浅谈自锚式悬索桥

李晓东 郭亮

【摘要】自锚式悬索桥取消了庞大的锚碇，将主缆直接锚固在梁端，不仅降低了造价，更使不宜修建锚碇的地方修建悬索桥成为可能。21世纪初，自锚式悬索桥被称为新桥型，登上中国桥梁舞台，发展速度非常快，大有成为“时尚”桥型的趋势。但自锚式悬索桥并不是新桥型，受体系特点和施工方法的限制，其跨越能力有限，审美表现力不会很突出，所以有必要对这种桥型的合理性作科学的反思。

【关键词】自锚式悬索桥；发展；桥型；体系特点；施工方法；反思

1自锚式悬索桥的历史回顾

1859年，奥地利工程师Langer第一次提出自锚式悬索桥的设想，但美国工程师Bender于1867年抢先申请了专利。1870年，Langer在波兰率先建成了世界第一座小跨度的试验桥，成为第一位自锚式悬索桥的实践者。

1915年，德国工程师在建造跨越莱茵河的科隆（K?ln）-Deutz桥时，因美学考虑希望选择悬索桥方案，但由于软土地基不宜建造锚碇，最后决定采用自锚式悬索桥，主跨184.5米的该桥取得了成功，在国际上产生了很大的影响。

1929至1939年的十年间，德国莱茵河上又建成了四座自锚式悬索桥，其中最著名的是主跨达315米的K?ln-Mülheim桥。

1990年，日本工程师在建造主跨300米的大阪Konohona桥时采用了Leonhardt单索面自锚式悬索桥的思想，但用斜吊杆以增加刚度，并用预张力解决吊杆的疲劳问题。

中国自2000年以来，已建成了二十几座自锚式悬索桥，已形成了一股自锚式悬索桥的热潮。

2006年，我国建成了主跨350米的自锚式悬索桥——佛山平胜大桥，独塔四索面双门塔结构，顶推法施工主梁。

2008年，我国建成了跨径组合为47+167+219+47米，总长480米的独塔自锚式悬索桥——广州猎德大桥和主跨260米，边跨83米，双塔采用中央独柱，三维空间主缆的自锚式悬索桥——杭州江东大桥。

2自锚式悬索桥的发展趋势【1】

现代自锚式悬索桥的大量涌现，表明这一结构新颖、造型美观的桥型历经一个半世纪的洗礼，目前已经进入了蓬勃发展的阶段。目前主要有以下发展趋势：

（1）桥型布置

自锚式悬索桥桥型布置多种多样，目前主要有双塔三跨，单塔双跨等结构形式，今后也可能建造多塔自锚式悬索桥，主缆线形上也会有所变化。

（2）加劲梁及缆索系统

随着自锚式悬索桥跨度的不断增大，加劲梁的轴压力和缆索支承系统的体系转换已成为控制设计的关键，修建大跨度自锚式悬索桥将面临较大的挑战。因此，提高材料强度，增加跨越能力，减少恒载，研发新型材料，以及便捷体系转换和加快施工进度，都是今后研究的重要课题。

（3）架设方法

传统自锚式悬索桥采用“先梁后缆”的施工方法，需要搭建大量临时支架以安装主梁，这在一定程度上限制了这种桥型的推广，已成为阻碍自锚式悬索桥广泛应用的一个主要因素。目前已经出现了“先缆后梁”的施工工艺。

3 自锚式悬索桥桥型方案合理性的反思

图1 自锚式悬索桥结构图

自锚式悬索桥（图1）与传统悬索桥（地锚式悬索桥）的最大区别有两个：其一，主缆锚固于边跨加劲梁（即锚跨），因而可以利用加劲梁的水平支承能力来平衡（传递、支承）主缆水平分力，利用锚跨自重来平衡主缆拉力的竖向分力，节省庞大的锚碇工程，在地质条件差或深水桥位，这个优点十分突出；其二，可以利用主缆水平分力为加劲梁提供压应力，因而加劲梁可采用普通钢筋混凝土结构，节省预应力费用。

