悬索桥

在悬索桥中，交通承载甲板由一系列钢丝绳支撑，这些钢丝绳悬挂在悬垂在高塔之间的巨大电缆上。纽约市的布鲁克林大桥和旧金山的金门大桥是最著名的两座悬索桥。日本明石海峡大桥于 1998 年竣工，拥有世界上最长的悬索跨度（支撑塔之间的距离）——6,529 英尺（1,991 米）；整座桥，包括塔楼和海岸之间的部分，总长近 2.5 英里（4 公里）。明石海峡大桥的建设耗时 10 年，耗资 36 亿美元，仅涉及 6 人受伤（无死亡）。一个世纪前，布鲁克林大桥的建造耗时 1600 英尺（490 米），耗时 14 年，造成 27 人丧生。

背景

悬索桥是人类最早设计的类型之一。最原始的版本是一条连接峡谷两侧的藤绳；一个人通过挂在绳子上并拉着自己走过去，手拉手。这种原始的桥梁——有些长达 660 英尺（200 米）——仍在印度农村等地区使用。更复杂的设计包括一个人可以在上面行走的平面，有时需要藤蔓扶手的帮助。

到了 8 世纪，中国的桥梁建设者通过在成对的铁链之间铺设木板来建造悬索桥，基本上提供了一个靠在电缆上的灵活的桥面。在随后的几个世纪里，世界各地都建造了类似的桥梁。但现代悬索桥的时代直到 1808 年才开始，当时一位名叫 James Finley 的美国人申请了一项系统的专利，该系统将刚性桥面板悬挂在桥梁的缆索上。

尽管芬利建造了十几座小桥，但第一座采用他的技术的主要桥梁是由托马斯·特尔福德在英格兰的梅奈海峡建造的。它于 1825 年竣工，拥有高 153 英尺（47 米）、长 1,710 英尺（521 米）、跨度 580 英尺（177 米）的石塔。这条 30 英尺 (9 m) 宽的道路建在一个由铁链索悬挂的刚性平台上。这座桥仍在使用中，尽管铁链在 1939 年被钢筋链节取代。

另一位美国人约翰·罗布林 (John Roebling) 在 1800 年代中期对悬索桥设计进行了两项重大改进。一种是用桁架（用斜梁交叉支撑的水平和垂直梁阵列）加强刚性甲板平台。经验表明，风或有节奏的交通荷载可能会使刚度不足的甲板产生振动，从而失去控制，甚至将桥梁撕裂。

Roebling 的另一项重要创新涉及桥梁支撑缆索的建造。大约在 1830 年，法国工程师已经证明，由多股线组成的电缆比链条更适合悬挂桥梁。 Roebling 开发了一种方法来“旋转”或构建桥上的电缆，而不是运输笨拙的预制电缆并将它们劳作到位。他的方法仍然普遍（虽然不是唯一）用于新的桥梁。

悬索桥的历史上到处都是成功的桥梁的例子，当有远见的工程师提出这些成功的桥梁时，人们普遍认为这些例子是不可能的。一个例子是 1851 年至 1855 年间在尼亚加拉河峡谷上建造的罗布林铁路桥。作为第一座桁架式悬索桥，它由四根 10 英寸（250 厘米）直径的缆索支撑在石塔之间。建成 40 年后，这座桥成功地承载了设计重量 2.5 倍的交通量；那时它已退役并被拆除。

一名钢铁工人躺着的索代表着华盛顿州新塔科马纳罗斯大桥的悬索1949 年 10 月 21 日。

塔科马海峡大桥是世界上第三大悬索桥，在 1940 年 11 月 7 日星期六倒塌时只有五个月的历史。中心跨度为 2,800 英尺（853.4 米），在两座 425 英尺（129.5 米）之间延伸) 高塔，而每个侧跨的长度为 1,100 英尺 (304.8 m)。悬索从塔上悬挂下来，并锚定在 1,000 英尺（304.8 m）处，朝向河岸。设计师 Leon Moisseiff 是世界上最重要的桥梁工程师之一。

