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懸索橋前世今生

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近代的大跨徑懸索橋是由古代的藤、竹懸索橋發(fā)展而來(lái)。據(jù)記載,最晚在唐朝中期,我國(guó)就從藤索、竹索發(fā)展到用鐵鏈建造懸索橋。至今尚保留下來(lái)的古代懸索橋有四川瀘定縣的大渡河鐵索橋(1706年,語(yǔ)文課本中紅軍飛奪瀘定橋中鐵索橋正是此橋),以及灌縣的安瀾竹索橋(1803年)等。近代大跨徑懸索橋是如何一步一步演變成今天這個(gè)樣子的呢,本文將和大家一起探討一下懸索橋的前世今生。webwxgetmsgimg▲ 瀘定縣大渡河鐵索橋webwxgetmsgimg (1)▲灌縣的安瀾竹索橋webwxgetmsgimg (2)▲現(xiàn)代大跨懸索橋懸索橋的前世——古代索橋金屬質(zhì)感分割線(xiàn)在地勢(shì)平緩的平原地區(qū),古人遇到小河小溪,通常在水中放置一些石塊或者將石板搭在石頭上便能渡河,建造了一些小跨度的木梁橋、石梁橋或者石拱橋。但是在地勢(shì)險(xiǎn)峻的山區(qū),古人要想跨越深澗河谷,如若仍采用平原地區(qū)的梁橋,那么勢(shì)必要在深澗河谷之中建造橋梁基礎(chǔ),并架設(shè)高墩,這在技術(shù)落后的古代談何容易!webwxgetmsgimg (4)▲深澗河谷如何變通途古人想到的最好的辦法,就是“無(wú)視”深澗河谷,一跨過(guò)之!古人大概是從山林間動(dòng)物借助藤蔓攀援而得到啟示,發(fā)明了以藤、竹、草等自然界材料加工成索來(lái)造橋的辦法,逐步創(chuàng)造出了三大基本橋式之一的索橋。webwxgetmsgimg (3)▲自然界中,猿猴借助藤蔓在樹(shù)之間輾轉(zhuǎn)騰挪怎么造橋?最簡(jiǎn)單的方式是在兩岸固定一根索,一頭高,一頭低,人就可借傾斜之勢(shì)滑越渡河。這就是最原始的渡河工具——溜索。生活在三江并流區(qū)域和雅魯藏布江流域的各少數(shù)民族,歷史上多使用溜索過(guò)渡。直到今天,極少數(shù)邊遠(yuǎn)地區(qū)仍在使用溜索,但材料已改用鋼絲繩或鋼絞線(xiàn)了。webwxgetmsgimg (5)▲云南怒江溜索溜索通常只能渡人,而且不方便,很危險(xiǎn)。后來(lái)出現(xiàn)了多索的形式,即一部分索平鋪在下面,上鋪木板形成較寬的橋面;一部分索高置兩側(cè),兼做扶手和護(hù)欄。這樣的索橋,既可以行人,也可過(guò)渡貨物、牲畜,這就是早期的索橋。webwxgetmsgimg (6)▲西藏墨脫藤網(wǎng)橋webwxgetmsgimg (7)▲西藏早期索橋webwxgetmsgimg (8)▲日本藤蔓橋webwxgetmsgimg (9)▲秘魯草繩橋之后,人類(lèi)開(kāi)始逐步把鐵索應(yīng)用于橋梁。據(jù)史料記載,在云南麗江玉龍縣西北的塔城鄉(xiāng),曾有一座建于唐朝的跨越金沙江的鐵索橋,后毀于唐貞元十年(公元794年)吐蕃與南詔之間的一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)。史料中沒(méi)有關(guān)于鐵橋的具體信息,今天能看到的,是1991年在遺址處設(shè)立的一塊“古鐵橋遺址”碑。webwxgetmsgimg (10)▲“古鐵橋遺址”碑至于神川鐵橋的建造者,眾說(shuō)紛紜,沒(méi)有定論;但當(dāng)代史界學(xué)者一般都認(rèn)為是吐番(公元618~842年間的古代藏族政權(quán))所建。因?yàn)楹髞?lái)藏族人在建造鐵索橋方面頗有建樹(shù),其中,唐東杰布就是一位杰出的代表。1430年(一說(shuō)1420年),他建造了跨越雅魯藏布江的曲水橋(位置在今拉薩曲水縣達(dá)嘎鄉(xiāng)達(dá)嘎村,1966年建成的曲水大橋附近),也叫甲桑(Chaksam)橋。這橋早已不存,有兩點(diǎn)值得注意:第一,這鐵索橋的鐵索與橋面是通過(guò)吊索(牦牛毛制成)連接,這被公認(rèn)為是世界首創(chuàng);第二,橋的跨度達(dá)到300步(pace),這在當(dāng)時(shí)是相當(dāng)了不起的!webwxgetmsgimg (11) ▲曲水鐵索橋立面布置示意(繪制于1878年)懸索橋的今生——現(xiàn)代懸索橋金屬質(zhì)感分割線(xiàn)據(jù)記載:鐵鏈懸索橋于1741年始于英國(guó),其跨度為21.34m,使用了61年。