悬索桥

【专家解读】悬索桥的跨越能力为何如此强？2014-11-25建筑资料商城专家一见解：因为悬索桥的主体结构做到了没有弯矩，只承受拉力。这几乎是效率最高的结构体系。简单说，拿筷子做类比。随便一用力就可以把筷子掰断，这就是筷子在受弯；但几乎很少有人能够把筷子拉断，这就是筷子在受拉。几乎所有的材料，受拉的效能都要远远高于受弯的效能。（具体的分析，可以参照这个回答：为什么对木棍，铁棒等，折断比拉断更容易）再举个例子，想想一下晾衣服。受弯的例子就是晾衣杆，木头的、竹子的、金属的，这些杆子都要有足够的直径，否则很容易就被衣服压断了；受拉的例子则是晾衣绳，很细的一根绳子，所用的材料比木杆子少得多，晾上衣服之后下垂的弧度很大，但一般情况下很难被拉断。与轴心拉压相比，受弯是一个效率极低的承载方式。一定程度上，提高结构效能就是尽量的把受弯转化为受拉或者受压。如果同时能够做到尽量减轻结构自重，那就更完美了。拱结构就是转化为受压的例子，而悬索桥则是转化为受拉的例子。a图就是最普通的梁式桥，完全依靠受弯承载。这种形式非常常见，地铁、高架、小型公路桥梁，几乎全部是这样的。右边是它的截面的应力分布，上下表面大，中间位置几乎为零。也就是说，整个截面的应力并不是平均分配的，而是存在一个“水桶效应”，尽管中间位置几乎没有应力，但是，只要上下边缘达到了极限，整个截面就离破坏不远了。上下边缘处的应力就是这个水桶最短的那块木板。既然中间截面几乎为零，那么为什么不把它们省略呢？于是，就有了b图这种开孔梁。截面中间部位应力很小的那些地方被省去，减轻了自重。拉压应力集中在上下边缘处。把这个趋势进一步扩大，也就是把原来的梁式结构进一步格构化，去掉应力小的部位，保留最基本的部位，我们就得到了c图的这种桁架结构。d图是它的大致内力分布，红色受拉，蓝色受压。它的截面分布更加合理，上弦杆件受压，下弦杆件受拉，中间没用的部位全是空的。著名的南京长江大桥就是这样的结构形式。如果把这个最优化的趋势做到极致，那就达到了e图这种的悬索结构。整个悬索承受同样大小的拉力，整个悬索的拉力由支座处的锚固平衡。其实这种结构非常好理解，把e图想象成一根晾衣绳，上面晾了11件衣服，而晾衣绳的两端，需要牢固的栓在墙上或者柱子上。很容易理解吧？f图所示的拱桥就是另一个方向的极致，与e图上下对称，f图中的拱结构只承受压力，也不承受弯矩。但与纯受拉的悬索结构相比，受压的拱结构还牵扯到稳定问题。举个例子，你用脚踩放在地上的空易拉罐，很难把它踩碎，但是很容易就把它踩变形、踩扁了。因此，拱结构的效率还是比不上悬索结构。那为什么悬索非得是这种形状呢？也很好理解，弄一根铁链，或者自行车链条，两端固定，中间自由下垂，得到的就是上面e图的这个形状。自由绳索在自重作用下自由下垂所形成的曲线，一般称为悬链线。观察一下蜘蛛网，它们就是近似的悬链线。假设承受均布荷载的悬索，最初始的形状是a图这种倒三角形。因为是对称结构，所以取它的一半进行分析。如b图所示，类似微积分的概念，近似把这一半均匀分为6份，每份荷载相同。c图是这种情况下的力多边形，而d图中的红色折线就是这一组力的索多边形。以这条红色折线为几何构形，我们得到e图所示的悬索。因为考虑的是均布荷载，所以不需要再二次迭代了，再迭代一次的结果只会是同样的这条红色折线。因此，红色折线就是均布荷载下的最优悬索，不承受弯矩，只承受拉力。注意，这个不是悬链线，而是一条抛物线，因为它承受的是均布荷载，而不是自重。关于悬链线的数学认知，说起来也很有代表性，人类对于知识的认知就是这样的渐进式的过程。亚里士多德认为抛出物体的运动轨迹是先直线，然后再下落。伽利略意识到亚里士多德错了，得出了正确的抛物线的表达式，但是，伽利略错误的认为一条悬链自然下垂，得到的也是一条抛物线。随后，容吉乌斯指出，在受水平向均布荷载的情况下，悬链的形状才是抛物线，也就是我们上面e图的情况。由于悬链的自重是沿曲线方向分布的，水平方向的荷载分量并不均布，所以自然悬链不是抛物线。