Moisseiff 的意图是在高塔之间产生一个非常细长的甲板跨度，轻轻拱起。他的设计将缆索悬挂原理与钢板加劲肋的梁设计（沿道路一侧延伸）相结合，其流线型仅为 8 英尺（2.4 m）深。

这座价值 640 万美元的桥梁被那些经历过其奇怪行为的人戏称为“Galloping Gertie”。被迫忍受甲板上下起伏的波动，工人抱怨晕船。开幕后，即使在微风中也成为驾驶者穿越的一项具有挑战性的体育赛事，关于晕船的投诉变得普遍。

州政府和收费桥管理局的工程师对仅 39 英尺（1 1.9 m）宽的细长双车道跨度的行为感到非常紧张。它相对于跨度长度（8-2,800 英尺 [2.4-853.4 m]）较浅的深度导致比率为 1:350，几乎是金门大桥或乔治华盛顿大桥的三倍。工程师尝试了多种方法来稳定振荡，但都没有奏效。

证人包括收费桥管理局主席肯尼斯·阿金和法夸尔森教授。到 10:00，Arkin 看到风速从每小时 38-42 英里（61.1-67.6 公里）上升，而甲板在一分钟内上升和下降 3 英尺（0.9 米）38 次。他和法夸尔森停止了交通。

报社记者伦纳德·科茨沃斯 (Leonard Coatsworth) 由于起伏不定而无法继续行驶，因此将汽车弃在桥中间。他短暂地转过身，想起女儿的爱犬在车里，却被他的手和膝盖摔倒了。到 10 点 30 分，吊索开始撕裂，甲板破裂，科茨沃斯的车被抛入水中。半个小时之内，甲板的其余部分一片一片地倒塌。

研究扭曲桥梁问题的工程师能够解释说，风不会一直以相同的角度、相同的强度撞击桥梁。例如，从下方吹来的风会抬高一侧的边缘，向下推另一侧的边缘。甲板，试图自己拉直，向后扭曲。重复的扭曲幅度增加，导致琴桥向不同方向摆动。风行为的研究发展成为一门完整的工程学科，称为空气动力学。最终，没有在风洞中测试模型，就不会设计任何桥梁、建筑物或其他暴露的结构。随着图形功能的发展，现在有些测试是在计算机上完成的。

1869 年，罗布林在勘察他设计的布鲁克林大桥的场地时意外身亡。他的儿子华盛顿罗布林在接下来的 14 年里建造了这座著名的建筑。这是第一座使用钢索而不是锻铁（一种相对较软的铁，虽然热，但可以通过机器或锤击成型）制成的缆索的悬索桥。四根 16 英寸（40 厘米）直径的电缆中的每根都由 5,000 多股平行钢丝组成。建成一个多世纪后，布鲁克林大桥承载着沉重的现代交通。

约瑟夫·施特劳斯 (Joseph Strauss) 于 1933 年至 1937 年在金门（旧金山湾口）上建造了另一座具有里程碑意义的悬索桥。金门大桥长 6,450 英尺（1,966 米），主跨度为 4,200 英尺（1,280 米）。它的两座塔高 746 英尺（227 米）；它们支持两条 7,125 吨（650 万公斤）的电缆，其中包含总共 80,000 英里（129,000 公里）的钢丝。尽管采取了严格的安全预防措施，但仍有 11 名工人死亡；施工期间悬挂在桥面下方的安全网挽救了 19 人——这一创新成为后来桥梁项目的标准。

美国最著名的桥梁故障之一是 1940 年华盛顿州普吉特湾塔科马海峡大桥的倒塌。然后是世界上第三长的悬索桥，它的设计非常圆滑。仅够两条车道和人行道的宽度，跨度为 2,800 英尺（853 m）长。甲板没有用桁架加固，而是用两根仅 8 英尺 (2.4 m) 高的钢梁加固，并用一些交叉支撑将它们连接起来。这种设计不仅提供的刚度低于桁架，而且还允许风对结构施加强大的力，而不是无害地通过开放的桁架布置。建成四个月后，这座桥被设置为以 42 英里/小时（68 公里/小时）的风速增加振荡的模式，并自行撕裂。十年后建造的替换桥的设计采用了用 33 英尺 (10 m) 厚的钢桁架加固的桥面。

