桥梁索结构的理论与实践 0830zg59Word文档下载推荐.docx
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动力学方面，弦振动理论是最基础的内容。
但对于斜拉索和悬索桥主缆，由于垂度这种自重效应不可忽略，使得悬链线振动理论发展起来，这是桥索动力学理论发展的一个方面，即桥索自身振动理论的深化方面，这方面的发展还有索结构的非线性大变形振动理论；
动力学发展的另一方面则是强迫振动及其振动控制，这方面的理论和技术发展着重于解决各种因素激发的桥索振动问题，而振动总是带来诸如桥索结构损伤、疲劳、防护或锚固失效等危及桥梁安全的后果。
由此可见工程实际问题对科学技术发展提出的实在要求。
耐久性方面，和人以及其他事物一样，桥索也有一个成住坏空的过程，不能够长生不老，这就使得耐久性成为一个永恒的研究课题。
但是，当前的桥索耐久性研究还远远不是这种永恒意义上的工作。
目前，在我国的桥梁规范体系中，桥索的设计基准期一般只有20年。
设计基准期最长的（苏通大桥斜拉索）也只有50年。
相对于桥梁工程普遍采用的100年设计基准期，桥索耐久性研究必须首先填补这个高达50年～80年的巨大缺口。
这既体现了相关研究的出发点，也体现了这些工作的现实意义。
闻道有先后。
一些过去比较困难的桥索问题现在已为大多数人所掌握和应用。
这一方面是由于计算机和互联网提供了强大的工具，可以帮助许多科技人员更高效率地自我学习提升，并且可以利用强大的软件工具“傻瓜”式地解决问题；
另一方面，工程师越来越硕士化或博士化，不管包括本书作者在内的许多人如何不满于现在的高等教育，这些具有高学历背景的工程师在解决问题的深度方面理应比他们的前辈更为出色。
例如，在过去，静力学方面，确定斜拉索和悬索桥主缆长度就是比较困难的问题，但现在却因为受益于计算软件的应用而变得相对容易多了；
动力学方面，通过振动频率测试来确定长的桥索的张力已经成为普遍的做法，但这些工作的理论性是非常强的，这就对工程师的学术水平提出了更高的要求。
尽管这些问题已经比较彻底地解决了，但将它们汇集在一起进行分析，揭示它们之间的内在联系，则仍然有助于加深读者理解这些问题的深度，并因此能更自如地运用这些理论和工具来解决实际问题。
本书读者
本书主要读者应该桥梁工程师和工程结构方面的研究人员。
当然，由于索桥方面的业主、设计、施工、管养单位以及桥索厂家在工作中时有索桥技术需求，那么，这些单位的相关技术人员、科技骨干和总工程师也是本书的潜在读者。
如果您是桥梁工程师，那么您通过本书可以形成对桥索结构的系统地认识。
您既可以了解斜拉索、悬索桥主缆、拱桥和悬索桥吊杆等桥索结构的总体技术状况，又可以掌握如何处理斜拉索下料长度、悬索桥主缆线性、拱桥短吊杆设计等常见问题的理论解释和实际案例。
相对这两部分内容，书中关于动力学的章节可能会相对困难一些，但如果能坚持读完，则除了大变形非线性振动部分，您完全可以比较轻松地掌握这些内容，并在工作中熟练运用这些知识。
如果您是工程结构方面的研究人员，例如，您正好在研究与桥索相关的课题，那么，本书为您提供了一个相对完整的桥索技术体系，可能收集、查阅和梳理桥梁索结构资料方面为您提供帮助。
本书集成的桥索技术体系不仅包含了桥索科技的现状和历史回顾，涵盖了当前的若干研究进展，而且突出了相关研究面临的难题和未来的挑战。
阅读本书有助于您形成对包括材料、工艺、力学理论、计算方法、工程应用在内的桥索科技工作各个方面系统的初步认识，特别对桥索力学理论的深入理解。
