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悬索桥的设计奥妙

科普中国
阅读 29 | 0 | 2020-07-28 |

  悬索桥是历史最古老的桥型之一,据文献记载,早在公元前50年(汉代),我国四川就出现了跨长百米的铁索桥。

  

  悬索桥结构分明,一般由上下两部分组成。上部结构包括钢缆、塔、加劲梁及吊杆,下部结构包括支承塔的桥墩、锚固钢缆的锚碇及锚台。我们通常看到的悬索桥的基本特征是:加劲梁悬吊在钢缆上,钢缆两端用锚碇固定。锚碇用大体积混凝土做成,有地锚和自锚两种。其中,地锚可以放置在不同的空间里,有的直接安置在地面,有的深深埋藏在地下,有的固结于沉井的基础之内,还有的利用桥头地形锚固定在山崖岩层之中,因地制宜。自锚通常是将钢缆锚固定在加劲桥表面。悬索桥通常还会建造两个高塔,目的是为钢缆提供中间支承,使塔、墩固结,融为一体。

  悬索桥分为柔性悬索桥和刚性悬索桥。柔性悬索桥一般不设加劲梁,刚度较小,在车辆或风荷载作用下,桥面会产生变形,安全系数较低,因此一般用作临时性桥梁。刚性悬索桥的桥面会用加劲梁加强,桥面安置在加劲梁上,共同悬挂在吊杆上,桥面强度和刚度比较大,从而减弱了路面摇摆和颠簸的可能。

  悬索桥的承重主要通过钢缆及其支承锚固系统传递给大地,因此跨越能力大,并且和其他桥型相比,跨度越大,悬索桥的优势越明显:

  第一,材料用量和截面设计方面。其他各种桥型的主要承重构件的截面积,总是随着跨度的增加而增加,材料用量也随之增加。但悬索桥因具备特殊的承重方式,在悬索桥中占相当大比例的加劲梁不是主要承重构件,其截面面积不需要随着跨度而增加,因此大大节省了材料用量。

  

  第二,构件设计方面。悬索桥的大缆、锚碇和塔这三项主要承重构件在扩充其截面积或承载能力方面所遇到的困难较小,不像其他桥型,在许多构件截面积的增大上容易受到各种客观条件的制约。

  第三,承重构件的受力方式方面。悬索桥上作为主要承重构件的大缆主要受到拉力,这种受力形式非常合理,从而大缆截面设计比较容易,因此悬索桥的跨越能力是目前所有桥型中最大的。跨度超过1200米的桥型,无一例外都是悬索桥。

  第四,施工方面。悬索桥的施工总是先将大缆架好,这样大缆就成为一个现成的悬吊式支架。在架梁过程中,加劲梁段可以挂在大缆之下,在采取一定防风措施后,同其他桥型所用的悬臂施工方法相比,大大降低了风险。

  我们看到跨度极大的悬索桥,通常会跨越江河或海峡主航道,这样可以避免修建深水桥墩,满足通航需求。由于跨度大,相对来说悬索桥的构件就会显得特别纤细,外形美观,因而大跨度的悬索桥所在地经常会成为重要的观光景点。

  本文由北京市第六十五中学一级教师胡晓艳进行科学性把关。

  本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创,转载时务请注明出处。

  作者: 程方洁


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