虽然容吉乌斯指出了伽利略的错误，但他没能找到正确的答案。直到1691年的一次数学竞赛中，莱布尼茨、惠更斯和约翰·伯努利才各自独立得出了正确的悬链线的数学表达形式。当然，制约悬索桥跨度和安全性能的不仅仅是竖向荷载，还有侧向的抗风设计。1940年，美国塔克马海峡大桥在风中坍塌，引起了工程学界对抗风设计的重视。今天的悬索桥，技术水平已经达到了很高的程度。目前最长跨度的悬索桥是日本的明石海峡大桥，主跨1991米。其原设计为1990米，但1995年的阪神大地震震中距大桥只有4公里，导致正在建设中的两侧桥塔之间的水平距离增加了1米。从悬索的数学推导，到惊人的主跨接近2000米的大桥，这就是一条从简单理论模型到复杂实际设计的道路。数学理论和力学理论如何指导实际的工程设计，这就是一个很好的例子。而所谓工程师，就是能够优雅简洁的完成这一过程的人。专家二见解：桥梁结构形式主要有几种：1、简支梁，2，连续梁（连续刚构）3，拱桥，4，斜拉桥，5，悬索桥桥梁除了承担车辆荷载外，更重要的是要承担自身的自重。简支梁的最大跨度是50m，在跨度增长时，为了能够增强抵抗能力，需要加大梁高，而梁高的增长会增大自重，而且自重产生的效应即弯矩，是与跨径成平方关系，因此当跨度达到一定时，无论怎么提高梁高，都没法增加跨度了，因为桥梁会被自己的自重压垮。跨度继续提高，就需要采用连续梁与连续刚构形式了，这两种形式会在支座位置产生负弯矩，减小跨中的正弯矩，改善桥梁的受力。最大跨度，大概做到250m。拱桥的跨越能力很好，如专家一所述，拱结构承担很大的压力，会改善其受力性能。但是这是理想情况，即拱桥承受均布荷载的形式。这种形式荷载的来源通常是自重。所以拱桥的自重对拱桥的受力，经常是有利的，而车辆荷载是集中力，集中力会产生弯矩。弯矩太大了之后，拱圈就受不了了。同时混凝土虽然说抗压能力很好，但是受压构件有个很致命的稳定问题，跨度大了之后，稳定问题就会很突出了。混凝土拱桥，钢筋混凝土拱桥，目前最大跨度是420米，万县长江大桥。而目前正在设计的，北盘江大桥，跨度达到了445m。斜拉桥的跨度可以达到1000m左右，斜拉桥的主要受力构件是斜拉索，加劲梁，主塔。在主梁上，每隔一段就设置一个斜拉索，这相当于给加劲梁加了一个弹性支撑，把大跨度的斜拉桥分成若干个小跨度的加劲梁，这样加劲梁的受力就不会随着跨度的增长而成几何级数增长。而斜拉索的强度又很高，这样跨度就做大了。但是因为斜拉索的角度问题，所以斜拉索会给加劲梁有一个轴心压力，这个压力就会引起稳定问题，所以1楼说拉压力比弯矩要好，实际上是不准确的。悬索桥在斜拉桥的基础上有变化，悬索桥的主要受力构件是大缆，锚钉。加劲梁不再是主要受力构件了。悬索桥的大缆上垂下吊杆，也将加劲梁分成若干段，只是与斜拉桥不一样的是，吊杆与加劲梁垂直。此时，吊杆完全起一个支撑作用，对加劲梁不会产生水平分力，这就避免了加劲梁的稳定问题。车辆在加劲梁上运行，车辆荷载和加劲梁自重，通过吊杆传递到大缆上，所有荷载由大缆承担，最后传递到两头的锚锭上。加劲梁就类似与小跨度的简支梁，这时候不控制受力了。斜拉桥和悬索桥跨度很大的原因，就是用斜拉索和吊杆，将大跨度的加劲梁分割成了若干个弹性支撑的小跨度桥。使得跨度的增长不会大幅度的增加自重。同时专家一提出的：受压是不是一定比受弯更好，恐怕值得商榷悬索桥之所以要转换为拉力，是与材料有密切关系的。因为我们只能得到抗拉的高强材料，钢绞线的抗拉强度1869MPa，而一般形成梁的钢材Q345，屈服强度是345MPa，有5倍的差距。如果也有像斜拉索的高强板材，其他桥型的跨度也能做大。拱桥也是利用类似的原理，混凝土材料与圬工材料抗压性能很好，所以我们转化为压力。我们转化为什么力，是根据材料性能选择的，而不是因为拉压比弯曲好。举一个例子，如果一个能够有非常高强度的中长柱，一个受纯弯，一个受轴压，谁更容易破坏呢？再取到极限状态，如果强度无穷高，又是什么情况呢？恐怕轴压的稳定问题会更突出吧。