这些认识和理解是解决相关理论或工程问题的必备条件。
主要内容
本书只有大约百分之三十的内容基本上是全新的，而其余大约百分之七十的内容可以在别的相关书籍中找到。
但是只有在本书中，这些在别的相关书籍中可以找到的内容才作为桥索技术这个整体的一个有机组成部分出现，而不是象过去那样零散地分布于多本书籍或一本专著的各个部分当中，服务于其他主题。
同时，收入这些内容可以增强本书的完备性，减少读者翻阅相关书籍的次数，从而提高读者的阅读效率。
百分之三十的全新内容主要集中在第6章和第7章。
这些内容反应了作者和作者所在的研究集体近些年来的研究结果，因此比较新，在其他书中找不到。
本书除绪论外，共有9章。
第7章：
桥梁索结构耐久性。
上一章以悬索桥主缆、斜拉桥拉索、拱桥和悬索桥吊杆这三种索结构为例，介绍了桥梁索结构的材料性能、受力特点、设计流程、制作方法、安装工艺和检测维护技术等内容，有助于读者形成对桥梁索结构的总体认识。
在此基础上，本章引出若干问题，概括介绍这些问题的背景、现状和一些可能的解决办法。
索结构的这些问题总体上可归结为两个方面，一是理论问题，二是材料和制造问题。
在理论方面，本章将分静力学和动力学两节来讨论力学理论问题；
在材料和制造方面，则主要针对钢索耐久性展开论述。
这些问题的阐述有助于读者认识到：
尽管桥梁索结构已经广泛应用于实际工程多年，但仍然存在许多实际问题还没有解决。
既然在实际工程存在需要解决的理论问题或制造问题，那么，必须对相关问题展开研究就是一种自然的结论。
了解本章的内容有助于读者理解作者撰写本书的目的之一，即：
帮助读者了解桥梁索结构相关研究工作的部分进展，并大致知道这些进展对解决相关问题的意义。
本章尽量从工程师的角度来描述这些问题，即使对于理论问题的描述，也尽量采用具有物理或工程意义的文字，尽可能少用或不用数学物理公式，以增强本章的可读性。
至于不可避免的、准确的数学物理公式及其推导过程，将主要集中在本书第4、5、6章等三章中陈述，以满足对索结构数学物理理论有兴趣的工程师或研究人员的需要。
阅读建议
因此比较新，在其他书中找不到。
致谢
作者首先要感谢两个机构为本书提供了最主要的经费支持，它们是：
重庆市科委2003年提供的基础性研究基金和2008年提供的重庆市杰出青年科技基金（基金号：
CSTC,2008BA6039）；
国家自然科学基金委以国家自然科学基金2004年面上（青年亚类）项目“”（基金号：
50308030）和2008年面上项目“”（基金号：
50878220）；
感谢作者工作单位招商局重庆交通科研设计院有限公司及其桥梁工程结构动力学国家重点实验室不仅对作者的研究工作配套了数十万元的经费资助，为相关研究工作提供了独特而强有力的实验条件，还给予作者充分的信任和宽松的学术工作环境；
感谢重庆交通大学为作者提供的作为硕士研究生导师的工作平台；
感谢重庆万桥交通科技有限公司为作者提供试验需要的工程索缆；
感谢美国Lord公司提供拉索减振试验需要的四只磁流变阻尼器。
作者在构思、写作本书和从事本书中相关研究工作的过程中，得到了重庆交通大学的许多研究生的帮助。
他们当中，直接以本书有关内容作为硕士论文研究题目的就有习燕、赵云武、廖渭阳、林坤、谢宜、杨勇、李红、陈粲、燕海蛟等九位研究生；
而在试验和其他方面为本书作出了贡献的还有张春雨、高文军、高波、李伟等许多研究生。
作者或者是或者不是这些富有朝气和热心的研究生们的指导老师，但他们对我都给予了诚挚和重要的帮助。
没有来自这些热情的研究生们的无私帮助，本书的形成不知还要等多少年。