原材料

悬索桥的许​​多部件都是由钢制成的。用于使甲板刚性的梁就是一个例子。钢也用于鞍座或开放通道，电缆放置在悬索桥的塔顶上。

当钢被拉（拉伸）成线材时，其强度增加；因此，相对灵活的钢丝束比相同直径的实心钢筋更坚固。这就是使用钢缆来支撑悬索桥的原因。为明石海峡大桥开发了一种新型硅强化低合金钢；其抗拉强度（抗拉力）比任何以前的钢丝配方高 12%。在一些悬索桥上，形成缆索的钢丝已经过镀锌（涂锌）。

大多数悬索桥的塔由钢制成，但也有一些是用钢筋混凝土建造的。

设计

每座悬索桥都必须单独设计，以考虑许多因素。例如，场地的地质为塔和电缆锚固提供了基础，并且可能容易受到地震的影响。被桥接的水的深度和性质（例如淡水或咸水，以及水流的强度）可能会影响物理设计和材料的选择，例如钢的保护涂层。在通航水域，可能有必要通过在其底部建造人工岛来保护塔免受可能的船舶碰撞。

自塔科马海峡大桥灾难以来，所有新的桥梁设计都通过在风洞中放置比例模型进行了测试，就像金门大桥的设计一样。例如，明石海峡大桥建造了世界上最大的风洞，以测试 1/100 比例的桥段模型。

在很长的桥梁中，在设计塔架时可能需要考虑地球的曲率。例如，在纽约的 Verrazano Narrows Bridge 中，这些塔高 700 英尺（215 米），相距 4,260 英尺（298 米），顶部相距约 1.75 英寸（4.5 厘米）。底端。

制造
过程

悬索桥的建造涉及三个顺序的建造 立于水中的塔式结构以沉箱（钢和混凝土圆柱体作为圆形水坝）开始它们被降低到水下的地面，排空水，并填充混凝土，为实际的塔做好准备。主要组成部分：塔架和电缆锚固、支撑电缆本身和甲板结构。

塔式建筑

• 1 塔基础是通过挖掘到足够坚固的岩层来准备的。有些桥梁的设计使它们的塔架建在旱地上，这使施工更容易。如果一座塔要立在水中，那么它的建造开始于将沉箱（一个钢和混凝土圆柱体，用作圆形障碍物）降低到水下的地面；从沉箱内部去除水允许工人在没有实际在水中工作的情况下挖掘基础。开挖完成后，形成并浇筑混凝土塔基础。
• 2 施工细节因每座独特的桥梁而异。以明石海峡大桥为例。它的两个钢塔中的每一个都由两根柱子组成。每列由 30 个垂直块（或层）组成，每个块（或层）为 33 ft (10 m) 锚固——支撑桥梁电缆的结构——是牢固地附着在坚固岩层上的巨大混凝土块。当塔和锚点完工后，必须沿着电缆的最终路径串起一条引导线，从一个锚点穿过塔架到另一个锚点。高;这些块中的每一个依次由三个水平部分组成。位于柱子之间的起重机将每根柱子上的三个部分提升到位，完成了一层。在每根柱子上完成一个块后，“自举”起重机被提升到下一层，在那里它将下一层的部分提升到位。在适当的间隔，在柱子之间添加斜撑。

锚固施工

• 3 锚固是用于固定桥梁缆索末端的结构。它们是巨大的混凝土块，牢固地附着在坚固的岩层上。在锚固施工过程中，将坚固的眼筋（一端带有圆孔的钢筋）嵌入混凝土中。安装在锚点前面的是一个喷鞍，它将在单独的线束（参见步骤 5）散开的点支撑电缆——每个线束将固定在锚点的一个眼杆上。

