自锚式悬索桥介绍

一. 自锚式悬索桥简介

1. 自锚式悬索桥概述

自锚式悬索桥不同于一般的悬索桥，它不需要庞大的锚碇，而是把主缆锚固在加劲梁的两端，用加劲梁来承担主缆的水平分力[1]。因此，端部支撑只需承担拉索的竖向分力，这给不方便建造锚碇的地方修建悬索桥提供了一种解决方法。

因为加劲梁要承担索力，所以一般情况下，加劲梁先于主缆架设之前完成施工，这种与一般悬索桥相反的施工顺序使这种桥梁目前还只局限于中等跨径。不同于一般的悬索桥，自锚式悬索桥的计算必须考虑主梁中轴力的影响，因此设计师和有关学者也探索出，并不断地完善各种适用于自锚式悬索桥的设计理论和施工控制理论。本文首先回顾一下这种桥型的发展历史。

1.1 自锚式悬索桥的发展历史

19世纪后半叶，奥地利工程师约瑟夫·朗金和美国工程师查理斯·本德分别独立地构思出自锚式悬索桥的造型。朗金首先在1859年写出了这种设想，本德在1867年申请了专利。1870年朗金在波兰建造了一座小型的铁路自锚式悬索桥。尽管他们都没有直接影响未来的设计，但20世纪初期自锚式悬索桥已经在德国兴起。

图1.1.1 德国1915年修建的科隆－迪兹桥

Fig. 1.1.1 Original 1915 Cologne-Deutz Bridge in Germany

1915年，德国设计师在科隆的莱茵河上建造了第一座大型自锚式悬索桥（图1.1.1）。这座科隆－迪兹桥主跨185m，用临时木脚手架支撑钢梁直到主缆就位。在它建成后的15年里影响了其它桥梁的设计，这种创新的设计思想得到了美国和日本等世界各国工程师们的关注。美国宾夕法尼亚州匹兹堡跨越阿勒格尼河的3座桥，日本东京的清洲桥都与科隆－迪兹桥外型非常相似。科隆－迪兹桥在1945年被毁，而原来桥台上的钢箱梁

仍保存至今。匹兹堡的三座悬索桥虽然比科隆－迪兹桥的跨径小，但施工技术有了很大的进步，并且采用了悬臂施工的新方法。德国莱茵河上科隆－迪兹桥建成后25年间又修建了4座悬索桥，最著名的是1929年建成的科隆－米尔海姆桥，主跨315m，虽然该桥在1945年被毁，但它将自锚式悬索桥跨径的记录保持到21世纪。20世纪30年代的工程师们已经发现，自锚式悬索桥加劲梁的轴力将使该种桥梁的受力性能接近于更为简单的弹性理论，所以这段时间美国和德国修建了多座自锚式悬索桥。

图1.1.2 德国科隆－米尔海姆桥

Fig. 1.1.2 Cologne-Mülheim Bridge in Germany

表1.1.1 部分已建和待建的自锚式悬索桥[6]

Table. 1.1.1 A part of self-anchored suspension bridges built and need to be built

1.1.1国外自锚式悬索桥

（1）日本此花大桥

日本此花大桥建成于1990年，又名大阪北港桥。跨径布置为120m+300m+120m，加劲梁为单箱三室钢箱梁，宽度26.5m，梁高3.17m，高跨比1/95，矢跨比为1/6，比一般悬索桥的矢跨比要大，这样可以减小加劲梁的轴力。该桥还是第一座单索面大跨径悬索桥，吊索做成倾斜状。

图1.1.3 日本此花大桥（单位：m）

Fig. 1.1.3 Konohana bridge in Japan (Unit: m)

图1.1.4 日本此花大桥（单位：m）

Fig. 1.1.4 Konohana bridge in Japan (Unit: m)

（2）韩国永宗大桥

韩国永宗大桥位于韩国汉城仁川国际机场通往汉城区的高速公路上，是世界上第一座双层行车的公铁两用自锚式悬索桥。该桥结构造型和尺寸都与此花大桥很相似，但永宗大桥和此花大桥有三个主要不同点：（1）为了减小加劲梁中主缆产生的轴向力，主缆的垂度加大到60m，矢跨比为1/5；（2）永宗大桥采用2根主缆，从塔顶到加劲梁跨中