作者还要感谢在招商局重庆交通科研设计院有限公司，在桥梁工程结构动力学国家重点实验室工作的许多同事提供的无私帮助，他们是许晓锋研究员、唐光武研究员、张又进教授级高工、邹小燕教授级高工、袁永明高工、陈彦华高工、赵轶才高工、牛松山副研究员、郑万山副研究员、孟利波博士、高鹏飞技师、涂安富技师等。
第1章索桥概述：
王鹏、郑罡
索桥，又称吊桥，最早可能是由藤索、竹索制成，古书上称为絙桥、笮桥、绳桥，现代学术名称谓之悬索桥。
作为术语，悬索桥对应的英文是SuspensionBridge，这个英文词当中没有“索（Cable）”这个词。
因此，SuspensionBridge的准确翻译应该是吊桥，或者悬桥。
“吊桥”正是民间对悬索桥的俗称，比其学术称谓更能与国际接轨。
我国可能是建造索桥最早的国家，这一点已得到国外同行认可，甚至最开始就是由国外同行提出的。
《中国科学技术史》作者李约瑟写到，中国四川灌县的竹索桥安澜桥建于公元前3世纪，而南美的古索桥是由中国人在公元前７世纪的前哥伦布时代传播到那里的。
根据传说，公元前50年，四川建成长达百米的铁索桥【】。
杨衒之在《洛阳伽蓝记》中记载的公元519年北魏时期新疆的铁索桥，是世界上最早有文字记载的铁索桥。
公元1665年，徐霞客在《铁索桥记》中详细记载了贵州一座建于1629年的铁索桥。
这篇游记曾被意大利传教士卫匡国（MaritinMartini）翻译到西方。
公元1667年，法国传教士Kircher在其《中国奇迹览胜》著作中记有公元65年建成的云南兰津渡桥，该桥于1675年改建为铁索桥，即云南霁虹桥【】。
剑桥大学教授Irvine在其索结构专著《CableStructures（索结构）》中写到：
目前还存世的最早铁索桥是由十五世纪中国西藏僧人唐东杰布建造。
由这些史实基本可以确定我国是索桥的起源国。
本章述及索支撑桥梁的部分历史，但不是严谨的技术史。
本章并不试图写成考证翔实的索桥技术史，只是作者在力所能及的范围内收集到的索桥技术史中的一些片段，略述索桥的几种类型，以帮助读者形成对索桥的一些感性认识。
为此，文中采用了一些历史名桥的背景材料，特别是一些历史照片，以增加读者的兴趣。
1.1从溜索到铁索桥
1.1.1溜索
溜索可能是最原始的索桥，用绳索系于河流两岸或峡谷两面的树木或岩石上即可形成这样一座溜索桥。
这种索桥往往以竹藤编织缆索，下悬吊盛具或持座,靠惯性和人力牵引来达到“溜人”或“溜物”之目的。
据互动百科网介绍，秘鲁安第斯山的印第安人也运用溜索作为渡河工具。
图1.1是中国电影先驱孙明经先生在1939年川康科考中拍摄的溜索照片。
照片中那个人是孙明经先生的助手，他在溜索渡河之时，还同时将摄影机带在身上。
图1.1四川康定郊外雅拉沟溜索（孙明经，摄于1939年）
如果说索桥起源于我国，那么，我国的溜索以及之后发展出来的索桥，则起源于羌族。
明朝曹学佺所著《蜀中名胜记×
成都府》记载“李膺《笮桥赞》云：
复引一索，飞絚（gēng）杙（yì
）阁，其名曰笮，人悬半空，度彼绝壑”，这笮桥应该就是溜索，如果是竹索桥（多根竹索相互平行连接，上面铺板，并设有扶手索，人可行走），则应该不止“一索”。
西汉王褒在《益州记》中记载，笮桥在司马相如宅院南一百步，建造时用三个大铁椎来系桥柱紧竹索。
解放初期在考察司马相如的抚琴台时，曾在今天南门大桥西面的锦江河上，发掘出古代桥基下的两个大铁椎，虽然比历史记载少了一个大铁锥，但已足证该处是笮桥的故址。
三个大铁椎就算只是用于在单侧岸边固定竹索，每个大铁椎固定一根索，则这座“笮桥”也仅有三根索。
