【摘要】懸索橋根據(jù)主纜的錨固形式的不同，可以分為自錨式懸索橋和地錨式懸索橋。本文對這兩種體系進(jìn)行的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合比較和梳理，并通過有限元建模的參數(shù)分析，進(jìn)行兩種結(jié)構(gòu)體系在不同跨徑下，力學(xué)性能的比較，以研究其力學(xué)規(guī)律與適用范圍，指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】懸索橋；地錨；自錨

1、引言

懸索橋是由主纜、加勁梁、主塔、鞍座、錨碇、吊索等構(gòu)件構(gòu)成的柔性索吊組合體系。由于懸索橋主要由主纜受拉以承受結(jié)構(gòu)自重和活載，結(jié)構(gòu)承載效率高，跨越能力強(qiáng)。因此，懸索橋在大跨徑領(lǐng)域具有絕對優(yōu)勢。懸索橋根據(jù)主纜的錨固形式的不同，可以分為地錨式懸索橋和自錨式懸索橋。在進(jìn)行橋梁方案設(shè)計(jì)時(shí)，懸索橋選取地錨體系或者自錨體系，直接決定了橋梁的結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟(jì)性能。對懸索橋地錨體系和自錨體系的力學(xué)性能進(jìn)行比較，對其適用性進(jìn)行評判，以指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)，有重要意義。

2、地錨與自錨式懸索橋

地錨式懸索橋主要應(yīng)用于大跨徑懸索橋領(lǐng)域較。在地質(zhì)條件較好的巖質(zhì)地區(qū)，中等跨徑或者小跨徑懸索橋中也較為常見。地錨式懸索橋的形式，及主纜的拉力由橋梁端部的重力式錨碇或隧道式錨碇傳給地基，因此錨固體處一般要求地基具有較大的承載力，最好是有良好的巖層作持力地基。

自錨式懸索橋的主纜拉力是直接傳遞給它的加勁梁來承受。主纜拉力的垂直分力使加勁梁底下的端支點(diǎn)反力得以減小，但水平分力則以軸向壓力的方式傳遞到加勁梁中。因此自錨式懸索橋的跨度不宜太大。否則，為了抵抗巨大的主纜水平分力，加勁梁的截面將非常龐大而很不合理與經(jīng)濟(jì)。

以德國kein-mulheim萊茵河橋?yàn)槔?929年修建的老橋?yàn)樽藻^式懸索橋，其跨度為91+315+91m，耗鋼材12800t。1951年改建為地錨式懸索橋，跨度為85+315+85m，與老橋基本相同，耗鋼僅5800t，與老橋相比大為減少。但對于鋼筋混凝土材料的加勁梁，主纜傳遞的壓力給主纜提供了免費(fèi)的預(yù)應(yīng)力，節(jié)約大量的鋼材，同時(shí)也克服了鋼在較大軸向力下容易壓屈的缺點(diǎn)。

自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了其施工只能采用先架設(shè)加勁梁，然后再架設(shè)主纜的方法。該施工方法，決定自錨式懸索橋?yàn)榧茉O(shè)主梁只能在地面搭設(shè)支架。因此，在流量較大，水流湍急的江、河地形，限制其實(shí)施的可能。

自錨式懸索橋的優(yōu)點(diǎn)，主要是由于其自平衡的特點(diǎn)，對地基不產(chǎn)生拉力。適用于兩岸地基承載力較差，特別是軟土的橋位。另外對城市鬧市區(qū)跨河橋梁可以避免影響其景觀或無法布置的龐大主纜錨錠建筑物。采用混凝土材料可克服以往自錨式懸索橋用鋼量大、建造和后期維護(hù)費(fèi)用高的缺點(diǎn)，能取得很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

自錨式懸索橋保留了傳統(tǒng)懸索橋的外形，在中小跨徑橋梁中是很有競爭力的方案。由于采用鋼筋混凝土材料造價(jià)較低，結(jié)構(gòu)合理，橋梁外形美觀，所以不僅局限于在地基很差、錨碇修建困難的地區(qū)采用。