呈空间三维曲线，加大了桥梁的横向稳定性；（3）加劲梁为7m高的桁架，上层为公路，下层为铁路，在没有主缆的情况下容易施工。

图1.1.5 韩国永宗大桥

Fig. 1.1.5 The Yongjong Grand Bridge in Kara

图1.1.6 韩国永宗大桥

Fig. 1.1.6 The Yongjong Grand Bridge in Kara

（3）美国旧金山-奥克兰海湾新桥

旧的旧金山-奥克兰海湾桥东桥（钢桁架桥）在1989年由于里氏7.1度地震时局部坍塌，因此决定重建。重建计划中包括两座自锚式悬索桥，一座单塔两跨自锚式悬索桥和一座双塔三跨自锚式悬索桥。主航道为单塔自锚式悬索桥，塔高160m，由四根钢箱柱组成，沿高度用剪力杆连接，主缆不跨越而是固定在单一的索鞍上，跨径为

385m+180m，见图1.1.5。加劲梁为两个各向异性板钢箱梁，横隔板间距5m，箱梁间用宽10m、高2.5m、间距30m的横梁连接，保证两箱在荷载，特别是风和地震荷载作用时的整体性。该桥考虑1500年回归期的地震，建成后，将成为世界上最大的自锚式悬索桥。

图1.1.7 美国旧金山-奥克兰海湾新桥（单位：m）

Fig. 1.1.7 San Francisco-Auckland gulf new bridge in American (Unit: m)

图1.1.8 美国旧金山-奥克兰海湾新桥（单位：m）

Fig. 1.1.8 San Francisco-Auckland gulf new bridge in American (Unit: m)

（4）其它自锚式悬索桥

Sorok岛桥是韩国Geogeum岛连接本土的桥梁，跨径布置为110m+250m+110m，矢跨比为1/5，塔为花瓶型，采用单索面，此桥已开工。

图1.1.9 Sorok岛桥（单位：m）

Fig. 1.1.9 Sorok island bridge in Korea (Unit: m)

爱沙尼亚Muhu岛桥（推荐方案）跨径布置为200m+480m+200m，矢跨比为1/8，加劲梁为钢箱梁，高跨比1:400，桥塔为H型。

图1.1.10 Muhu岛桥（单位：m）

Fig. 1.1.10 Muhu island bridge in Esthonia (Unit: m) 1996年哥本哈根的国际桥梁和结构协会(IABSE)学术会议论文集中，J. F. Klein介绍了一种自锚式悬索桥的比较方案，跨径布置为303m+950m+303m，采用单主缆，主跨跨中约200m长的主缆在梁体内部，与梁固结，使结构具有很高的刚度，索夹处设有锚固装置，主缆截面沿桥梁是可变化的，这样可大大节省主缆造价。

1.1.2 国内自锚式悬索桥

自锚式悬索桥在国内的发展相对较晚，直到本世纪初才开始建造，但发展非常迅速，并且建成了世界上第一座混凝土加劲梁的自锚式悬索桥，多项世界纪录也被中国的桥梁工作者改写。上世纪二三十年代欧美建造自锚式悬索桥的高潮过后而趋于平淡，但近年来，自锚式悬索桥被赋予了新的生命力，而在我国重新兴起，出现了蓬勃发展的新局面。下面介绍几座我国已经建成的自锚式悬索桥。

（1）广西桂林丽君桥

广西桂林丽君桥，为国内第一座钢主梁的三跨自锚式悬索桥，主桥长120m，跨径为25m+70m+25m。主梁为纵横双向钢桁架，桥面板为20cm厚现浇钢筋混凝土板，与纵横双向钢桁架梁共同作用形成结合梁，主缆和吊杆采用PES7-451和PES7-61的钢丝成品索。