隨著工業(yè)革命的進(jìn)行,懸索橋的建造技術(shù)也隨著時(shí)代潮流蓬勃發(fā)展?,F(xiàn)代懸索橋早期國(guó)外現(xiàn)代懸索橋的早期大致從1801年詹姆斯·芬萊建雅各布澗懸索橋,至1883年布魯克林橋建成。期間,比較有代表性有如下幾座懸索橋。英國(guó)最具代表性的懸索橋,是由托馬斯·特爾福德建于1820~1826年的,跨徑為176m的梅奈海峽大橋。該橋是一座公路橋,采用熟鐵和石料制作;全長(zhǎng)417m,主跨176m(為當(dāng)時(shí)世界最大跨)。webwxgetmsgimg (12)▲托馬斯·特爾福德

▲梅奈海峽大橋在法國(guó),1823年,維納爾在研究報(bào)告中考慮了懸索橋的動(dòng)力作用,并取得“穩(wěn)定性隨橋的重量與跨長(zhǎng)而增加”的結(jié)論。這一年,法國(guó)開(kāi)始大量修建懸索橋,其中最具代表性的為1834年建成的弗賴(lài)堡橋,跨徑為265m。里昂的機(jī)械工塞昆和拉梅首先用優(yōu)質(zhì)鍛鐵代替鏈條,并在俄國(guó)跨豐塔卡河建成第一座法國(guó)式懸索橋。美國(guó)的羅勃林針對(duì)惠林橋被大風(fēng)所毀的事故詳加研究,對(duì)懸索橋的設(shè)計(jì)和分析作了許多重要貢獻(xiàn)。1883年在紐約建成的布魯克林橋,系早期懸索橋的典范,主跨達(dá)488m,當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為世界工程第八奇跡。

▲布魯克林橋現(xiàn)代懸索橋后期國(guó)外懸索橋后期可概括為自布魯克林橋建成至今。這期間,懸索橋的跨度、規(guī)模和建橋材技術(shù)都有很大發(fā)展。一般來(lái)說(shuō),國(guó)外懸索橋發(fā)展后期,大致可劃分為以下三類(lèi)。  1、美國(guó)懸索橋20世紀(jì)30年代是美國(guó)修建大跨度懸索橋最興旺的時(shí)期。最具代表性的是1937年建成的舊金山金門(mén)大橋,其主跨為1280m,曾保持世界最大跨徑記錄達(dá)27年之久。webwxgetmsgimg (17)webwxgetmsgimg (18)▲舊金山金門(mén)大橋此后,許多國(guó)家所修建的大跨度懸索橋基本上都有美國(guó)懸索橋的影子,在風(fēng)格上是一致的,如加拿大1968年修建的跨度為234m+688m+234m=1156m的新魁北克橋。▲加拿大新魁北克橋1940年華盛頓建成的主跨853m塔科瑪老橋,被風(fēng)速僅19m/s的風(fēng)將下承式鋼板梁的加勁梁吹斷,震驚世界。直到20世紀(jì)50年代,美國(guó)克服了懸索橋的抗風(fēng)問(wèn)題,再度致力于修建大跨度懸索橋,并加固了一些抗風(fēng)能力差的舊橋。美國(guó)懸索橋最主要的特點(diǎn)如下:(1)索塔采用鉚接或栓接的鋼塔;(2)主纜都采用空中紡線(xiàn)法制造架設(shè);(3)加勁梁是非連續(xù)的鋼桁架,適應(yīng)雙層橋面,并在索塔處設(shè)有伸縮縫;2、歐洲懸索橋1966年,英國(guó)在蘇格蘭和布里斯托爾建成跨度305m+988m+3305m=1598m的塞文橋。該橋的建成是懸索橋發(fā)展中向前的一個(gè)突破,也是英國(guó)式懸索橋的開(kāi)始?!?guó)塞文橋塞文橋采用扁平柔細(xì)、界面具有良好抗風(fēng)性能的全焊流線(xiàn)型鋼箱梁來(lái)代替美國(guó)式懸索橋的高、大桁式加勁梁。扁平流線(xiàn)型箱梁的構(gòu)思無(wú)疑是一種進(jìn)步,至今已被廣泛采用。受英國(guó)塞文橋的影響,1970年丹麥建成了第二座采用流線(xiàn)型扁平鋼箱梁的小貝爾特橋,▲丹麥小貝爾特橋1981年,英國(guó)又建成了當(dāng)時(shí)第一跨度的亨伯爾橋,此橋也是采用流線(xiàn)型扁平鋼箱梁和斜吊索,索塔也是采用混凝土。▲英國(guó)亨伯爾橋1991年開(kāi)工,1998年開(kāi)通的丹麥大貝爾特東橋,主橋跨度為535m+1624m+535m=2694m的懸索橋,其加勁梁為31m、高4m,隔板為桁架的鋼箱梁。該橋的最大特點(diǎn)是錨碇采用三角形空腹構(gòu)架式的重力錨,由于通透而顯得輕巧,具有良好的景觀(guān)效果?!