那么，三根索的最佳布置应该是V字形，也就是两根索在上，一根索在下。
上下索之间可能设有或竹或木的连接，以使得三根索形成过河的一个“V”字形通道（图1.2右）。
图1.2溜索与索桥的过渡形式（左，双索形式；
右，V形三索形式）
人行走于“V”形索桥时，脚踩一根索，手扶两根索，手脚并用，晃晃悠悠过桥，这实际上可能会比“溜”索还危险。
因为“溜”索时，人的重心在索之下，在力学上是稳定的；
“V”字形索道则不同，人踩在下面一根索上，重心在此索之上，容易向侧边倾斜。
倘若上下索之间的连接不足够密实和牢靠，则极其容易失足成千古恨。
更危险的则是上下各一根索的双索桥（图1.2左）。
过桥时，脚踩一索，手扶一索，万分惊险，必定要勇敢者，选风平浪静之日，才能过桥。
从文献记载可以推断，李冰建的笮桥，即使有多根索，也只是改进的溜索，或者用双索，或者用三索，最初则可能是羌族建造的溜索。
笮是竹编的绳，所以，溜索也就是溜绳，说得更历史也更拗口一点，就是溜笮。
自然科学史方面的文献【3】引用《辞源》对“笮”的说法是“引舟的竹索”。
那么，在历史上，竹索是先用于溜人或物，还是先用于引导舟船渡水，这还需要进一步考证。
我国西南众民族之一的羌族，在汉代有一个部落称为“莋都”，聚居于蜀郡西南大山之中。
莋都部落善造溜索，并且可能最先将溜索发展成竹索桥。
由此看来，笮桥的称呼有两方面的来历：
一是以桥的主要材料构件¾
¾
竹绳，即笮，为名；
二是以创始人¾
羌族莋都部落名号的首字，莋，通“笮”，为名。
最迟在秦汉时期，汉族学会了羌族发明的笮桥技术。
春秋战国秦昭王30年至秦孝文王间（公元前277—前251年），李冰任蜀守（四川首席行政长官）。
在此期间，李冰率众大搞基础设施建设。
这些基础设施除了都江堰这样著名的水利工程，还有许多交通基础设施工程，包括桥梁，其中就有溜索。
据《华阳国志×
蜀志》记载，“西上曰夷里桥，上（亦）曰笮桥”。
这当中的笮桥（夷里桥），即溜索，是李冰在成都建造的7座桥梁之一。
溜索这种古老索桥在我国一直沿用到21世纪，参看下面的资料。
2010年3月20日，《西藏日报》刊登题为“自治区溜索改桥协调工作领导小组第一次会议召开”的报道：
“据了解，我区现存溜索84处，涉及到昌都、林芝、那曲和日喀则四个地区，总人口40501人”。
在两千多年的历史中，溜索逐渐向两个方向发展，其一是桥梁方向，侧重于发展溜索的承载功能，便于人行和车行；
其二是索道方向，侧重于发展溜索的滑行功能，即“溜”，便于递送人或物。
本书主要关注溜索在桥梁方向的演进和发展。
索道方向的发展则不是本书的重点，仅提供下面的资料（摘编自福建农林大学网站）供读者参考。
1868年英国在苏格兰架设了世界上第一条采用钢丝绳的货运索道。
1889年，第一部自动电梯在美国芝加哥问世，从而解决了垂直登高问题。
自动电梯的出现，为自动扶梯提供了条件。
而自动扶梯的出现，又为电力索道提供了条件。
现代客运索道最早于1894年出现在意大利，此后在瑞士、德国、日本、前苏联相继建成了客运索道。
目前，全球约有四万多条索道，包括登山索道和平行索道，在运行．现在每年以5%的速度在增长，年新增索道二千条左右。
而用于工矿生产、港口传送、军事用途的货运索道，要比客运索道多得多。
我国自五十年代引进客运索道以来，现已有各类索道近三千条。
索道设计理论，除沿用原苏联杜氏和日本加氏抛物线理论体系外，我国自主创立的单跨悬链线、悬索曲线、摄动法、索道优化理论体系，对发展工程索道产业形成了重要的理论支撑。
我国第一条登山客运索道于1979年建立，主要供辽宁铁岭市三岔子微波站职工上下山之用；
