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大跨度悬索桥的发展历史与研究
大跨度悬索桥的发展历史与研究
1.引言
随着世界经济建设的发展，交通运输在国民经济中的地位和作用日益重要。洲际之间、海峡两岸和陆岛之间迫切需要修建大跨度，特大跨度或超长跨度桥梁[1]。我国渤海海峡跨海工程、长江口越江工程、珠江口伶仃洋工程以及琼州海峡工程，为了避免深水基础施工的困难和高昂的造价，满足超级巨第一文库网轮通航要求，需要修建1000m以上甚至2000m以上的超大跨度桥梁[2]。作为后本四联络线的架桥设计，日本计划在东京湾、纪淡海峡、伊势湾等地进行横跨海峡的设计，其规模是超越Akashi-kaikyoBridge的超大跨度桥梁。欧洲和非洲之间隔着地中海，其西部最窄处为直布罗陀海峡，从西班牙到摩洛哥，修建一座大桥，把两大陆连接起来是很有必要的[3]。悬索桥是目前跨度超过1000m时最优可选桥型之一，从学术研究来说，大跨度悬索桥的研究是当前桥梁学科中最重要与最活跃的领域之一。
2.悬索桥结构特性及发展阶段
悬索桥是以悬索为主要承重结构的桥梁类型，主要由大缆、桥塔、锚碇、加劲梁和吊索组成。构造简单，受力明确。由于其主要构件大缆承受拉力，材料利用效率最高。因此悬索桥是目前跨度超过1000m时最优可选桥型之一，并且认为在600m以上的跨度同其它桥型相比也具有很强竞争力。悬索桥的发展具有几个重要里程碑：(1)弹性理论的建立与BrooklynBridge的建成。(2)挠度理论的建立，GeorgeWashingtonBridge的建成以及人们对大跨悬索桥重力刚度的认识。(3)TacomaNarrowsBridge风毁事件，桥梁风工程学科的建立。
(4)SevernBridge的建成，流线型扁平钢箱梁和正交异性钢桥面板的广泛应用。(5)有限元技术的发展，大跨度悬索桥有限位移理论的建立。
2.1悬索桥弹性理论
1883年跨越纽约东河的BrooklynBridge建成通车，设计者是天才的桥梁设计师JohnARoebling。由于高强碳素钢丝的使用和空中送丝法(aerialspinning)大缆施工技术的确立，该桥的跨度一下提高到486m。这两项技术是现代悬索桥发展的基础，所以BrooklynBridge被大家公认为世界上第一座现代悬索桥。1903年建成的WilliamsburgBridge，分跨284m+488m+284m，规模与BrooklynBridge相当，当时的计算理论为弹性理论。
2.2悬索桥挠度理论
1888年，奥地利的Melan教授提出了适用拱桥和悬索桥一类结构的挠度理论，并于1906年做了进一步的改进。以后由Steinman和Timoshenko等对挠度理论予以发展，立即促进了悬索桥的长大化，使得悬索桥的跨度一下子突破了1000m大关。纽约GeorgeWashingtonBridge作为世界上第一座真正意义上的大跨悬索桥，分跨186m+1067m+198m。该桥的设计者第一次认识到了大跨悬索桥重力刚度概念，并用这一概念来订正“挠度理论”的分析结果。
2.3TacomaNarrowsBridge风毁事件与桥梁风工程学科的建立
1940年7月1日，由L．Moissief设计的位于美国华盛顿州主跨853m的TacomaNarrowsBridge建成通车，为了达到节省目的，设计者采用高度很小的板梁作为加劲梁，该桥的跨度与梁高之比为350，而在这以前对于这样的跨度规模，其跨高比为70。1940年11月7日，在19m／s的八级大风作用下发生强烈的风致振动，导致全桥倒塌。这一事
故震惊了桥梁工程界。在调查这一事故的过程中，人们发现，自1818年起，至少已有11座桥梁毁于风害。然而遗憾的是在长达150年的时间里，工程师只是认识到了风的静力作用。TacomaNarrowsBridge的风毁开始了土木工程界考虑桥梁风致振动的新时期，并形成了一门新的边缘学科一风工程学。
2.4SevernBridge与流线型扁平钢箱梁和正交异性钢桥面板
20世纪50年代，英国为指导SevernBridge和FonhRoadBridge的抗风设计，由Scruton等进行了系列的风洞试验。他们试验了带悬臂的六角形扁平钢箱梁，结果大获成功。这就使得SevernBridge在抗风设计方法上与过去迥然不同，该桥具有以下的优点：扁平钢箱梁接近流线型断面，其绕流状况较其他钝形截面有较大的改善，而且在静态方面因其对风的阻力系数很小，梁高较低，导致其静风荷载显著减小；梁的抗扭刚度大，使得全桥扭转基频提高，对提高颤振临界风速非常有利；采用了正交异性板技术，一方面作为钢箱梁的顶板，同时又作为桥面系。