湸筘悹柼貥驓W洲懸索橋的主要特點(diǎn)是:(1)索塔采用焊接鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。(2)有采用主纜與加勁梁在主跨跨中固結(jié)的形式(3)加勁梁采用連續(xù)的流線(xiàn)型扁平鋼箱梁;3、日本懸索橋日本懸索橋的發(fā)展主要是通過(guò)本州四國(guó)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的修建開(kāi)始的,本四聯(lián)絡(luò)三線(xiàn)中有22座大橋,其中最著名的當(dāng)屬1998年建成的一座超世界跨度記錄的特大跨懸索橋,受到世界矚目的明石海峽大橋,其跨度為960m+1991m+960m=3911m。▲日本明石海峽橋日本在修建上述懸索橋的時(shí)候,受美國(guó)模式的影響較多,在本四聯(lián)絡(luò)線(xiàn)中的懸索橋之所以采用桁式加勁梁,主要考慮其有公路、鐵路兩用橋,采用桁梁易于實(shí)現(xiàn)公路、鐵路分層通過(guò)。由于工業(yè)的發(fā)達(dá)和技術(shù)的發(fā)展,日本懸索橋也有自己的特點(diǎn):(1)索塔采用鋼結(jié)構(gòu),主要采用節(jié)段焊接,高強(qiáng)螺栓拼裝節(jié)段;(2)主纜的制造和架設(shè)基本上用預(yù)制索股法代替了空中紡線(xiàn)法;(3)采用連續(xù)桁梁,在塔墩處沒(méi)有伸縮縫;(4)采用正交異性板代替預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板;國(guó)內(nèi)懸索橋發(fā)展在“懸索橋的前世”一節(jié)中,我們可以看出中國(guó)在古代索橋技術(shù)方面有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),但由于歷史種種原因,在近代懸索橋的發(fā)展史上,幾乎看不到中國(guó)的影子。隨著新中國(guó)的成立,國(guó)內(nèi)懸索橋的發(fā)展開(kāi)始追隨世界腳步。20世紀(jì)90年代以后,國(guó)內(nèi)懸索橋的發(fā)展進(jìn)入了新的階段,下面將簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)幾座具有代表性的懸索橋。1995年建成的汕頭海灣大橋是國(guó)內(nèi)第一座大跨徑現(xiàn)代懸索橋,跨度為154m+452m+154m=760m,由于巖盤(pán)良好,采用預(yù)應(yīng)力混凝土加勁梁?!穷^海灣大橋1997年建成主跨1377m的香港青馬大橋,建成時(shí)是世界上最大跨徑的公鐵兩用懸索橋,加勁梁為鋼桁架梁結(jié)構(gòu)并用不銹鋼板外包了風(fēng)嘴,設(shè)有中央通風(fēng)孔,有效提高了橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性。▲香港青馬大橋1999年建成主跨1385m的江陰長(zhǎng)江公路大橋,這是我國(guó)又一座超千米跨徑的特大橋; 1999年底又建成了國(guó)內(nèi)首座三跨連續(xù)漂浮式鋼箱梁懸索橋——廈門(mén)海滄大橋?!庨L(zhǎng)江公路大橋2005年建成了主跨為1490m的潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋,在跨中設(shè)置了剛性中央扣連接主纜和加勁梁?!鴿?rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋2009年底建成通車(chē)的舟山西堠門(mén)大橋是我國(guó)目前已通車(chē)的跨度最大的懸索橋,主跨為1650m,地處強(qiáng)臺(tái)風(fēng)區(qū),加勁梁為分體式鋼箱梁,全寬36m,中間開(kāi)槽6m,能滿(mǎn)足抗風(fēng)穩(wěn)定性要求。(在建的楊泗港大橋?yàn)橹骺?700m、雙層鋼桁梁懸索橋)▲舟山西堠門(mén)大橋2012年建成通車(chē)的泰州長(zhǎng)江公路大橋是世界上首座千米級(jí)三塔兩跨懸索橋,跨度為(1080m+1080m),其中關(guān)鍵技術(shù)是確定合適的中塔剛度,最終通過(guò)比選選擇了有一定柔韌度的鋼塔,并將塔形縱橋向設(shè)計(jì)為人字形來(lái)提高塔的剛度,剛?cè)峤Y(jié)合,從而達(dá)到中塔的最佳剛度。