大跨度懸索橋的發(fā)展歷史與研究前沿
摘要：隨著世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，交通運輸在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用日益重要。洲際之間、海峽兩岸和陸島之間迫切需要修建大跨度，特大跨度或超長跨度橋梁。懸索橋經(jīng)歷了近兩百年的發(fā)展，已成為超大跨度橋梁的最優(yōu)選擇橋型之一。概括總結(jié)了懸索橋的發(fā)展歷史，以及當(dāng)面的研究前沿問題：抗震，抗風(fēng)以及健康監(jiān)測技術(shù)。
關(guān)鍵詞：懸索橋，發(fā)展歷史，抗震，抗風(fēng)，健康監(jiān)測
1.引言
隨著世界經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，交通運輸在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用日益重要。洲際之間、海峽兩岸和陸島之間迫切需要修建大跨度，特大跨度或超長跨度橋梁[1]。我國渤海海峽跨海工程、長江口越江工程、珠江口伶仃洋工程以及瓊州海峽工程，為了避免深水基礎(chǔ)施工的困難和高昂的造價，滿足超級巨輪通航要求，需要修建1000m以上甚至2000m以上的超大跨度橋梁[2]。作為后本四聯(lián)絡(luò)線的架橋設(shè)計，日本計劃在東京灣、紀(jì)淡海峽、伊勢灣等地進(jìn)行橫跨海峽的設(shè)計，其規(guī)模是超越Akashi-kaikyoBridge的超大跨度橋梁。歐洲和非洲之間隔著地中海，其西部最窄處為直布羅陀海峽，從西班牙到摩洛哥，修建一座大橋，把兩大陸連接起來是很有必要的[3]。懸索橋是目前跨度超過1000m時最優(yōu)可選橋型之一，從學(xué)術(shù)研究來說，大跨度懸索橋的研究是當(dāng)前橋梁學(xué)科中最重要與最活躍的領(lǐng)域之一。
2.懸索橋結(jié)構(gòu)特性及發(fā)展階段
懸索橋是以懸索為主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁類型，主要由大纜、橋塔、錨碇、加勁梁和吊索組成。構(gòu)造簡單，受力明確。由于其主要構(gòu)件大纜承受拉力，材料利用效率最高。因此懸索橋是目前跨度超過1000m時最優(yōu)可選橋型之一，并且認(rèn)為在600m以上的跨度同其它橋型相比也具有很強(qiáng)競爭力。懸索橋的發(fā)展具有幾個重要里程碑：(1)彈性理論的建立與BrooklynBridge的建成。(2)撓度理論的建立，GeorgeWashingtonBridge的建成以及人們對大跨懸索橋重力剛度的認(rèn)識。(3)TacomaNarrowsBridge風(fēng)毀事件，橋梁風(fēng)工程學(xué)科的建立。(4)SevernBridge的建成，流線型扁平鋼箱梁和正交異性鋼橋面板的廣泛應(yīng)用。(5)有限元技術(shù)的發(fā)展，大跨度懸索橋有限位移理論的建立。
2.1懸索橋彈性理論
1883年跨越紐約東河的BrooklynBridge建成通車，設(shè)計者是天才的橋梁設(shè)計師JohnARoebling。由于高強(qiáng)碳素鋼絲的使用和空中送絲法(aerialspinning)大纜施工技術(shù)的確立，該橋的跨度一下提高到486m。這兩項技術(shù)是現(xiàn)代懸索橋發(fā)展的基礎(chǔ)，所以BrooklynBridge被大家公認(rèn)為世界上第一座現(xiàn)代懸索橋。1903年建成的WilliamsburgBridge，分跨284m+488m+284m，規(guī)模與BrooklynBridge相當(dāng)，當(dāng)時的計算理論為彈性理論。
2.2懸索橋撓度理論
1888年，奧地利的Melan教授提出了適用拱橋和懸索橋一類結(jié)構(gòu)的撓度理論，并于1906年做了進(jìn)一步的改進(jìn)。以后由Steinman和Timoshenko等對撓度理論予以發(fā)展，立即促進(jìn)了懸索橋的長大化，使得懸索橋的跨度一下子突破了1000m大關(guān)。紐約GeorgeWashingtonBridge作為世界上第一座真正意義上的大跨懸索橋，分跨186m+1067m+198m。該橋的設(shè)計者第一次認(rèn)識到了大跨懸索橋重力剛度概念，并用這一概念來訂正“撓度理論”的分析結(jié)果。