另外专家一举的筷子容易弯断不容易拉断的例子，来说明抗弯比较困难。实际上，不容易拉断的生活经验，是因为无法提供足够的拉力。要想施加足够的拉力，必须要保证手和筷子有足够的摩擦力，这是很难做到的。如果用拉力机加载，是可以加到筷子纤维的抗拉强度。无论是受拉还是受压，还是受弯，最后都是反映到应变或者应力上，其本质是剪切应变能达到极限状态。只是因为我们的加载或者试验方式，实施起来可能有的更容易，有的不那么容易而已全球最长悬索桥是如何建成的？2014-11-27建筑资料商城明石海峡大桥（1991m，1998年，日本）直到现在，日本明石海峡大桥依然保持着全球最长悬索桥的记录。它是如何建成的？日本明石海峡大桥是全球最长吊桥，位于日本神户和离岛之间。大桥主跨1991m，桥塔高298.3m，桥梁全长3911m。它横跨4km宽的水路，迄今为止，强烈的台风、地震、海啸都未对桥梁结构造成破坏。明石海峡大桥结构图明石海峡大桥为何能建设得如此之长？让我们从18世纪的英国谈起。全新钢材：铸铁与钢18世纪末的英国，已经在工业革命的影响下改头换面，然而在什罗普郡乡间，当地的发展却受到赛文河的阻碍。渡轮不足以应付两岸暴增的人货往来，解决的办法是建一座桥，但这并不容易办到。这条河只有30m宽，传统做法是建造一座石拱桥。这是源自罗马时代的古老方式。但对于这一类桥梁，30m的跨度几乎就是极限。石拱要加宽，桥梁的高度也得增加。因为要保证桥梁的强度，桥拱必须要达到一定弧度。这样做的代价就是：桥拱的尺寸翻一倍，所用的石材就得增加7倍。桥拱承受的重量太大，桥梁注定被压垮。怎样才能既保证质量又提升桥梁的规模？最好的办法是找到新的建材，既具有石材的强度和承重能力，质量又轻。当时，人们已在制造厨具等小玩意时用到一种颇具潜力的材料，即加热后熔化成液体状的铁。把融化的金属倒进模子，冷却后脱模即可成形铸铁。但这种铸铁并不适合造桥。因为送进火炉的焦炭含有杂质，烧出的铁因太脆而容易断裂。后来，什罗普郡一家铸造厂的工人发现当地的焦炭质量纯粹，炼出的铁强度高，用途广泛。1779年，全球第一座铸铁桥开始动工。这座桥由170块预铸铁件构成，5条半圆形的拱肋组成30m长的桥拱。由于用铁取代了石块，整座桥仅重380t，人们将这座桥命名为“铁桥”。铁桥（30m，1779年，英国）日本工程师明白，必须尽量让桥梁保持轻盈。于是他们像当年的铁桥建造者一样，使用了栅格状的预铸铸铁件。但因规模巨大，仍然用了25万t的钢材。而钢有一个很大的缺点，易生锈。每年都有台风经过明石海峡，为了维护大桥的安全，专门有机器人负责找出桥上生锈的地方，并重新为这些受损部分刷漆，桥下吊着三个龙门架，工人可以方便地展开维修，车流也不会受干扰。机器人检修结构受损铁桥证明了工程师可以用铁取代石材，打造出超过30m的桥梁，不过要横跨177m的梅奈海峡，似乎就没那么简单。这需要天分以及从前人那里获取足够的经验。19世纪，威尔士的梅奈海峡是人们前往爱尔兰时可怕的障碍。接受横越这条诡谲水道任务的工程师名叫托马斯·特尔福德，一位62岁自学成才的苏格兰人。他考虑用铸铁盖一座拱桥。但这样做，施工中肯定会用到脚手架来支撑桥拱，往来船只便会受到阻碍。规划师不接受该做法，他只好从原始的桥梁设计中寻找灵感。托马斯·特尔福德梅奈海峡大桥（177m，1827年，威尔士）绳桥自古就被当作过河的工具，任何形式的桥梁最大的关键都是锚固点。要建造真正的现代吊桥，工程师必须解决桥面下沉的问题。解决方法是用石塔吊桥，将绳索往下拉，将桥面拉平。问题是如何在两端固定铁链？将锚具固定在岩石中是一个方法。梅奈海峡大桥是现代吊桥的第一件杰作，也为未来的桥梁发展照亮了曙光。而为明石海峡大桥进行锚固，日本工程师面临的挑战更为艰巨。大桥悬索用的不是铁链，而是厚重的钢缆。与梅奈海峡不同，这里没有坚固的岩石可供固定。只能在海岸线上打造锚固点。他们挖了一个巨洞来打造桥基，灌注了23万m³的混凝土。接着又运来巨大的金属构架，这些构架必须牢牢固定住锚固桥梁的钢缆，所以必须用混凝