▲泰州長(zhǎng)江公路大橋▲泰州長(zhǎng)江大橋的“人字形”中塔▲同濟(jì)大學(xué)做的泰州長(zhǎng)江大橋的抗震試驗(yàn)此外,國(guó)內(nèi)不少城市建造了自錨式懸索橋,造型美觀(guān),成為城市的標(biāo)志性建筑物。自錨式懸索橋不需要修建錨碇,可以適用于軟土地基,例如杭州江東大橋。但是自錨式懸索橋存在用鋼量大,施工繁瑣和造價(jià)高等缺點(diǎn)?!贾萁瓥|大橋總結(jié)金屬質(zhì)感分割線(xiàn)從國(guó)內(nèi)外懸索橋的發(fā)展過(guò)程來(lái)看,是人們不斷地與自然界作斗爭(zhēng)、不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、不斷地改進(jìn)和發(fā)展的過(guò)程。古人為了跨越深澗河谷采用藤、竹等自然材料經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的加工,發(fā)明了溜索,為了增加通過(guò)安全和通行能力,人們又發(fā)明了多索體系,并增加了橋面板;隨著冶鐵技術(shù)發(fā)展,人們逐漸用鐵鏈代替了藤、竹等自然材料建造了鐵鏈索橋;隨著基礎(chǔ)科學(xué)和建造技術(shù)的發(fā)展,懸索橋逐漸由單一的索體系發(fā)展到現(xiàn)代懸索橋的錨碇—索塔—主纜—加勁梁體系;塔科瑪老橋的風(fēng)毀事故使建橋人引進(jìn)了飛機(jī)的抗風(fēng)穩(wěn)定性理念,進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),做了大量的研究工作,十年后重建塔科瑪橋。至此,人們認(rèn)識(shí)到風(fēng)是懸索橋最大的危害者,必須提高懸索橋的抗風(fēng)能力?!岂R海峽大橋風(fēng)毀事故現(xiàn)場(chǎng)同樣在不斷探索中,主纜由鐵鏈組成發(fā)展到用優(yōu)質(zhì)鍛鐵,到鋼絲繩、鍍鋅高強(qiáng)鋼絲,現(xiàn)在已發(fā)展到直徑7mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲。懸索橋作為目前最古老而又跨越能力最大的橋式之一,正在不斷逼近自己的跨徑極限。將要建成的墨西納海峽大橋,為主跨3300m的懸索橋,建成后將超越日本明石海峽大橋成為世界最長(zhǎng)的懸索橋?!骷{海峽大橋立面及橫斷面布置那么懸索橋的極限跨徑是多少呢?據(jù)相關(guān)專(zhuān)家、學(xué)者的研究,從空氣動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看,懸索橋的極限跨徑可以達(dá)到5000m!若有朝一日實(shí)現(xiàn),那么必將成為人類(lèi)文明史上的又一大奇跡!參考文獻(xiàn):(1)《懸索橋》 孟凡超等,人民交通出版社;(2)《中國(guó)橋梁史綱》 項(xiàng)海帆 同濟(jì)大學(xué)出版社;(3)《懸索橋跨徑的空氣動(dòng)力極限》項(xiàng)海帆 葛耀君 土木工程學(xué)報(bào);(4)亞?wèn)|橋話(huà)8:懸索橋的前世今生(上) 西南交大橋梁;(5)亞?wèn)|橋話(huà)9:懸索橋的前世今生(下) 西南交大橋梁;(6)圖片均來(lái)自網(wǎng)絡(luò),部分圖片來(lái)自“視覺(jué)中國(guó)”;交流合作我們很高興與結(jié)構(gòu)同行探討,也很愿意為建筑師提供結(jié)構(gòu)方案、咨詢(xún)建議、找形分析等。如有需求,請(qǐng)聯(lián)系小i 微信號(hào),或者在公眾號(hào)首頁(yè)留言。歡迎交流討論!歡迎投稿!iStructure的初衷是分享建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的見(jiàn)聞、優(yōu)秀的設(shè)計(jì)和自己一些的思考,向更多人呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有趣的一面。

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