2.3TacomaNarrowsBridge風(fēng)毀事件與橋梁風(fēng)工程學(xué)科的建立
1940年7月1日，由L．Moissief設(shè)計的位于美國華盛頓州主跨853m的TacomaNarrowsBridge建成通車，為了達(dá)到節(jié)省目的，設(shè)計者采用高度很小的板梁作為加勁梁，該橋的跨度與梁高之比為350，而在這以前對于這樣的跨度規(guī)模，其跨高比為70。1940年11月7日，在19m／s的八級大風(fēng)作用下發(fā)生強(qiáng)烈的風(fēng)致振動，導(dǎo)致全橋倒塌。這一事故震驚了橋梁工程界。在調(diào)查這一事故的過程中，人們發(fā)現(xiàn)，自1818年起，至少已有11座橋梁毀于風(fēng)害。然而遺憾的是在長達(dá)150年的時間里，工程師只是認(rèn)識到了風(fēng)的靜力作用。TacomaNarrowsBridge的風(fēng)毀開始了土木工程界考慮橋梁風(fēng)致振動的新時期，并形成了一門新的邊緣學(xué)科一風(fēng)工程學(xué)。
2.4SevernBridge與流線型扁平鋼箱梁和正交異性鋼橋面板
20世紀(jì)50年代，英國為指導(dǎo)SevernBridge和FonhRoadBridge的抗風(fēng)設(shè)計，由Scruton等進(jìn)行了系列的風(fēng)洞試驗。他們試驗了帶懸臂的六角形扁平鋼箱梁，結(jié)果大獲成功。這就使得SevernBridge在抗風(fēng)設(shè)計方法上與過去迥然不同，該橋具有以下的優(yōu)點：扁平鋼箱梁接近流線型斷面，其繞流狀況較其他鈍形截面有較大的改善，而且在靜態(tài)方面因其對風(fēng)的阻力系數(shù)很小，梁高較低，導(dǎo)致其靜風(fēng)荷載顯著減��；梁的抗扭剛度大，使得全橋扭轉(zhuǎn)基頻提高，對提高顫振臨界風(fēng)速非常有利；采用了正交異性板技術(shù)，一方面作為鋼箱梁的頂板，同時又作為橋面系。
2.5有限元技術(shù)與懸索橋有限位移理論
計算機(jī)和有限元理論的飛速發(fā)展，為大跨懸索橋的理論分析提供了強(qiáng)有力的工具。有限位移理論逐步發(fā)展完善，摒棄了撓度理論的過多的假定條件，使計算模型更加接近真實結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果更加真實地反應(yīng)實際情況。
3.大跨度懸索橋研究前沿
3.1大跨度懸索橋抗震研究
我國是世界上的多地震國家之一，隨經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市化進(jìn)程的進(jìn)展，城市抗震防災(zāi)日趨重要[4]。大跨度懸索橋投資大，且作為交通工程的樞紐，其抗震設(shè)計與研究則是重中之重。對于大跨度懸索橋,其抗震研究的前沿問題主要有：
�。�1）多點激勵：大跨度橋梁的各支撐點可能位于顯著不同的場地上,導(dǎo)致各支撐處輸入地震波的不同,因此,在地震反應(yīng)分析中就要考慮多支撐不同激勵。
�。�2）行波效應(yīng)：由于地震波速是有限值,當(dāng)支座間距離很大時,必須考慮其到達(dá)各支座的時間不同。
�。�3）合理的地震動輸入：同一橋梁對不同地震動輸入有不同的地震反應(yīng)，橋梁設(shè)計中究竟取怎樣的地震動輸入將起決定作用，合理的地震動輸入至少應(yīng)是橋址區(qū)的可能地震動，所以地震動記錄以及地區(qū)地震危險性分析研究變得相當(dāng)重要。
�。�4）地基-土相互作用：地基與土的相互作用主要體現(xiàn)在兩個方面，即地基運動的改變和結(jié)構(gòu)動力特性的改變。為得到較為符合實際情況的橋梁基頻和橋梁控制截面的內(nèi)力就必須考慮地基與土的相互作用。
（5）橋梁結(jié)構(gòu)的各種減隔震，地震動控制的研究，目前國內(nèi)外這一領(lǐng)域的研究非�；钴S，各種減隔震裝置的應(yīng)用效果，各種控制算法均得到了廣泛的關(guān)注。
�。�6）強(qiáng)地震作用下結(jié)構(gòu)的物理和幾何非線性分析研究。
3.2大跨度懸索橋抗風(fēng)研究
1940年秋，美國華盛頓州建成才4個月的塔科馬(Tacoma)懸索橋在不到20m／s的8級大風(fēng)作用下發(fā)生強(qiáng)烈的風(fēng)致振動--反對稱扭轉(zhuǎn)振動，而導(dǎo)致橋面折斷和橋梁坍塌，這才開始了以風(fēng)致振動為重點的橋梁抗風(fēng)研究[5]�？癸L(fēng)研究的前沿問題主要有：