深入分析已建成的自锚式悬索桥发现，上述两大优点是局限的，同时也会引发一些新问题或负效应，分述如下：

（1）主缆水平分力改变了加劲梁的受力方式，提高了钢箱梁的应力水平，大大增加了用钢量和工程费。

（2）边跨普通钢筋混凝土加劲梁的总费用高于预应力梁。自锚式悬索桥对加劲梁提供的压应力只能在体系转换之后才能发挥作用，在此之前，为了防止普通钢筋混凝土梁开裂，设计要求增设庞大的跨中临时墩或支架支撑。此外，为了适应轴向压力引起的弹性压缩和后期徐变收缩，防止支座竖向力偏心，需要设置大偏位置活动支座。这两项费用已超过了预应力设施费用。

（3）锚跨结构复杂，高空施工难度大，材料用量高，不一定比地锚经濟。

4 自锚式悬索桥施工方法存在问题的反思

自锚式悬索桥上部结构主要施工与传统地锚式悬索桥的最大区别有三点：其一，必须先完成加劲梁（包括主跨钢箱梁，边跨加劲梁及锚跨）；其二，必须进行体系转换；其三，必须进行强制性线性调整。这三大差异造成的施工难度和引发的技术问题很多。

跨度较大的自锚式钢箱梁悬索桥多推荐采用顶推法架设。此法的主要难点有：

（1）钢箱梁梁段需运至现场拼装，受桥跨限制，拼装平台不可能太长，而需要采用所谓“短线拼装法”，观测表明，受已推出梁段悬臂重量的影响，拼接段将会出现初应力，实际拼装线形难以预控。

（2）在顶推法过程中，钢箱梁的受力状态和应力分布不断变化。观测证明，这个应力难以全部消除，运营阶段钢箱梁中可能残留不明确的附加应力，而地锚式悬索桥钢箱梁中则不会发生这种附加应力。

（3）需要对钢箱梁和顶推系统作特殊设计。顶推法已是成熟的施工方法，但用于架设钢箱梁时，则需特别控制支承面大偏心受压、预防纵隔板偏移出滑道造成底板局部受力等问题，为此，设计采取了局部加强纵隔板、加大支承面积、增大导梁长度等措施。

5 自锚式悬索桥体系转换及线形调整引发问题的反思

体系转换和成桥线形调整是自锚式悬索桥区别于地锚式悬索桥的又一特殊工序，也是最复杂的工序。在该工序中，结构受力模型、体系内（应）力、变形都会发生极大变化。如：

（1）主缆将由低拉应力状态过渡到高拉应力状态，由自重悬垂线形过渡到成桥抛物线形。

（2）吊索将由零拉应力状态过渡到设计应力状态。

（3）加劲梁将由零轴向压应力状态过渡到高轴向压应力状态，受力体系将承的多跨连续梁过渡到弹性支承多跨悬吊连续梁，线形将会发生多次变化。

（4）支架和临时墩将由高压应力状态过渡到零压应力状态，同时产生弹性回弹。

（5）体系转换过程中，混凝土加劲梁支座将随梁的弹性压缩而产生水平位移，桥墩将承受水平力。

桥梁施工经验表明，体系转换过程中最容易发生重大施工安全事故和工程质量问题。为了顺利完成体系转换，防止发生安全事故，通常要求按照“平稳、平衡、逐步过渡”原则，拟定合理的转换程序；进行精细的计算、测量；制定标高和索力“双控”方案及误差限制目标；严格及时地监控体系状态。

成桥线形调整精度对桥梁使用期的受力和变形影响很大，也是一个重要工序。由于二期恒载较大（约为一期恒载的17%～20%），为了尽可能符合设计线形和内力分布，一般在体系转换后施工桥面铺装，然后再进行主缆及桥面线形调整。

6结语

尽管自锚式悬索桥避免了传统外锚式悬索桥中体量巨大的锚碇，适合在软土地基的条件下采用这种外形优美的悬索体系，但是由于其有着自身的缺点和局限，所以希望中国桥梁设计者慎重思考与决策，不宜盲目追逐热潮，以免弄巧成拙，并造成不必要的浪费和施工困难。