淺談懸索橋的穩定性

段鴻川，朱 凱，張楚涵，蔣萬睿

西南交通大學峨眉校區，四川 峨眉山 614202

懸索橋，又名吊橋（suspension bridge）指的是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸(或橋兩端)的纜索(或鋼鏈)作為上部結構主要承重構件的橋梁。懸索橋由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面系等部分組成。懸索橋的主要承重構件是懸索，它主要承受拉力，一般用抗拉強度高的鋼材（鋼絲、鋼絞線、鋼纜等）制作。由于懸索橋可以充分利用材料的強度，并具有用料省、自重輕的特點，因此懸索橋在各種體系橋梁中的跨越能力最大，跨徑可以達到1000m以上。懸索橋的主要缺點是剛度小，在荷載作用下容易產生較大的撓度和振動，需注意采取相應的措施。其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線。從纜索垂下許多吊桿，把橋面吊住，在橋面和吊桿之間常設置加勁梁，同纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形。相對于其它橋梁結構懸索橋可以使用比較少的物質來跨越比較長的距離。懸索橋可以造得比較高，容許船在下面通過，在造橋時沒有必要在橋中心建立暫時的橋墩，因此懸索橋可以在比較深的或比較急的水流上建造。懸索橋比較靈活，因此它適合大風和地震區的需要，比較穩定的橋在這些地區必須更加堅固和沉重。

按照橋面系的剛度大小，懸索橋可分為柔性懸索橋和剛性懸索橋。柔性懸索橋的橋面系一般不設加勁梁，因而剛度較小，在車輛荷載作用下，橋面將隨懸索形狀的改變而產生S形的變形，對行車不利,但它的構造簡單，一般用作臨時性橋梁。剛性懸索橋的橋面用加勁梁加強，剛度較大。加勁梁能同橋梁整體結構承受豎向荷載。除以上形式外，為增強懸索橋剛度，還可采用雙鏈式懸索橋和斜吊桿式懸索橋等形式，但構造較復雜。

橋梁結構的失穩現象可以分為以下幾類：1）個別構件的失穩，例如壓桿的失穩和梁的側傾；2）部分結構或整個結構的失穩；3)構件的局部失穩，而局部失穩常常會導致整個結構體系的失穩。

風荷載作用下：懸索橋的加勁梁視為一個機翼，可用航空學和空氣動力學的有關研究和理論分析。懸索橋的結構風振有有限振動和發散振動。有限振動包括渦激振和顫振。渦激振，是在風速比較小的有限度的風速范圍內由卡曼渦流引起的振動；而顫振是由風的亂流引起的一種不規則振動，它的振幅隨風速增大而增大，這時結構斷面發生彎曲與扭轉耦合，可能產生災害性的振幅。發散振動是風速超過某一數值后，振幅急劇增大的一種破壞振動。它包括有：豎向彎曲振動，扭轉振動和彎扭聯合振動3種形式。

對大跨懸索橋的非線性靜風穩定性研究考慮了以下3種效應的影響：1）非線性位移相關風載；2）幾何非線性；3）材料非線性。風靜動力系數為有效攻角的函數，而有效攻角隨主梁變形而變化，所以位移相關風載是非線性的；通過采用幾何剛度矩陣可以考慮側向彎扭屈曲、扭轉發散及彎扭耦合失穩；采用塑性鉸理論進行材料非線性分析。使用有限元法建立風致靜力失穩的分析模型，建模過程中同時考慮了非線性位移相關風載、幾何非線性及材料非線性。大跨度懸索橋的結構剛度主要來自于主纜，因此提高結構整體剛度的著眼點應放在主纜上。通過調整主纜同加勁梁的相對位置和增加特定的水平和橫向的輔助索可以達到提高結構抗扭剛度和扭轉振動頻率的目的。

各種模型的比較結果為：

1）節段模型試驗在臨界風速時，呈現出豎向與扭轉綜合振動的失穩；

2）在均勻氣流中，全橋模型試驗僅在略高節段模型中的臨界風速時，出現發散性的失穩；

3）紊流中的全橋模型試驗，觀察到不規則的豎向振動，其振幅隨紊流的增大而加大，但并無失穩或扭振。

綜上所訴懸索橋的堅固性不強，在大風情況下交通必須暫時被中斷。

活荷載（這主要指車輛荷載）：在橋梁上的活載較多，這里只考慮車輛行駛時對懸索橋的作用。懸索橋在車輛荷載作用下，主要為撓曲線振動。車輛荷載高速通過橋梁時，其作用的位置和荷載的大小隨時間不停地發生變化，進而引起橋梁結構的振動。在做了各種原型與模型的相似模型試驗后，可知加勁梁在車輛的作用下會產生拉力，需用鉸支座將其固定；懸索橋的主塔較高，塔身大多采用翻模法分段澆筑，在主塔連結板的部位要注意預留鋼筋及模板支撐預埋件。對于索鞍孔道頂部的混凝土要在主纜架設完成后澆筑，以方便索鞍及纜索的施工。

利用大跨度懸索橋的撓度理論，建立了自錨式懸索橋加勁梁在恒載、恒載與活載及活載下的變形與荷載的平衡方程。對所建立的方程進行分析后,得到了如下結論：自錨式懸索橋加勁梁在恒載狀態設計時，應按受橫向荷載作用的壓彎梁驗算面內穩定性，但是活載作用下不存在面內穩定問題。

通過對潤揚單跨雙鉸簡支梁箱梁懸索橋模型的抽樣及試驗，得出車輛對箱梁的受力特點如下：

1）由測試截面應力值及其沿梁寬分布圖可知，從整體上看，鋼箱梁各部位在各種不利車輛荷載工況下的應力水平都比較低，遠低于材料的屈服應力；

2）受剪力滯效應和橋面橫坡的影響，箱梁兩側和中央處的應力（絕對值）較梁寬四分點處的應力要略大一些，因此在車輛作用下的受力狀態更為不利；

3）對于大跨度纜索承重梁橋而言，車輛荷載的集中程度是導致頂板應力增大的重要因素之一。因此必須對通過大橋的掛車、超重車等進行限制與評估；

4）有車輛荷載作用位置的不同導致鋼箱梁各部位均出現不容程度的拉壓應力交替現象，因此對于鋼箱梁這種焊接結構而言，其疲勞破壞值也值得引起重視。

[1]楊詠昕，葛耀君，項海帆.改善大跨度懸索橋抗風穩定性能的實踐和探索.

[2]單富文，李云飛，陳潔余，朱祖楞著.懸索曲線理論及其運用.長沙：湖南科學技術出版社，1983.

[3]陳仁富.豎向荷載作用下的懸索橋非線性力素分析.成都：西南交通大學碩士學位論文，1987.

[4]王浩，李愛群，郭彤，趙耕文.車載作用下大跨度懸索橋鋼箱梁受力狀態的實驗研究.