(1)風(fēng)振機(jī)理研究：顫振發(fā)散的微觀機(jī)制、拉索風(fēng)雨激振的機(jī)制以及能有效抑制風(fēng)致振動的氣動措施及其機(jī)理。
(2)風(fēng)振理論的精細(xì)化：通過典型工程的案例研究加以對比和驗證，對現(xiàn)行的抖振和渦振分析理論進(jìn)行精細(xì)化的改進(jìn)，甚至建立新的理論和方法。
(3)概率性評價方法：在世界橋梁設(shè)計規(guī)范已經(jīng)向基于可靠度理論方向過渡的形勢下，應(yīng)盡快改變中國抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范仍采用基于經(jīng)驗安全系數(shù)的確定性方法來進(jìn)行各類風(fēng)振安全檢驗的局面。
(4)CFD技術(shù)和數(shù)值風(fēng)洞：隨著計算流體動力學(xué)理論的進(jìn)步，數(shù)值模擬方法將在抗風(fēng)設(shè)計中發(fā)揮愈來愈大的作用，數(shù)值風(fēng)洞新技術(shù)應(yīng)提到議事日程。
(5)橋梁等效風(fēng)荷載：目前規(guī)范中規(guī)定的風(fēng)荷載計算方法仍是近似的，應(yīng)當(dāng)通過對實橋監(jiān)測或全橋模型試驗或者通過數(shù)值模擬等途徑提高風(fēng)載荷計算的精度和可靠性。
3.3大跨度懸索橋健康監(jiān)測技術(shù)
在特大跨度橋梁運營階段橋梁結(jié)構(gòu)本身如何避免突發(fā)性損傷和積累性損傷帶來的災(zāi)害性后果成為近期工程技術(shù)界所廣泛研究的內(nèi)容。良好的檢查養(yǎng)護(hù)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形等內(nèi)在狀態(tài)的監(jiān)控調(diào)整，不僅可使橋梁結(jié)構(gòu)在其運營期內(nèi)處于健康狀態(tài)，而且還可降低維修成本、延長使用壽命。大跨度橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究涉及測試、分析和決策等多個學(xué)科。其理論核心為基于振動的損傷識別技術(shù)。理論上，這一概念可用于對橋梁結(jié)構(gòu)損傷與老化的診斷，但距離實用性的系統(tǒng)目標(biāo)尚有很大的差距。最基本的問題在于以目前的測試水準(zhǔn)，僅能較準(zhǔn)確測量結(jié)構(gòu)的低頻響應(yīng)，而低頻響應(yīng)多為結(jié)構(gòu)的整體模態(tài)，對整體響應(yīng)貢獻(xiàn)小的局部，即使在整體模態(tài)中有所反映，但由于量值過小，往往也容易淹沒在噪聲/誤差和不確定因素引起的擾動之中，故除非出現(xiàn)非常精確的測試技術(shù)或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷才可能對局部損傷進(jìn)行診斷。實際上不同類型、部位的結(jié)構(gòu)損傷對結(jié)構(gòu)各階模態(tài)的影響程度有極大的不同。尋找特定結(jié)構(gòu)形式不同損傷對其動力模態(tài)的敏感因素，并盡可能排除噪聲對結(jié)果判斷的影響，有可能在一定程度上推進(jìn)此技術(shù)的實用化過程[6]。
推動健康監(jiān)測技術(shù)在實踐中真正的應(yīng)用，基本實現(xiàn)大型橋梁健康監(jiān)測，長期/定時，自動，經(jīng)濟(jì)，不妨礙交通的要求，尚有許多問題有待研究。然而此項技術(shù)的最終成功應(yīng)用，其在結(jié)構(gòu)安全/可靠，延長結(jié)構(gòu)使用壽命和科學(xué)探索等方面將產(chǎn)生重大的技術(shù)變革。
4.結(jié)語
21世紀(jì)建設(shè)海峽工程，溝通全球交通，在20世紀(jì)初就是橋梁界的夢想。隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化步伐的加快，橋梁溝通全球交通的夢想在21世紀(jì)將會實現(xiàn)。
5.參考文獻(xiàn)
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