浅谈悬索桥的稳定性

段鸿川，朱 凯，张楚涵，蒋万睿

西南交通大学峨眉校区，四川 峨眉山 614202

悬索桥，又名吊桥（suspension bridge）指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。悬索桥由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成。悬索桥的主要承重构件是悬索，它主要承受拉力，一般用抗拉强度高的钢材（钢丝、钢绞线、钢缆等）制作。由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000m以上。悬索桥的主要缺点是刚度小，在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动，需注意采取相应的措施。其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。相对于其它桥梁结构悬索桥可以使用比较少的物质来跨越比较长的距离。悬索桥可以造得比较高，容许船在下面通过，在造桥时没有必要在桥中心建立暂时的桥墩，因此悬索桥可以在比较深的或比较急的水流上建造。悬索桥比较灵活，因此它适合大风和地震区的需要，比较稳定的桥在这些地区必须更加坚固和沉重。

按照桥面系的刚度大小，悬索桥可分为柔性悬索桥和刚性悬索桥。柔性悬索桥的桥面系一般不设加劲梁，因而刚度较小，在车辆荷载作用下，桥面将随悬索形状的改变而产生S形的变形，对行车不利,但它的构造简单，一般用作临时性桥梁。刚性悬索桥的桥面用加劲梁加强，刚度较大。加劲梁能同桥梁整体结构承受竖向荷载。除以上形式外，为增强悬索桥刚度，还可采用双链式悬索桥和斜吊杆式悬索桥等形式，但构造较复杂。

桥梁结构的失稳现象可以分为以下几类：1）个别构件的失稳，例如压杆的失稳和梁的侧倾；2）部分结构或整个结构的失稳；3)构件的局部失稳，而局部失稳常常会导致整个结构体系的失稳。

风荷载作用下：悬索桥的加劲梁视为一个机翼，可用航空学和空气动力学的有关研究和理论分析。悬索桥的结构风振有有限振动和发散振动。有限振动包括涡激振和颤振。涡激振，是在风速比较小的有限度的风速范围内由卡曼涡流引起的振动；而颤振是由风的乱流引起的一种不规则振动，它的振幅随风速增大而增大，这时结构断面发生弯曲与扭转耦合，可能产生灾害性的振幅。发散振动是风速超过某一数值后，振幅急剧增大的一种破坏振动。它包括有：竖向弯曲振动，扭转振动和弯扭联合振动3种形式。

对大跨悬索桥的非线性静风稳定性研究考虑了以下3种效应的影响：1）非线性位移相关风载；2）几何非线性；3）材料非线性。风静动力系数为有效攻角的函数，而有效攻角随主梁变形而变化，所以位移相关风载是非线性的；通过采用几何刚度矩阵可以考虑侧向弯扭屈曲、扭转发散及弯扭耦合失稳；采用塑性铰理论进行材料非线性分析。使用有限元法建立风致静力失稳的分析模型，建模过程中同时考虑了非线性位移相关风载、几何非线性及材料非线性。大跨度悬索桥的结构刚度主要来自于主缆，因此提高结构整体刚度的着眼点应放在主缆上。通过调整主缆同加劲梁的相对位置和增加特定的水平和横向的辅助索可以达到提高结构抗扭刚度和扭转振动频率的目的。

各种模型的比较结果为：

1）节段模型试验在临界风速时，呈现出竖向与扭转综合振动的失稳；

2）在均匀气流中，全桥模型试验仅在略高节段模型中的临界风速时，出现发散性的失稳；

3）紊流中的全桥模型试验，观察到不规则的竖向振动，其振幅随紊流的增大而加大，但并无失稳或扭振。

综上所诉悬索桥的坚固性不强，在大风情况下交通必须暂时被中断。

活荷载（这主要指车辆荷载）：在桥梁上的活载较多，这里只考虑车辆行驶时对悬索桥的作用。悬索桥在车辆荷载作用下，主要为挠曲线振动。车辆荷载高速通过桥梁时，其作用的位置和荷载的大小随时间不停地发生变化，进而引起桥梁结构的振动。在做了各种原型与模型的相似模型试验后，可知加劲梁在车辆的作用下会产生拉力，需用铰支座将其固定；悬索桥的主塔较高，塔身大多采用翻模法分段浇筑，在主塔连结板的部位要注意预留钢筋及模板支撑预埋件。对于索鞍孔道顶部的混凝土要在主缆架设完成后浇筑，以方便索鞍及缆索的施工。

利用大跨度悬索桥的挠度理论，建立了自锚式悬索桥加劲梁在恒载、恒载与活载及活载下的变形与荷载的平衡方程。对所建立的方程进行分析后,得到了如下结论：自锚式悬索桥加劲梁在恒载状态设计时，应按受横向荷载作用的压弯梁验算面内稳定性，但是活载作用下不存在面内稳定问题。

通过对润扬单跨双铰简支梁箱梁悬索桥模型的抽样及试验，得出车辆对箱梁的受力特点如下：

1）由测试截面应力值及其沿梁宽分布图可知，从整体上看，钢箱梁各部位在各种不利车辆荷载工况下的应力水平都比较低，远低于材料的屈服应力；

2）受剪力滞效应和桥面横坡的影响，箱梁两侧和中央处的应力（绝对值）较梁宽四分点处的应力要略大一些，因此在车辆作用下的受力状态更为不利；

3）对于大跨度缆索承重梁桥而言，车辆荷载的集中程度是导致顶板应力增大的重要因素之一。因此必须对通过大桥的挂车、超重车等进行限制与评估；

4）有车辆荷载作用位置的不同导致钢箱梁各部位均出现不容程度的拉压应力交替现象，因此对于钢箱梁这种焊接结构而言，其疲劳破坏值也值得引起重视。

[1]杨咏昕，葛耀君，项海帆.改善大跨度悬索桥抗风稳定性能的实践和探索.

[2]单富文，李云飞，陈洁余，朱祖楞著.悬索曲线理论及其运用.长沙：湖南科学技术出版社，1983.

[3]陈仁富.竖向荷载作用下的悬索桥非线性力素分析.成都：西南交通大学硕士学位论文，1987.

[4]王浩，李爱群，郭彤，赵耕文.车载作用下大跨度悬索桥钢箱梁受力状态的实验研究.