3、力學(xué)性能比較

地錨式懸索橋的適用跨徑比自錨式懸索橋大得多，從一二百米到二千米都可以看到地錨式懸索橋的身影，而自錨式懸索橋目前做到的最大跨徑也就三百多米，然而由于地錨式懸索橋有錨碇，對場地條件有所限制，因此自錨式懸索橋在特定的條件下相對于地錨式懸索橋有一定的競爭力，另外在考慮到景觀效應(yīng)時(shí)也有一定的優(yōu)勢。

地錨式和自錨式兩種體系，雖同為纜索承重，但由于其主纜錨固形式的不同，造成了其部分構(gòu)件的尺寸和構(gòu)造的不同，從而進(jìn)一步造成兩者體系特性的差異。

自錨式懸索橋高跨比較大，在較小跨徑時(shí)梁式體系效應(yīng)較為明顯，地錨式和自錨式兩種體系的力學(xué)性能差異不大。但隨著跨徑的增大兩者呈現(xiàn)出較為明顯的差異。

由于自錨式懸索橋承受巨大的軸力，容易出現(xiàn)穩(wěn)定問題，因此其跨徑不能做得太大。目前已經(jīng)建成的自錨式懸索橋最大跨徑是350m。因此將進(jìn)行對比的兩種體系的主跨跨徑分別取為：280、350、400、450、500m。

主跨跨徑從280m變化到500m，自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。為了方便比較，地錨式懸索橋的一些參數(shù)選取與自錨式懸索橋一樣。

對不同跨徑下，自錨式懸索橋和地錨式懸索橋采用MIDAS有限元軟件進(jìn)行三維空間梁單元建模計(jì)算，以分析比較其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的不同。通過比較主梁豎向位移、主塔水平位移、主纜恒載軸力、主梁恒活載軸力和主梁彎矩，以考察自錨式懸索橋和地錨式懸索橋的受力特性。通過分析，可以看出：

①地錨式體系整體剛度較自錨式體系大，隨著跨徑的增大兩者的差異逐漸加大。當(dāng)主跨為280m時(shí)活載作用下主梁最大撓度自錨式體系比地錨體系大3.5%，塔頂水平位移大8.9%。當(dāng)主跨為500m時(shí)則主梁最大撓度自錨式體系比地錨體系主梁最大撓度大19%，塔頂水平位移大22.6%。

②自錨式懸索橋活載彎矩比地錨式大，而且隨著跨徑的增大而越來越明顯。當(dāng)主跨為280m時(shí)活載作用下的跨中彎矩自錨式體系比地錨體系大3.6%，而當(dāng)主跨為500m時(shí)大12%。

③兩種體系的主纜恒、活載內(nèi)力差別不大。

在材料用量方面，地錨式懸索橋加勁梁內(nèi)沒有軸力，這樣就可以不用考慮加勁梁的屈曲，從而可以進(jìn)一步減小截面，而加勁梁截面的減小可以減小主纜拉力，從而可以進(jìn)一步減少全橋的用鋼量。而地錨式懸索橋需要強(qiáng)大穩(wěn)定的錨碇，會增加一定的工程數(shù)量。但總的來講，在橋址基礎(chǔ)適合建造地錨式懸索橋的前提下，與同等跨徑的自錨式懸索橋相比地錨式懸索橋的材料用量較少，造價(jià)較低。

上述結(jié)論是在地錨式懸索橋取用的一些參數(shù)與自錨式一樣的情況下進(jìn)行的，其實(shí)地錨式參數(shù)尚有優(yōu)化余地，這樣會使兩者差距更大，地錨式的優(yōu)勢更為明顯。

4、總結(jié)

本文對自錨式懸索橋和地錨式懸索橋的性能進(jìn)行評判，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較和整理。對不同跨徑下自錨式懸索橋和地錨式懸索橋分別建立有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算，以比較其力學(xué)性能。經(jīng)比較，地錨式體系整體剛度較自錨式體系大，主梁活載彎矩較自錨式小。兩種體系的主纜恒、活載內(nèi)力差別不大。地錨式懸索橋主梁截面較自錨式小，用量少，但增加了地錨的費(fèi)用。在適合建造錨碇場地，地錨式懸索橋具有更大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]徐風(fēng)云，陳德榮，宋鳳立.自錨式懸索橋評述[J].公路，2005（11）.