图1.1.11 广西桂林丽君桥

Fig. 1.1.11 Lijun Bridge in GuiLin

（2）大连市金湾桥

世界上第一座混凝土自锚式悬索桥－金湾桥位于大连市金石滩旅游渡假区的滨海路上，横跨帆船港池入海口，建成于2002年6月，主桥为钢筋混凝土加劲梁的自锚式悬索桥，跨径为24m+60m+24m，见图1.1.6。该桥宽12m，主梁采用钢筋混凝土边主梁形式，梁高1m，每隔3m设一道横隔梁。索塔为钢筋混凝土门式塔架，塔高27m，塔柱直径为1.5m。主梁采用50号混凝土，主缆采用139φ7.1mm高强镀锌平行钢丝，两端为冷铸锚；吊杆采用φ5mm高强镀锌平行钢丝成品索。主梁上吊杆间距为3m。基础采用钻孔灌注桩基础，桩直径为1.6m。

图1.1.12 大连金石滩金湾悬索桥

Fig. 1.1.12 Dalian Jin Wan suspension bridge

该桥主缆矢跨比为1/8，双塔双索面结构，主缆锚固于加劲梁的两端，用加劲梁来抵抗主缆的水平分力。同时将加劲梁做成拱形，用主缆的水平分力来抵抗拱脚的推力，起到了系杆拱桥中系杆的作用。这样既满足了中跨的通航净空要求，也使主桥两端高度降低，大大减少了引桥的长度，节省了投资。较大的拱度也可使加劲梁刚度增加，挠度减小，从而使该桥在受力和经济上都达到了很好的效果。

（3）抚顺万新大桥

抚顺市万新大桥位于抚顺市区东部，跨越浑河，道路等级为城市主干路，机动车道为双向6车道，两侧各有2.5m宽人行道和3.5m宽非机动车道，桥面总宽41m。主桥是一座自锚式混凝土悬索桥，如图1.1.7所示，主跨为160m，边跨70m，锚固跨15m，吊索沿顺桥向间距5m。主梁采用钢筋混凝土箱梁，箱梁标准断面为单箱五室，梁中心高度2.5m，箱梁内每5m设一道横梁。索塔为H型，塔柱采用实体矩形截面，桥面以上尺寸为2.5m×3.5m，桥面以下为变截面，根部尺寸为4.06m×3.5m。河床为岩石地质条件，基础采用扩大基础。

主缆中跨矢跨比为1/6，主缆直径54.3cm，由85根φ54mm镀锌钢丝绳组成，钢丝标准强度为1960MPa。受两端接线和设计洪水位的限制，为满足桥下净空要求，该桥主缆设计为封闭环形，连续绕过全桥10个索鞍，通过索鞍将主缆力传递于主梁，使锚固

图1.1.14 抚顺万新大桥（单位：m）

Fig. 1.1.14 Fushun Wanxin bridge (Unit:m)

（4）金华康济桥[41]

金华康济桥位于浙江省金华市，跨越义乌江，主桥为跨径30m+100m+30m的双塔三跨自锚式悬索桥（如图1.1.8所示），桥梁全宽31.5m=2×（0.25m栏杆+2.75m人行道+1.5m绿化带+22.5m机动车道/2），人群荷载为4.0kN/m2，机动车为6车道城－A荷载。主缆矢跨比为1/7.519，由19根61φ7.1mm的高强镀锌钢丝索股组成。吊索间距5m，吊索为91φ7.1mm的高强镀锌钢丝成品索。主梁采用钢－混凝土组合梁，标准梁高

2.35m，其中钢筋混凝土板厚度为25cm，钢梁和混凝土板采用栓钉连接。索塔为钢筋混

图1.1.16 金华康济桥（单位：m）

Fig. 1.1.16 Jinhua Kangji Bridge (Unit:m)

（5）浙江江山市北关大桥

北关大桥位于浙江省江山市北关路向东延伸跨越江山港处。主桥跨径为40＋118＋40＝198m的混凝土自锚式悬索桥(如图1.1.9所示)。桥宽24m，主缆线型呈抛物线型，主跨矢跨比1/7，主缆选用19-1.5

127Φ预制平行钢丝索股（PPWS）编排而成，两端用冷铸锚锚固体系锚固于加劲梁端横梁内。吊杆纵向基本间距5.0m，在中跨索塔处间距为6.5m。吊杆采用由1.5

127Φ高强镀锌钢丝组成的成品索，标准强度为1670Mpa，双层PE 保护层，冷铸锚锚固体系，全桥共72根。

主梁为现浇混凝土梁格体系，共四道纵梁，每个塔柱两侧各设一根纵梁，纵梁为实体端面，高200cm，宽100cm。索塔为“门”式钢筋混凝土框架结构，桥面以上高23m，全高35.77m，塔柱为矩形混凝土实心断面，塔柱尺寸从塔顶250?150cm渐变至桥面处250?200cm。塔上共设两道横梁，上横梁设于索鞍底50cm处，为圆弧变高度矩形断面，厚120cm，高度从跨中180cm渐变至根部320cm。下横梁为250?150cm箱形断面。