我国自己设计、制造的第一条大型双线往复式客运索道（重庆嘉陵江索道，如图1.x）于1981年建成，标志着我国大规模发展客运索道产业的开始。
图1.x重庆嘉陵江索道（建成于1991年）
1.1.2竹索桥
溜索向桥梁方面发展，首先出现的是竹索桥。
与溜索晃晃悠悠的“溜”不同，竹索桥可以供人比较稳当地行走。
为此，竹索桥不仅仅将几根溜索简单并排在一起，且在其上铺设桥面板，而且桥面之上两侧至少还各设有一根索，并每隔一段距离用或木或竹的杆件与桥面下的竹索连接起来，既帮助承重，又作为扶手使用，比较容易行走。
李冰修建的笮桥
在上文“溜索”一节当中提到秦朝蜀太守李冰修建的笮桥（最初是溜索），到后来也发展成了真正的竹索桥。
《晋书桓温传》记载，东汉顺帝永和三年（公元347年），桓温伐蜀时，与李势战于笮桥。
此时，距李冰建桥始，这座笮桥已有接近600年的历史。
到了三国时期，相传诸葛亮曾在这里为出师东吴的费祎饯行。
灌县安澜桥
安澜桥是我国最著名的五大古桥之一，位于灌县（今都江堰市），横跨都江堰内外江。
骊道元《水经注江水》记载“涪江有笮桥”。
由于骊道元注解的这部《水经》“大体应为汉魏之作不成问题”（XX百科“水经注”词条释义），这表明最迟在“汉魏”（三世纪）时期，涪江就有了笮桥，这座笮桥应该就是安澜桥。
桥的原址在都江堰鱼嘴处，1974年因兴建外江水闸，将索桥下移了一百多米，改用钢索建造。
除安澜桥外，云南保山的霁虹桥是我国五大古桥中另一座索桥，下文将单独介绍。
其他三座古桥简况如下：
赵州桥：
又称“安济桥”，在河北省赵县城南2.5公里处，它横跨洨水南北两岸，建于隋朝大业年间（605-616年），是著名匠师李春建造，距今已有1300多年的历史。
因桥体全部用石料建成，俗称“大石桥”。
●洛阳桥
洛阳桥：
我国现存最早的跨海梁式大石桥，位于福建省泉州东郊的洛阳江上，是世界桥梁筏形基础的开端，为全国重点文物保护单位。
洛阳桥，原名“万安桥”。
●广济桥
广济桥位于广东省潮州市古城东门外。
横跨浩瀚的韩江，居闽粤交通要津，以其“十八梭船廿四洲”的独特风格，被著名桥梁专家茅以升誉为“世界上最早的启闭式桥梁”。
广济桥，俗称湘子桥
●霁虹桥
在跑保山市50公里的澜沧江畔，在古老的埔南古道兰津渡口上，有一座明成化十一年（公元1475年）修建的霁虹铁索桥。
霁虹桥是世界上最古老的铁索桥。
在古代，此桥是“蜀身毒道”的要冲，是我国与缅甸、印度乃至西亚交流的重要通道
互联网上有许多关于安澜桥的照片。
其中，德国建筑师Boerschmann和英国植物学家威尔逊在二十世纪初期拍摄的照片可能是该桥最早的老照片，见图1.3。
图1.31908年的安澜桥（左，Boerschmann；
右，威尔逊）
威州（今汶川）竹索桥
作者从互联网上还收集到美国人LutherKnight1911年摄于四川威州（现汶川）的竹索桥照片（图1.4左图）。
从图上细看，该桥桥面以下至少有18根索，桥面以上承重兼作两侧扶手用的各有4根索（共8根），紧贴桥面板顶面还有2根索，全桥共计至少有28根索，这应该是规模相当大的竹索桥了，并且有两跨。
图1.4右图是我国摄影家庄学本1934年摄于威州的某竹索桥照片，可见到紧贴桥面板顶面设置的两根索。
根据桥上人像的比例，粗略推测右图的竹索桥跨度至少在100米以上。
20世纪初期的这两幅竹索桥照片虽然都拍摄于威州（今汶川），但稍加比较，可见右图仅有一跨，左图的竹索桥至少有两跨，这就可以基本断定它们不是同一座桥。
图1.4威州（汶川）竹索桥（左，LutherKnight，1911年；
