赏效果。
a）
b）
图5-2-3 悬索桥锚碇设计示例
[A5-2.23]结构色彩应与自然环境相协调，表现地域性、文化性、主题性与亲切感，体现桥梁建筑的风格，增强桥梁的标志和象征作用，创造更美的新景观。
[A5-2.24]对夜间景观照明效果的设计（图5-2-4），应结合周边环境突出结构物的主题，表现悬索桥夜间特有的视觉效果，让公众从不同的时空角度欣赏大桥的美学艺术。
b）
图5-2-4 武汉杨泗港长江大桥夜景照明设计
[A5-2.25]桥梁使用性能退化结构耐久性降低、服务寿命缩短等问题，将严重影响其正常服务功能的发挥，并且给养护、维修等后期运营管理工作带来难以承受的巨大经济负担和社会负面影响，也使桥梁的建设管理面临着极大风险。人们开始反省以往在桥梁建设和管理方面存在问题的同时，也深刻认识到桥梁结构防护设计的重要性。悬索桥结构寿命期内存在的问题主要表现为以下几方面。
（1）混凝土结构：悬索桥中混凝土结构材料主要为普通钢筋混凝土，有局部构件为预应力混凝土。钢筋混凝土及预应力混凝土的腐蚀对悬索桥混凝土结构的破坏和影响最为突出，特别是跨海悬索桥梁。
（2）缆索结构：悬索桥采用缆索承重体系，主缆、吊索等主要承重构件一般直接暴露在大气中，且处于高应力状态，缆索承重体系防护的好坏直接关系到桥梁的使用寿命和性能。主缆、吊索构件均为钢结构构件，对外界侵害比较敏感，若防护不到位，将出现锈蚀或因为耐久性不足而更换防护结构，将造成巨大的经济损失。
（3）钢结构：悬索桥中包含大量的钢结构构件，主要有：钢加劲梁、钢桥面系、钢桥塔、索鞍、索夹，以及其他钢制桥梁附属设施，如支座伸缩缝、检查车以及各处的爬梯、通道、平台等。决定悬索桥钢结构耐久性的物理因素为疲劳和腐蚀；在大多数情况下钢结构的腐蚀是影响耐久性、引起结构功能退化的主要原因。所以，防腐设计是确保桥梁钢结构耐久性的关键。
（1）混凝土结构
[A5-2.26]混凝土结构防护设计主要采取以下措施：
①提高混凝土保护层厚度；
②采用高性能混凝土，具有耐久性；
③完好的混凝土涂层或封闭层具有阻绝腐蚀介质与混凝土接触的特点，从而延长混凝土和钢筋混凝土的寿命；
④改善钢筋材质和钢筋涂层；
⑤混凝土中掺加钢筋防腐抑制剂（阻锈剂）；
⑥混凝土结构使用阴极保护（防护）系统。
（2）钢结构
[A5-2.27]悬索桥钢结构防护设计主要采取以下措施：
①油漆涂装；
②在钢结构表面热喷涂金属锌、铝或它们的合金，再涂覆高性能的氟碳树脂类面涂层，形成高效能防护体系；
③在钢结构中采用耐候钢；
④改善钢结构构件的使用环境。
[A5-2.28]由于各种防护方法都有其应用条件以及优缺点，因此，无论是对混凝土结构的防护还是对钢结构的防护，单独采用某一种防护方法，往往很难达到理想的防护效果。完善的悬索桥结构防护设计，应是上述两种、三种乃至多种方法的优化组合。