陳 新 陳陸杰

（鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

橋梁纜索材料的發(fā)展與前瞻

陳 新 陳陸杰

（鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

隨著大跨度橋梁建設(shè)的日益加大，斜拉橋以及懸索橋等依托纜索受力的橋梁也越來越多地運(yùn)用到交通運(yùn)輸中，而索橋中受力的關(guān)鍵材料——纜索材料也在不斷被人們賦予新的性能和含義。本文將對傳統(tǒng)纜索材料和現(xiàn)代纜索材料進(jìn)行性能和受力的比對分析，并結(jié)合建設(shè)實(shí)例總結(jié)現(xiàn)代建筑材料的發(fā)展，并基于對傳統(tǒng)材料、現(xiàn)代材料的對比認(rèn)識，對纜索材料的未來發(fā)展做簡單的展望。

橋梁；纜索；斜拉橋；懸索橋；現(xiàn)代材料

索橋，也稱吊橋，是利用鐵鏈、皮繩、竹索或藤索等材料作為受力骨干相拼懸吊而起的橋梁，多建于水流湍急或橋墩建設(shè)不便的地區(qū)。始見于秦漢，如秦李冰曾在四川益州城西南建成的一座笮橋，又名“夷里橋”，便是座竹索橋。對索橋而言，纜索材料的性能直接影響到索橋的跨度、施工難度、使用壽命。本文旨在通過對索橋纜索材料的敘述，探究其性能發(fā)展，并對未來做出展望。

1 纜索材料的性能及其發(fā)展

纜索材料在索橋中的應(yīng)用，主要集中在對橋面的承拉上，運(yùn)用傳統(tǒng)纜索材料例如竹索、鐵索的橋梁，主要利用其優(yōu)良的抗拉特性。對于竹索和藤索而言，受拉性能較差，局限于長度不大，同時承載物質(zhì)量較小，受拉強(qiáng)度要求較低的情況，其運(yùn)用已經(jīng)基本退出現(xiàn)代交通運(yùn)輸；對于鐵索而言，其受拉性能較好，相對于竹索和藤索已經(jīng)有了革命性的發(fā)展，但其應(yīng)用仍然較為局限。

隨著社會的發(fā)展，人們對橋梁的跨度有了更高的要求，與此同時，人們對索橋中纜索材料的性能也有了更高的要求。以熱鍍鋅高強(qiáng)度鋼絲、鋼絞線、鋼絲繩為代表的鋼材料逐漸成為纜索材料的主力軍。其具有高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力、不需接頭和焊接等性能，并逐漸向更高技術(shù)、高質(zhì)量、高效益發(fā)展。

2 傳統(tǒng)纜索材料在索橋中的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)索橋的基本形式。傳統(tǒng)的索橋主要以吊橋?yàn)橹?，主要由橋塔（包括基礎(chǔ)）、主纜、錨碇、吊索及橋面結(jié)構(gòu)等組成。由于材料的性能、建設(shè)條件和施工工藝的限制，傳統(tǒng)索橋跨度不大，以竹索、藤索作為纜索材料的索橋難以承載重物；以鐵索作為纜索材料的索橋，其后期的維護(hù)工程需要投入較多精力。

2.2 竹索在索橋中的應(yīng)用?？偨Y(jié)古代索橋，不難看出，其運(yùn)用的地方多在山區(qū)峽谷或者地形突變地段，索橋的建設(shè)適應(yīng)了地區(qū)橋墩建設(shè)不便的特點(diǎn)，同時其材料在橋梁結(jié)構(gòu)中承受簡單的拉力。為了使竹索具有足夠的抗拉性能，在節(jié)點(diǎn)上，大多采用多種固定結(jié)合的方式。在吊索的處理中，盡量使吊索豎直、均長且每根吊索都能充分發(fā)揮它的作用。在橋梁做成后，承受多吊索的拉力，類似于現(xiàn)代橋梁中的懸索橋。在外界力的作用下，主纜會明顯承擔(dān)巨大的剪力，故對主纜的要求非常高。因而以竹索為纜索主要材料的索橋需要將纖維材料加固，或者對其節(jié)點(diǎn)處做減小剪應(yīng)力的處理。