电缆结构

• 4 塔架和锚点完工后，必须沿着电缆的最终路径从一个锚点穿过塔架连接到另一个锚点。可以使用多种方法来定位先导管线。例如，对于尼亚加拉河大桥，Roebling 向第一个可以放风筝的年轻人提供了 10 美元的奖励，他们在峡谷中连接了一条引航线以建立连接。今天，可能会使用直升机。或者，这条线可能会被船穿过广阔的区域，然后被提升到位。引导线就位后，会为桥梁的整个长度建造一条走道，位于引导线下方约 3 英尺 (1 m) 处，因此工人可以参与电缆的形成。
• 5 要开始旋转电缆，将一大卷线材放置在锚固处。金属丝的自由端环绕着一个钢绞线靴（一个固定在眼杆上的钢槽）。在线轴和绞线靴之间，线绕在安装在引导线上的纺车上。这个轮子将金属丝带过桥的路径，金属丝在另一个锚点处绕着一个钢索鞋；然后轮子返回到第一个锚点，将另一条钢绞线放置到位。重复该过程，直到形成一束所需数量的线股（从大约 125 股到 400 多股不等）。在纺纱过程中，站在T台上的工人确保钢丝顺利展开，消除任何扭结。当线轴用完时，线的末端从新线轴连接到线，形成连续的股线。当束足够厚时，每隔一段时间使用胶带或线带 一旦垂直电缆连接到主支撑电缆，甲板结构必须从两个方向建造以正确的速度支撑塔，以保持塔上的力始终平衡。一台移动的起重机将甲板部分提升到位，工人将它们连接到先前放置的部分和悬挂在主悬索上的垂直电缆。将电线保持在一起。从线轴上掉下来的线被切断并固定在锚固上。然后该过程再次开始用于下一个包。

  完整电缆所需的束数各不相同；金门大桥为 61 根，明石海峡大桥为 290 根。 纺出合适的数量后，使用特殊排列的径向千斤顶将线束压缩成紧凑的电缆，并包裹钢丝周围。钢夹以预定的间隔安装在电缆周围，作为垂直电缆的锚固点，将甲板连接到支撑电缆。

甲板建设

• 6 垂直缆索连接到主支撑缆索后，可以开始甲板结构。该结构必须以正确的速率从支撑塔的两个方向建造，以始终保持塔上的力平衡。在一项技术中，在主悬索上滚动的移​​动起重机将甲板部分提升到位，工人将它们连接到先前放置的部分和从主悬索悬挂的垂直缆索上，从而延长完整长度。或者，起重机可以直接停在甲板上，并随着每个部分的放置而向前移动。

整理

• 7 甲板结构完成后，用基层（例如钢板）覆盖并铺砌。油漆钢表面和安装照明电线是其他完成步骤的例子。此外，正在进行的维护程序开始。例如，17 名铁工和 38 名油漆工每天继续在金门大桥上工作，更换腐蚀的铆钉和其他钢部件，并修补保护桥梁的油漆。

未来

每座悬索桥都设计独特，兼顾功能和美学。可以使用甚至开发新材料，使桥梁体积更小，效率更高。创新的设计师有时会为他们的挑战创造不同寻常的解决方案。例如，1998 年批准的设计用于取代因 1989 年地震而严重受损的旧金山-奥克兰海湾大桥东跨，是一座仅由一座塔支撑的悬索桥。它的主缆不是锚固在上述大型锚固点中，而是锚固在桥梁本身的桥面支撑结构中。

也许目前正在开发的新悬索桥最雄心勃勃的计划是连接西西里岛和意大利大陆的计划。由于支撑塔必须建在墨西拿海峡的对岸，因此主跨度将达到 9,500-10,800 英尺（2,900-3,300 米）长。一种提议的设计使用 1,312 英尺（400 米）高的塔。开发商希望在 2006 年建成这座桥。