悬索桥那些事儿

在世界桥梁业流传这样一句话：世界桥梁建设20世纪70年代以前看欧美，90年代看日本，21世纪看中国。如今中国被誉为“基建狂魔”，悬索桥更是常见的明星桥型。悬索桥又名吊桥，因其跨越能力强而闻名于世，云南山高谷深、江河纵横，自古便有建造悬索桥的历史，本文将和您从认识云南悬索桥出发，开启一段悬索桥科普之旅。

作者：赵海清

一. 云南悬索桥前世今生

霁虹桥

云南境内悬索桥建设历史，最早可追溯到公元60年前后的采用藤篾为建造材料的兰津桥，位于现大理州永平县境内，历经西汉、元朝（改建为木桥并改名“霁虹桥”）、明朝（改建为铁索桥）、清朝，经多次修葺和重建，一直沿用至1986年，毁于水灾。

昌淦桥

国际援华抗日生命线工程—滇缅公路上，有横跨澜沧江的昌淦桥，和横跨怒江的惠通桥，两座战略桥梁。其中以历时18个月建成，于1940年10月通车的昌淦桥技术上最为瞩目，该桥为中国近代较早采用钢桁加劲梁的公路悬索桥，主跨130m，主要由留美专家钱昌淦设计，后因日寇飞机轰炸致桥梁受损，经抗战军民舍生忘死，昼夜抢修后变为柔性吊桥使用至近年，因澜沧江功果桥水电站库区淹没，全桥作为文物异地复建于大理州云龙县宝丰乡。

拆除复建前的昌淦桥（柔性吊桥）

龙江大桥

现代云南悬索桥技术进步显著，如保山至腾冲高速公路主跨1196m保山龙江大桥，和华坪至丽江高速公路上在建的1386m主跨的金安金沙江大桥。

丽香铁路金沙江大桥

主跨660米在建丽江至香格里拉铁路金沙江特大桥，是中国首座大跨度铁路悬索桥。

二.细解悬索桥

悬索桥可细解为加劲梁、主缆、锚碇、桥塔及其基础、索鞍、索夹和吊索等。

现代悬索桥组成

加劲梁

悬索桥主梁通过桥面直接承受车辆和行人重量。按主梁刚度大小，分为柔性吊桥和加劲梁悬索桥。前者适用于通行速度较低、交通量小、车辆载重小的汽车吊桥或人行吊桥，通行舒适性较差；后者适用于车流量大、对通行速度、行车安全和舒适性要求较高的悬索桥。

钢桁架加劲梁















钢箱加劲梁

主缆

悬索桥主缆由成千上万根细细的高强钢丝组成，组合方式形同用皮筋给小女孩扎辫子，辫子里的一根根青丝如同高强钢丝，最后在机械帮助下汇成一根粗大钢缆。

高强钢丝束










主缆紧缆施工

锚碇

主缆成千上万吨的拉力，最终缆固于体量巨大的锚碇，锚碇如同定海神针般纹丝不动地固定住主缆。

重力式锚碇内部构造图






重力式锚碇鸟瞰图

索鞍

悬索桥主缆全桥通长设置，在桥塔顶部呈圆曲线形弯折，常采用索鞍来实现。索鞍中部设一弧形凹槽，如同人骑马用的马鞍一般将主缆固定于槽内。通常索鞍底部与桥塔顶部分离，并保持二者可以相对滑动。

索夹

索夹是主缆和吊索的连接构件，借助高强螺栓强将两个对半索夹压紧，依靠索夹与主缆之间的摩擦，紧紧夹住主缆，将桥梁的重量传递给主缆。

中央扣

为抑制大风和地震作用下加劲梁和主缆顺桥向的相对位移，提高抗风和抗震性能，在主缆中部用中央扣将加劲梁和主缆相对固定。

三.悬索桥主要施工步骤

悬索桥施工通常先施工锚碇、桥塔基础和桥塔，架设猫道和主缆，安装索夹和吊索，后架设加劲梁、铺装桥面再成桥，大致过程如下：

四.悬索桥里的小秘密

悬索桥虽属工程，同样也是数学、力学、美学的完美化身，隐藏着许多不为人熟知的细节，其发展也伴随着人们认知的进步。

悬链线趣事

悬链线是主缆在空缆状态的几何线形。主缆在两个桥塔位置和高度确定的条件下，根据不同长度，变化出不同的几何形态。悬链线方程如下：

悬索桥夜景

夏夜滨江远眺，清风徐来，悬索桥主缆优美亮丽的曲线尽收眼底，在常人眼里仅仅是一抹夜空中的亮色，专业人士那里最多联想到一个简洁、看起来并不复杂的公式，却是一道文艺复兴三杰之一的达芬奇，一生都没弄明白的难题。