图1.1.17 北关大桥立面图

Fig.1.1.17 Elevation of BeiGuan Bridge

图1.1.8 北关大桥立面图

Fig.1.1.18 Elevation of BeiGuan Bridge

（6）长江三汊矶湘江大桥

长江三汊矶湘江大桥是我国最大的自锚式悬索桥，是长沙市规划的市内跨越湘江的8座大桥之一，位于长沙市二环线，是北环线的主要组成部分和关键工程。三汊矶大桥

主跨长为328米，主桥长为732米，全桥总长为1577米，双向六车道。

Fig. 1.1.19 Yangzi river SanChaji Bridge (Unit:m)

Fig. 1.1.20 Yangzi river SanChaji Bridge (Unit:m)

（7）绍兴镜湖大桥[41]

本桥桥梁跨径布置为：77.8m+188m+77.8m，边跨索塔中心线至交界墩顶主、引桥分界线的跨度为77.8m，3跨间钢箱梁总长342.6m。边跨主缆的跨度为71m，主缆跨径布置为71m+188m+71m。由于本桥跨度不大，结合自锚式悬索桥梁刚、缆柔的受力特点，本桥中跨主缆矢跨比取为1/5，矢高37.6m，主梁采用流线形扁平钢箱梁，正交异性钢桥面板，钢箱梁节段为全焊结构，梁段连接型式采用栓—焊组合；主梁全宽43.2m，其中行车道净宽32m，双向6车道，两侧人行道宽2×3.3m（含栏杆宽度）；主梁高跨比为1/59，宽跨比为1/4.3，高宽比为1/13.5；索塔为混凝土索塔，钻孔桩基础；主缆直接锚固于钢箱梁梁端，梁端设压重混凝土。

图1.1.22 绍兴镜湖大桥（单位：m）

Fig. 1.1.22 ShaoXing Binhai Bridge (Unit:m)

图1.1.23 绍兴镜湖大桥（单位：m）

Fig. 1.1.23 ShaoXing Binhai Bridge (Unit:m)

（7）佛山平胜大桥

平胜大桥是广东省佛山市快速环线上的一座特大型城市桥梁。桥梁宽度为2×26.1 m,双向10车道,中央分隔带宽8 m,两侧各设2.75 m人行道。桥梁跨越西江航运干线平洲水道,桥轴线与河流交角约68°,通航净空要求为150 m×18 m。平胜大桥桥跨总体布置为:39.64 m+5×40 m+30 m(混凝土加劲梁及锚跨)+350 m(钢加劲梁)+30 m+29.60 m(混凝土锚跨),见图1。主缆跨由锚跨、边跨(混凝土加劲梁)、主跨(钢箱加劲梁)、锚跨组成,边跨理论跨径224 m,主跨理论跨径350m,主跨的理论矢跨比1∶12.5。主缆采用PPWS工法,主缆共4根,每根含48股索股,每股由127 5.1的镀锌高强钢丝组成。柔性吊索采用73 5.1的镀锌高强钢丝平行集束索体;刚性吊索采用材质为40CrNiMoA的钢棒。加劲梁采用混合梁。主跨采用单箱三室全焊钢加劲梁,正交异性板结构,梁高3.50 m;边跨采用C50混凝土加劲梁,外形与主跨钢加劲梁一致,半幅桥标准断面采用单箱三室,梁高3.50 m。桥塔采用三柱门式塔柱,塔柱自承台以上高138.87 m,设上、下2道横梁,塔柱均为箱形结构,塔柱中心间距为26.75 m。钢-混凝土结合段的结合面设在主跨距M8和M9号墩中心线各2.50 m处。设计充分利用两岸混凝土加劲梁作为锚碇,且称之为锚跨,其中北滘岸锚跨跨径布置为39.64 m+40 m,除承受强大的水平力外,还考虑其承受较大的上拔力。

