力学发展史简介

作为世界建筑历史上不可或缺的一部分，桥梁建设一直在连通河流和天堑两岸上，起着不可替代的作用。由于其自身的特点，任何的桥梁都可以称作是力学的杰作。

有一种桥梁结构更是把力学利用到了极限，这种桥梁出现在在2000多年前名为笮桥，最初大多使用竹篾或藤蔓为材料，如今由此发展而来的悬索桥成为了一种主流桥梁结构。

随着科技的发展，现在的悬索桥上已经用上了上万吨重的主缆，而据说这样的钢缆在设计之初，就定下了一个世纪之久的使用寿命，可谓是令人惊讶的技术进步了。

悬索桥的发展史

金属冶炼技术的进步，催生了在悬索桥应用材料上的改进。我国修建于1700年代的泸定桥和1810年腾普曼设计建造的长跨度铁链桥，成为最早的悬索桥代表作。

1823年，法国人纳维尔提出了十分重要的悬索桥力学公式，为世界桥梁建造起到了主要的奠基性作用。此举也促使该时期的法国涌现出使用这一理论建造的大量悬索桥。

这个现在几乎已经成为常识的，悬索桥的稳定性取决于桥梁重量和跨度的理论，不但短时间内帮助法国建设了数百座大桥，还传播到整个欧洲惠及英，美等国。

美国人把这一理论发扬光大，建成了当时震惊世界的金门大桥。该桥建成于1937年，这条横跨金门海峡的桥梁跨度达到了1000米以上，宽度更是近2000米。

金门大桥一经建成就创下了当时“跨度最大”的记录，且将这个记录保持了27年之久。直到1964年，该记录被同为美国境内的维拉扎诺海峡桥打破为止。

如今这些著名桥梁中的大部分，仍然处于被使用的状态，而且大部分悬索桥的预估寿命，基本上都可以达到100年以上，那么究竟是什么促成了设计者们拥有如此的信心呢？

悬索桥能够使用百年以上的前提条件，首先自然是其主要承重部分——主缆的质量保障。从悬索桥的结构上来看，它主要包含主梁，主缆和锚锭，索塔等部分。

其中主缆可以看做是一个单独的部分，也是整个桥梁系统的核心。除了钢缆主体外，还包括了索夹，索鞍等辅助部分，甚至锚锭和索塔也是为其服务的。

如果近距离观察主缆的横切面，会发现它并非是由多根直径仅有5mm的钢丝组成的“微型钢缆”压制而成。尽管主缆截面外表上看起来是圆形的，但其实其内部是一个个的六边形结构。

