桥梁缆索材料的发展与前瞻

陈 新 陈陆杰

（郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450000）

桥梁缆索材料的发展与前瞻

陈 新 陈陆杰

（郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450000）

随着大跨度桥梁建设的日益加大，斜拉桥以及悬索桥等依托缆索受力的桥梁也越来越多地运用到交通运输中，而索桥中受力的关键材料——缆索材料也在不断被人们赋予新的性能和含义。本文将对传统缆索材料和现代缆索材料进行性能和受力的比对分析，并结合建设实例总结现代建筑材料的发展，并基于对传统材料、现代材料的对比认识，对缆索材料的未来发展做简单的展望。

桥梁；缆索；斜拉桥；悬索桥；现代材料

索桥，也称吊桥，是利用铁链、皮绳、竹索或藤索等材料作为受力骨干相拼悬吊而起的桥梁，多建于水流湍急或桥墩建设不便的地区。始见于秦汉，如秦李冰曾在四川益州城西南建成的一座笮桥，又名“夷里桥”，便是座竹索桥。对索桥而言，缆索材料的性能直接影响到索桥的跨度、施工难度、使用寿命。本文旨在通过对索桥缆索材料的叙述，探究其性能发展，并对未来做出展望。

1 缆索材料的性能及其发展

缆索材料在索桥中的应用，主要集中在对桥面的承拉上，运用传统缆索材料例如竹索、铁索的桥梁，主要利用其优良的抗拉特性。对于竹索和藤索而言，受拉性能较差，局限于长度不大，同时承载物质量较小，受拉强度要求较低的情况，其运用已经基本退出现代交通运输；对于铁索而言，其受拉性能较好，相对于竹索和藤索已经有了革命性的发展，但其应用仍然较为局限。

随着社会的发展，人们对桥梁的跨度有了更高的要求，与此同时，人们对索桥中缆索材料的性能也有了更高的要求。以热镀锌高强度钢丝、钢绞线、钢丝绳为代表的钢材料逐渐成为缆索材料的主力军。其具有高强度、低松弛预应力、不需接头和焊接等性能，并逐渐向更高技术、高质量、高效益发展。

2 传统缆索材料在索桥中的应用

2.1 传统索桥的基本形式。传统的索桥主要以吊桥为主，主要由桥塔（包括基础）、主缆、锚碇、吊索及桥面结构等组成。由于材料的性能、建设条件和施工工艺的限制，传统索桥跨度不大，以竹索、藤索作为缆索材料的索桥难以承载重物；以铁索作为缆索材料的索桥，其后期的维护工程需要投入较多精力。

2.2 竹索在索桥中的应用。总结古代索桥，不难看出，其运用的地方多在山区峡谷或者地形突变地段，索桥的建设适应了地区桥墩建设不便的特点，同时其材料在桥梁结构中承受简单的拉力。为了使竹索具有足够的抗拉性能，在节点上，大多采用多种固定结合的方式。在吊索的处理中，尽量使吊索竖直、均长且每根吊索都能充分发挥它的作用。在桥梁做成后，承受多吊索的拉力，类似于现代桥梁中的悬索桥。在外界力的作用下，主缆会明显承担巨大的剪力，故对主缆的要求非常高。因而以竹索为缆索主要材料的索桥需要将纤维材料加固，或者对其节点处做减小剪应力的处理。

2.3 铁索在索桥中的应用。铁索桥的出现较竹索桥、藤索桥较晚。随着工业社会的发展和对铁的大量应用，铁因为较为优异的抗拉性能，被广泛运用到索桥材料中。采用弯折的铁棍或采用铁环方式，均可以较为方便地在桥梁上进行设置。

3 现代缆索材料在索桥中的应用

对于斜拉桥，索塔两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。假设索塔两侧只有两根斜拉索，左右对称各一条。这两根斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力。根据受力分析，左、右两边的力均可以分解为水平向的一个力和竖直向下的一个力。由于这两个力是对称的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了，最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。斜拉索数量再多，道理是一样的。之所以要很多条，主要是为了分散主梁给斜拉索的力。

对于悬索桥，其中自锚式悬索桥的上部结构包括：主梁、主缆、吊杆、主塔四部分。传力路径为：桥面重量、车辆荷载等竖向荷载通过吊杆传至主缆承受，主缆承受拉力，而主缆锚固在梁端，将水平力传递给主梁。由于悬索桥水平力的大小与主缆的矢跨比有关，所以可以通过矢跨比的调整来调节主梁内水平力的大小。一般来讲，跨度较大时，可以适当增加其矢跨比，以减小主梁内的压力；跨度较小时，可以适当减小其矢跨比，使混凝土主梁内的预压力适当提高。由于主缆在塔顶锚固，为了尽量减少主塔承受的水平力，必须保证边跨主缆内的水平力与中跨主缆产生的水平力基本相等，这可以通过合理的跨径比来调节，也可以通过改变主缆的线形来调节。另外，自锚式悬索桥中的恒载由主缆来承受，而活载还需要由主梁来承受，所以主梁必须有一定的抗弯刚度，主梁的形式以采用具有一定抗弯刚度的箱形断面较为合适。结合缆索材料在现代索桥中的受力特点，可以看出，对现代缆索材料提出了高的要求，包括更高的强度、更好的稳定性、更优异的抗拉性能。这也就使得以高强度钢丝为代表的钢丝制品成为缆索材料的主力军。钢丝索、钢绞线索、钢丝绳索以及不同受力、不同构造位置的应用缆索材料，提供了更优异的材料性能，为缆索桥梁跨度的进一步提升提供了可能。

4 对缆索材料的展望

缆索材料作为索桥结构中的重要组成部分，其抗拉强度、稳定性、耐腐蚀性等性能一直是关注的焦点。未来缆索材料的发展，以研发抗拉性能更加优异的缆索为主，同时积极探索抗腐蚀性及稳定性能更为优越的基础材料；缆索结构方面，截面设计会做更多力学突破；就索桥整体而言，缆索材料也将更注重性能与桥梁的整体配合，力求在智能化及适配化上取得新突破。

[1]叶觉明.大跨度桥梁缆索结构对钢丝及其制品的技术要求[J].金属制品，2009，35（4）：58-62.

[2]徐文雷，栾佰峰等.桥梁缆索用超高强度镀锌钢丝的研制[J].金属制品，2010，36（2）：27-31.

TU599

A

1671-0037（2014）07-32-1

陈新（1992-），男，在读本科。