2.5有限元技术与悬索桥有限位移理论
计算机和有限元理论的飞速发展，为大跨悬索桥的理论分析提供了强有力的工具。有限位移理论逐步发展完善，摒弃了挠度理论的过多的假定条件，使计算模型更加接近真实结构，计算结果更加真实地反应实际情况。
3.大跨度悬索桥研究前沿
3.1大跨度悬索桥抗震研究
我国是世界上的多地震国家之一，随经济建设和城市化进程的进展，城市抗震防灾日趋重要[4]。大跨度悬索桥投资大，且作为交通工程的枢纽，其抗震设计与研究则是重中之重。对于大跨度悬索桥,其抗震研究的前沿问题主要有：
（1）多点激励：大跨度桥梁的各支撑点可能位于显著不同的场地上,导致各支撑处输入地震波的不同,因此,在地震反应分析中就要考虑多支撑不同激励。
（2）行波效应：由于地震波速是有限值,当支座间距离很大时,必须考虑其到达各支座的时间不同。
（3）合理的地震动输入：同一桥梁对不同地震动输入有不同的地震反应，桥梁设计中究竟取怎样的地震动输入将起决定作用，合理的地震动输入至少应是桥址区的可能地震动，所以地震动记录以及地区地震危险性分析研究变得相当重要。
（4）地基-土相互作用：地基与土的相互作用主要体现在两个方面，即地基运动的改变和结构动力特性的改变。为得到较为符合实际情况的桥梁基频和桥梁控制截面的内力就必须考虑地基与土的相互作用。
（5）桥梁结构的各种减隔震，地震动控制的研究，目前国内外这一领域的研究非常活跃，各种减隔震装置的应用效果，各种控制算法均得到了广泛的关注。
（6）强地震作用下结构的物理和几何非线性分析研究。
3.2大跨度悬索桥抗风研究
1940年秋，美国华盛顿州建成才4个月的塔科马(Tacoma)悬索桥在不到20m／s的8级大风作用下发生强烈的风致振动--反对称扭转振动，而导致桥面折断和桥梁坍塌，这才开始了以风致振动为重点的桥梁抗风研究[5]。抗风研究的前沿问题主要有：
(1)风振机理研究：颤振发散的微观机制、拉索风雨激振的机制以及能有效抑制风致振动的气动措施及其机理。
(2)风振理论的精细化：通过典型工程的案例研究加以对比和验证，对现行的抖振和涡
振分析理论进行精细化的改进，甚至建立新的理论和方法。
(3)概率性评价方法：在世界桥梁设计规范已经向基于可靠度理论方向过渡的形势下，应尽快改变中国抗风设计规范仍采用基于经验安全系数的确定性方法来进行各类风振安全检验的局面。
(4)CFD技术和数值风洞：随着计算流体动力学理论的进步，数值模拟方法将在抗风设计中发挥愈来愈大的作用，数值风洞新技术应提到议事日程。
(5)桥梁等效风荷载：目前规范中规定的风荷载计算方法仍是近似的，应当通过对实桥监测或全桥模型试验或者通过数值模拟等途径提高风载荷计算的精度和可靠性。
3.3大跨度悬索桥健康监测技术
在特大跨度桥梁运营阶段桥梁结构本身如何避免突发性损伤和积累性损伤带来的灾害性后果成为近期工程技术界所广泛研究的内容。良好的检查养护、结构应力、变形等内在状态的监控调整，不仅可使桥梁结构在其运营期内处于健康状态，而且还可降低维修成本、延长使用寿命。大跨度桥梁健康监测系统的研究涉及测试、分析和决策等多个学科。其理论核心为基于振动的损伤识别技术。理论上，这一概念可用于对桥梁结构损伤与老化的诊断，但距离实用性的系统目标尚有很大的差距。最基本的问题在于以目前的测试水准，仅能较准确测量结构的低频响应，而低频响应多为结构的整体模态，对整体响应贡献小的局部，即使在整体模态中有所反映，但由于量值过小，往往也容易淹没在噪声/误差和不确定因素引起的扰动之中，故除非出现非常精确的测试技术或结构产生严重的损伤才可能对局部损伤进行诊断。实际上不同类型、部位的结构损伤对结构各阶模态的影响程度有极大的不同。寻找特定结构形式不同损伤对其动力模态的敏感因素，并尽可能排除噪声对结果判断的影响，有可能在一定程度上推进此技术的实用化过程[6]。
推动健康监测技术在实践中真正的应用，基本实现大型桥梁健康监测，长期/定时，自动，经济，不妨碍交通的要求，尚有许多问题有待研究。然而此项技术的最终成功应用，其在结构安全/可靠，延长结构使用寿命和科学探索等方面将产生重大的技术变革。
4.结语
21世纪建设海峡工程，沟通全球交通，在20世纪初就是桥梁界的梦想。随着世界经济全球化步伐的加快，桥梁沟通全球交通的梦想在21世纪将会实现。