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悬索桥的发展与设计计算理论 （建筑之家） 摘要：本文先介绍了现代悬索桥的发展历史，而后主要从悬索桥理论发展入手,介绍了弹性理论、挠度理论、有限位移理论的基本原理,并通过对三者的比较分析,说明了在现今计算机高速发展和应用的背景下,有限位移理论是对悬索桥结构进行分析的最适合的理论。 关键词：悬索桥；弹性理论；挠度理论；有限位移理论 我国四川省的灌县早在前年之前就出现了竹索桥。17世纪出现铁链作悬索的桥梁，我国四川省大渡河上由9条铁链组成的泸定桥是在1 706年建成的。19世纪时又发展为采用眼杆与销铰作悬链的桥梁。英国1826年建成的跨度为177m的麦地海峡桥；1864年建成的跨度为214m的克利夫顿桥都是属于这种形式，这两座古老的悬索桥至今尚在使用。利用钢缆绳、钢铰线秘钢丝等现代钢材来制造的悬索桥则基本上是进入20世纪后才开始出现的。 现代悬索桥的发展迄今出现了四次高峰。在第一次与第二次高峰之间的20世纪40年代．因美国塔科马老桥的风毁事故．夫跨度悬索桥的修建停顿了约有10年之久。但在此期间由手悬索桥的抗风设计，引入了风洞试验雨使悬索桥的发展在20世纪50年代得到复苏，并分别在60年代与80年代进式第二次与第三次高峰。进入90年代之后，在全球范围随又出现新的建设高峰。即目前的第四次高峰。以下对四次高峰，包括挫折期与复苏期．分别作概略的叙述。 1883年在纽约建成的主跨为486m的布鲁克林桥是美国，也是世界首座跨度较大的悬索桥。此桥除了具备现代悬索桥的缆索体系外．还混有若干加强的斜拉索。因此，严格地说，它不是一座纯粹的悬索桥。首先是1903年建成的主跨为488m的威廉姆斯堡，其次是1909年建成的主跨为448m的曼哈顿桥。这两座桥都是纽约市区跨越东河．并且都是在空中甩编丝轮将钢丝编拉后组成主缆的。这种在空中编丝成缆的方法被称为空中编缆法．简称AS法。 而悬索桥的发展又离不开与其密切相关的计算理论的发展。悬索桥的计算理论也已有上百年的历史,它随着时代的发展与科学技术的进步,特别是二次世大战以后的电子计算机技术的发展,有着非常大的演变与发展。19 世纪末至上世纪初的悬索桥早期的计算是采用弹性理论来进行的。当时世界上跨度最大的布 鲁克林(Brooklyn) 桥为代表的许多美国的悬索桥都是以这个设计理论来进行计算的。从上世纪初到上世纪80 年代前后,悬索桥的计算改用挠度理论来进行。最早采用这个计算理论来进行设计的是1909 年建成的美国纽约跨越东河的曼哈顿(Manhat tan) 桥。从此之后,挠度理论一直被应用于大跨度悬索桥的设计计算,包括一些跨度超过1000m 曾打破世界跨度记录的金门大桥等。从80 年代前后开始,由于电子计算机得到高速的发展和广泛的应用,为了更快速和更精确她来分 析结构地受力行为,所有现代用于结构分析的计算理论都要求能使用电子计算机来进行。因此,悬索桥的计算分析也不例外,开始出现了有限位移理论。 1，现代悬索桥的发展简史 20世纪40年代悬索桥发展史上的挫折 进入40年代后，美国悬索桥的步子放慢了，这是由于塔科马老桥的风毁 事故造成的。1940年在华盛顿州建成主跨为853m的塔科马老桥．此桥的加劲梁不是钢桁梁而是下承式钢板梁。由于加劲梁断面抗风稳定性差，在建成当年的11月7日近中午的时候被风吹断。 20世纪50年代悬索桥发展的复杂局面 1940年塔科马老桥发生事故之后．在美国乃至世界各国对悬索桥建设事业的发展整整停止了10年之久。但以此为转机，成立了塔科马桥的事故调查委员会，经过利用风洞进行三维模型试验，肯定了无衰减的反复力逐渐累积起来以后可以发生极度的共振乃至破坏。1950年按原有跨度重建塔科马新桥。在新桥的设计中，对力13劲梁利用风洞试验作了反复的研究比较后．决定将加劲梁改为钢桁梁．梁的高跨比从1／350提高到1／85、宽跨比从1／72提高到1／47，并在桥面部分开有若千带状孔隙．以进一步改善抗风性能。通过塔科马新桥的设计，悬索桥的模型风洞试验从此在设计中成为必要的手段。 50年代中，美国克服了风灾挫折后重整旗鼓再度致力于修建大跨度悬索桥。1951年首先于威明登建成主跨为655 m的特拉华纪念桥。1957年又建成主跨为1158 m的麦基纳克湖口大桥和主跨为610 rn的华尔特.惠斯曼桥。 在吸取塔科马老桥惨痛教训的同时．美国还重新检查了一些在30年代所建悬索桥的抗风能力。为了提高安全度，将加劲桁粱的离跨比与宽跨比分别为1／68与1似7的金门大桥的横联作适当加固，还将布朗克斯-惠斯登桥的高跨比仅为1／200的加劲梁钢板梁改造为1／92的钢桁梁。以上的重建。加固与新建形成了悬索桥复杂的局面。 20世纪60年代欧美的悬索桥 进入60年代后，美国首先在1960年于纽约的圣.劳伦斯河上建成跨度655m的Seaw