2.3 鐵索在索橋中的應(yīng)用。鐵索橋的出現(xiàn)較竹索橋、藤索橋較晚。隨著工業(yè)社會的發(fā)展和對鐵的大量應(yīng)用，鐵因?yàn)檩^為優(yōu)異的抗拉性能，被廣泛運(yùn)用到索橋材料中。采用彎折的鐵棍或采用鐵環(huán)方式，均可以較為方便地在橋梁上進(jìn)行設(shè)置。

3 現(xiàn)代纜索材料在索橋中的應(yīng)用

對于斜拉橋，索塔兩側(cè)是對稱的斜拉索，通過斜拉索將索塔主梁連接在一起。假設(shè)索塔兩側(cè)只有兩根斜拉索，左右對稱各一條。這兩根斜拉索受到主梁的重力作用，對索塔產(chǎn)生兩個對稱的沿著斜拉索方向的拉力。根據(jù)受力分析，左、右兩邊的力均可以分解為水平向的一個力和豎直向下的一個力。由于這兩個力是對稱的，所以水平向左和水平向右的兩個力互相抵消了，最終主梁的重力成為對索塔的豎直向下的兩個力，這樣，力又傳給索塔下面的橋墩了。斜拉索數(shù)量再多，道理是一樣的。之所以要很多條，主要是為了分散主梁給斜拉索的力。

對于懸索橋，其中自錨式懸索橋的上部結(jié)構(gòu)包括：主梁、主纜、吊桿、主塔四部分。傳力路徑為：橋面重量、車輛荷載等豎向荷載通過吊桿傳至主纜承受，主纜承受拉力，而主纜錨固在梁端，將水平力傳遞給主梁。由于懸索橋水平力的大小與主纜的矢跨比有關(guān)，所以可以通過矢跨比的調(diào)整來調(diào)節(jié)主梁內(nèi)水平力的大小。一般來講，跨度較大時，可以適當(dāng)增加其矢跨比，以減小主梁內(nèi)的壓力；跨度較小時，可以適當(dāng)減小其矢跨比，使混凝土主梁內(nèi)的預(yù)壓力適當(dāng)提高。由于主纜在塔頂錨固，為了盡量減少主塔承受的水平力，必須保證邊跨主纜內(nèi)的水平力與中跨主纜產(chǎn)生的水平力基本相等，這可以通過合理的跨徑比來調(diào)節(jié)，也可以通過改變主纜的線形來調(diào)節(jié)。另外，自錨式懸索橋中的恒載由主纜來承受，而活載還需要由主梁來承受，所以主梁必須有一定的抗彎剛度，主梁的形式以采用具有一定抗彎剛度的箱形斷面較為合適。結(jié)合纜索材料在現(xiàn)代索橋中的受力特點(diǎn)，可以看出，對現(xiàn)代纜索材料提出了高的要求，包括更高的強(qiáng)度、更好的穩(wěn)定性、更優(yōu)異的抗拉性能。這也就使得以高強(qiáng)度鋼絲為代表的鋼絲制品成為纜索材料的主力軍。鋼絲索、鋼絞線索、鋼絲繩索以及不同受力、不同構(gòu)造位置的應(yīng)用纜索材料，提供了更優(yōu)異的材料性能，為纜索橋梁跨度的進(jìn)一步提升提供了可能。

4 對纜索材料的展望

纜索材料作為索橋結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其抗拉強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐腐蝕性等性能一直是關(guān)注的焦點(diǎn)。未來纜索材料的發(fā)展，以研發(fā)抗拉性能更加優(yōu)異的纜索為主，同時積極探索抗腐蝕性及穩(wěn)定性能更為優(yōu)越的基礎(chǔ)材料；纜索結(jié)構(gòu)方面，截面設(shè)計(jì)會做更多力學(xué)突破；就索橋整體而言，纜索材料也將更注重性能與橋梁的整體配合，力求在智能化及適配化上取得新突破。

[1]葉覺明.大跨度橋梁纜索結(jié)構(gòu)對鋼絲及其制品的技術(shù)要求[J].金屬制品，2009，35（4）：58-62.

[2]徐文雷，欒佰峰等.橋梁纜索用超高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲的研制[J].金屬制品，2010，36（2）：27-31.

TU599

A

1671-0037（2014）07-32-1

陳新（1992-），男，在讀本科。