这种类似于蜂巢式的结构，同样是一个力学结构的应用。这样的构造有利于承压和在多种外作用力的影响下，尽量保证钢缆本身结构的稳定。

要想承担起上千米跨度的桥体和通行其上交通工具带来的恐怖拉力，普遍的悬索桥主缆的重量同样恐怖。那么这样一条动辄上万吨的钢缆制品，又是怎样架设到桥上的呢？

主缆架设

提到钢缆架设，就不得不提到一个重要的悬索桥独有结构——猫道。以位于我国湖南省襄阳市的庞公大桥为例，在超700米的横跨长度上，就带有四跨连续的缆体猫道结构设计。

其中位于主缆中心线下方，在上下游方向各设有一条猫道，每条猫道对称的轴线布置了数道承重索，扶手索和门架承重索。

虽然猫道的建设是为了牵引主缆而存在的，但首先需要解决的显然是猫道建设时的牵引系统建设。由于缺少凭依，猫道建设时大多采用单线往复式的牵引系统。

当猫道建成，门架承重系统可以使用后，在主缆架设时则多采用门架往复式牵引系统了。所谓的往复式牵引，即使用卷扬机直接引动牵引绳，并在两端往复式卷动安装的过程。

猫道建设初期，牵引系统大部分用于猫道的承重索，门架承重索，栏杆绳和扶手绳的架设工作。需要注意的一点是，在假设猫道承重系统时，需要控制拉力保障中跨通航净空。

而在主缆架设阶段，由于有了猫道的配合，位于两岸的卷扬机就可以开始工作了。其中一台主要卷扬机位于发起岸，而另一面除了副机外，还兼具放索机构安装的作用。

牵引所将通过两岸间的转向滑轮，经由拽拉器连通主，副卷扬机，这条牵引最终会安装在猫道门架导轮组上，成为主缆架设的主要牵引系统，待索股滚筒安装完毕后即可开始架设。

主缆正式施工开始后，首先将主缆的索股用履带吊放入索机构内，并将其前端的锚头和拽拉器牢牢连接。当牵引卷扬机开始工作时，索股将沿猫道一步步被牵引放出。

在此过程中，将有相关人员跟随拽拉器和锚头运行进行监督，并失事指挥和调整卷扬机的牵引速度，以保证整个过程无间断的高速平稳进行。

通常这个速度需要保持在分均速20米左右，一旦速度过快则可以通过塔顶的导轮组进行减速，以避免导轮组受到的冲击力过大，导致过度的磨损造成破坏。

当锚头被牵引至彼岸的时候，另一侧的履带吊需要重复将锚头取出，牵引至前锚面的过程。这个过程因为需要将重量惊人的锚头取下，所以需要通过汽车吊的辅助。

锚头解除了和拽拉器的连接以后，将会被缓慢放入锚杆当中。当索股整体准确的进入预定轨道以后，卷扬机就将开始工作，使两端的锚头都与锚杆连接，并暂时固定。

暂时的固定只是完成了工程的大半工序，接下来还需要通过其他设备调整索股的线型，并进行精确地测量和调整。当一切与设计对应无误后，才可以最后的定性并加以稳固。

如果需要后续的牵引，则需要将拽拉器牵引回主岸，并重复以上的过程，按照大部分的悬索桥的建造经验，往返上百次基本上已经是很平常的事情了。

如此复杂且耗时的桥梁建设，又是如何保障其使用周期的呢？

后期的检修和维护

再结实的部件要想长时间稳定工作的话，势必需要定期的维护和检修。悬索桥的缆索系统同样如此，由于外部环境的变化，和日渐繁重的交通压力，都间接的减少着它的寿命。

无论中外均发生过由于缆索失效导致惨剧的新闻，对于一种以缆索拉力为主要桥梁维系系统的建筑来说，缆索出问题往往意味着生命和财产的危险。

大部分情况下，悬索桥主缆遇到的常见问题有低温导致的结冰，主缆表面涂层失效，进而导致的主缆钢丝锈蚀等问题，而仅腐蚀一项就包括应力，电化学和疲劳等原因引起的腐蚀。

尤其需要注意的是，在主缆的制作，运输和存储，施工等过程中，任何不经意间的微小失误，都可能造成缆索内部深入水分或者水汽。

如果恰好钢缆表面的防护层破损，那么这些腐蚀性液体就会迅速深入内部，并且无法从表面上看出来。然而这样的主缆一旦假设完成，通常会快速的在内部腐蚀变质。

另外，当外部环境位于城市之中，收到汽车尾气和工厂气体的侵蚀时，同样造成主缆钢丝的腐蚀。这样的腐蚀将引起其抗拉强度降低，应力增大，主缆钢丝的金属疲劳程度也会加快。

1962年委内瑞拉的马拉开波桥，由于技术水平有限在钢索表面并没有做太多的防腐处理，仅使用了简单的亚麻油防锈，并在其上喷涂甲板漆覆盖。

不久后由于雨水的侵蚀，很快拉索与锚箱先后出现生锈现象，部分钢丝出现断裂。为了保障安全委内瑞拉人不得不替换所有的钢索且表面镀锌，仅这一项就花费了数千万美元。

2005年，我国对于通车时间不久的江阴大桥进行养护检测时发现，该桥有近九成的吊索内部有渗水现象。如果不及时解决，这座大桥的使用寿命将会大大减少。

于是在同年九月，江阴大桥主缆的重点防护工程启动。在这次工程中采用了新的方案，即清理主缆表面之后使用刮涂后硫化橡胶的方式阻断侵蚀，且这样的过程反复进行了四次。

当主缆表面的橡胶硫化后，自然而然形成了防水层，这种橡胶在防水性超越一众防水涂料的同时，也避免了外层涂料自身对钢缆造成的腐蚀作用。

未来更新的桥梁防腐材料必将继续涌现，在它的协助下悬索桥的适用场合和范围，也必将继续扩大。

结语　

悬索桥作为诞生时期早，在新时期新技术的支持下换发清楚的主要桥梁建筑，是我国乃至世界建筑行业的一个瑰宝，而参与桥梁建设和施工的从业者，更是值得敬佩的一群人。　

参考资料：

1《悬索桥牵引系统设计及施工技术应用》

2《大跨度钢桁加劲梁悬索桥结构分析与设计优化》

3《悬索桥主缆腐蚀问题浅析》

4《大跨悬索桥主缆防护的分析研究》

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