这位秉持“在科学上，凡是用不上数学的地方，凡是与数学没有交融的地方，都是不可靠的”观念的大神，在创作《抱银貂的女人》时，冥思苦想女人脖子上项链的几何线形，无奈采用抛物线近似代替。直到近200年后瑞士数学家约翰•伯努利借助微积分研究出悬链线方程，颇具戏剧性的是他仅仅花一个晚上的时间。

达芬奇名画—抱银貂的女人

主缆之不同寻常大变形

悬索桥属柔性结构，其变形明显大于一般梁桥。通常桥梁负载千钧理应岿然不动，但一辆重车低速通过一座柔性吊桥，桥面波浪状的变形实属正常。

主缆线形随加劲梁的架设不断变化，加劲梁长度逐段延长，主缆承受重量逐步加大，垂度不断增加，该过程类似于人们生活中用绳子在室外晾衣服，从固定好绳子到挂满衣物，绳子的变形过程。

加劲梁架设阶段主缆线形变化示意图

选择跨度从110m至1490m的11座悬索桥，统计施工期间主缆变形，主要是跨中垂度变化情况如下表。

施工期间主缆垂度差与跨度比较表

据此悬索桥主缆施工期间跨中垂度变化范围，多分布在跨度的1/140～1/80，平均1/110左右，大小从1.18m～14.24m，较之于常规梁桥施工期间，自重作用下不易察觉的几厘米的变形，已大很多倍，最大值已超出4层楼高度，可谓大的异乎寻常。

高处活动的小不点

伴随悬索桥施工，中跨主缆拉力逐步增加，高大桥塔顶部索鞍缓慢向拉力更大的中跨移动，相比桥梁庞大的身躯，活动的索鞍如同一小不点。

为保证施工完成时，索鞍基本移至桥塔中部，以便塔身均匀受力，工程中常将索鞍向边跨方向预偏一定距离，或施工中将索鞍顶推一定距离，期望成桥时索鞍可居桥塔中部，使桥塔处于良好受力状态。

弱不禁风之往事

现如今悬索桥大量兴建，越江跨谷似如履平地，但回顾其发展历史并非一帆风顺，特别是1940年主跨853m的美国华盛顿州塔科马大桥风毁事故。

塔科马海峡大桥设计图

大桥设计者莱昂•莫西塞夫（Leon Moisseiff），一位已从事悬索桥设计工作40余年，经验丰富的资深桥梁专家，由于对风致桥梁振动认识不足，仅将风力作为静力考虑，采用抗风性能差的钢板梁形式，大桥通车仅4个多月，一场普通大风，就让大桥桥面就像一条发怒的巨蟒，在空中不停翻滚，主梁自激发散振动持续了7小时左右，最终以悬吊加劲梁的吊索疲劳断裂，大部分加劲梁坠入水中收场。

旧塔科马大桥加劲梁采用横断面图（钢板梁）

真正的转机出现在二十多年后，英国工程师创新的设计出流线形扁平钢箱梁，并经风洞试验，在1966年建成的赛文（Severn）桥中采用，才使得问题得以解决，加劲梁外形流畅纤细，悬索桥抗风设计逐渐走向成熟。

流线形扁平截面和空气脱落涡

吊装中的流线形扁平钢箱梁

结语

作为一名工程从业者，应始终牢记工程技术的重大进步，是一代代前人，在一次次的工程事故的教训中总结，和艰难曲折中探索出来的。在漫长的工程实践中，不惟经验，不惟资历，终身学习，始终保持对工程技术本真的敬畏之心，独立思考，缜密分析，不断提升自身认知，践行工程师对工程服务的职责、责任、义务，在职业生涯道路上砥砺前行！

注：文中图片部分来自互联网

编辑制作：云南省城乡规划设计研究院 信息网络图文中心