图1.1.24 佛山平胜大桥（单位：m）

Fig. 1.1.24 FoShan PingSheng Bridge (Unit:m)

图1.1.25 佛山平胜大桥（单位：m）

Fig. 1.1.25 FoShan PingSheng Bridge (Unit:m)

在科学技术高速发展的今天，分析手段也越来越先进和完善，一些新型美观的结构也因此受到设计师们的研究和重视。尽管自锚式悬索桥有着自身的缺点和局限，但在中小跨径上是一种很有竞争力的方案，它会越来越受到人们的重视和欢迎。这种在20世纪曾被忽视很长一段时间的桥型随着社会的进步又得到了人们的重新认识，随着实践经验的逐渐积累，自锚式悬索桥的设计理论和施工方法也将趋于完善，跨越能力也会不断提高，相信在以后会有越来越多的方案倾向于这种桥型。

1.2自锚式悬索桥的结构形式和受力特点

1.2.1自锚式悬索桥的主要结构形式

已建成的自锚式悬索桥按照加劲梁的结构形式和受力特点可分为四类：

（1）钢桁架自锚式悬索桥

其基本特征是采用钢桁架作为加劲梁，钢桁架加劲梁是连续的，以承受主缆传递的压力，加劲梁可做成双层的，供公铁两用，如韩国的永宗悬索桥。采用钢桁架还可通过增加加劲梁的高度来保证桥梁有足够的刚度。广西桂林的丽君桥也属于这类。

（2）钢箱梁自锚式悬索桥

钢箱梁自锚式悬索桥的结构形式有两种，一种是采用刚度较小的流线型扁平翼状钢箱梁作为加劲梁；另一种是采用边主梁加钢横梁结构的钢箱梁。钢箱梁的优点是自重小，抗扭刚度大，具有流线型扁平翼状的钢箱梁受横向风影响小，有利于抗风设计。采用流线型扁平翼状钢箱梁的自锚式悬索桥有长江三汊矶湘江大桥、宁波庆丰桥、绍兴滨海桥；采用边主梁加钢横梁结构的有旧金山－奥克兰海湾新桥、金华康济桥等。

（3）混凝土梁自锚式悬索桥

混凝土材料的造价低，经济适用，自锚式悬索桥主缆的水平分力提供给主梁以“免费”的预应力，可充分利用混凝土抗压性能好的特点。采用混凝土边主梁结构的自锚式

悬索桥有，大连金石滩金湾桥、江山北关大桥、永康溪心桥；采用混凝土箱梁的自锚式悬索桥有，抚顺万新大桥。

（4）钢－混凝土混合梁自锚式悬索桥

利用钢箱梁自重小的优点和混凝土梁造价低的优点，在主跨采用钢箱梁，边跨采用混凝土箱梁，可充分发挥两种材料的优点，使桥梁的结构更合理，并取得最佳的经济效益。采用钢－混凝土混合梁的自锚式悬索桥有淮安京杭运河大桥。

按照缆索系统的结构形式和受力特点，已建成的自锚式悬索桥可分为三类：

（1）直吊杆自锚式悬索桥

吊杆在立面上为竖直分布，施工中吊杆的张拉对相邻吊杆影响大，对相邻吊杆以外的吊杆影响小。绝大多数的自锚式悬索桥采用这种吊杆形式。

（2）斜吊杆自锚式悬索桥

日本的此花大桥是世界上唯一一座采用三角形分布斜吊杆的自锚式悬索桥。其吊杆内力比直吊杆复杂，在吊点处的结构也相对复杂。

（3）异型主缆自锚式悬索桥

随着人们对桥梁外形的美观的要求越来越高，传统的悬索桥外形已经不能满足人们的审美需求，因而出现了在主缆的结构形式上的创新，典型的例子有大连星海湾挑月桥、沈阳蒲河桥方案。其主缆并不是完全支撑在刚性的索塔上，而是各段主缆在空中形成一个或几个力的平衡点。这种结构形式导致了其受力上仅部分继承了自锚式悬索桥的特点，而具有了索网结构的特性。

图1.2.1 大连挑月桥

Fig.1.2.1 Tiao Yue Bridge in Dalian

Fig.1.2.2 Puhe Bridge in Shenyang