右，庄学本，1934年）
1.1.3铁索桥
竹索桥显然易毁于水火等各种灾害，而铁索桥当然比竹索桥更能抵抗这些灾害，也更为坚固和耐久。
因此，随着铁的出现，索桥逐步向铁索桥发展。
据XX百科“铁”词条释义，“我国最早人工冶炼的铁是在春秋战国之交的时期（公元前475年左右）出现的”。
文献【4】指出，我国关于铁索桥的传说可以追溯到西汉初期（公元前200年左右），据陕西褒城樊江桥桥头碑文（公元1529年）记载，西汉大将樊哙在西汉元年（公元前206年）在褒城马道驿的寒溪上建造这座铁索桥。
汉宣帝甘露四年（公元前50年）更建成了跨度达百米的铁索桥。
但是，这些内容都还没有经过严格的考证，目前仍然只能作为传说。
唐东杰布和铁索桥
铁索桥的准确说法应该是铁链桥（ironchainbridge）。
据剑桥大学教授Irvine的索结构专著《CableStructures》（1981年）所述，这本专著中提到：
世界上尚存的最早铁索桥可能是由十五世纪中国西藏的喇嘛唐东杰布建造于西藏的铁索桥。
许多文献提到，这位在西藏被称为“铁桥活佛”的传奇僧人建造了多达58座铁索桥。
国内外有若干论述唐东杰布这位杰出僧人及其所造铁索桥的专著，这里不作详述，只提供他建造的两座桥梁的照片和摘编自XX百科的唐东杰布简介，供读者参考。
唐东杰布（1385-1464），藏民历来把他看作是创造藏戏的戏神和修建桥梁的铁木工匠的“祖师”，是藏族人民心目中创造、智慧、力量的化身。
唐东杰布幼时家境贫穷，牧羊为生。
成年后当过兵，做过生意，后削发为僧，僧名尊珠桑布，是一名有造诣的学者和得道者，被众人誉为唐东杰布（意为“千里平原上的国王”）。
唐东杰布亲身感受到藏区山高水险，交通极不发达，于是发愿建桥。
终于在1430年于雅鲁藏布江上首次建成曲水铁索桥。
一生中，他总共修建了58座铁索桥，60座木桥，造大舟小船118艘，修建码头渡口110。
人们赞誉他为“铁桥活佛”，在一些藏传佛教寺庙里，常可见一位白须白眉、神态安详、和蔼可亲、手持铁索的唐东杰布画像或塑像（图1.5左图和图1.7左图）。
图1.5唐东杰布塑像（左图，印度松赞图书馆）和他建造于西藏的彭措林桥（右图）
唐东杰布建造的桥梁不限于现在我国的西藏境内，至今在不丹还有他建造留下的桥（图1.6和图1.7）。
从查到的文献看，唐东杰布建造的铁索桥2010年在我国至少还有三座留世，包括西藏日喀则地区南木林县的两座（孜吾铁索桥、波多铁索桥）和日喀则地区拉孜县的一座（图1.5右图，彭措林铁索桥）。
另外，昌都地区乌齐县的甲桑卡铁索桥是由唐东杰布弟子佐英喇嘛修建，至今仍然存在。
图1.6最初由唐东杰布的铁索桥（不丹，塔希冈，Gongri河，MonikavonSchulthess）
图1.7智钦×
唐东杰布（左图）和他建造于不丹的铁索桥（右图）
（资料来源：
http:
//www.innerasiaresearch.org/woman%20lama/places2.html）
1464年，唐东杰布逝世，享年79岁。
唐东杰布一生为西藏交通的开拓，为藏戏的创立、发展建立了不朽的功绩，人们用各种形式歌颂他，纪念他。
至今在许多藏戏演出场地，看戏的观众首先要在唐东杰布的像前敬献哈达，以示谢恩；
在唐东杰布的故乡，甚至还保留着一种传统仪式：
每逢大家观看藏戏表演时，都要带一些青油和羊毛，将这些礼物送给戏班子用于擦在铁索上，以保存好唐东杰布所建的铁索桥，使其不锈，永存于世，尽管这些铁索桥绝大多数早已不复存在。
据张柏桢居士编写的《西藏大呼毕勒罕考》一书，指明铁索桥活佛是清朝中央直接管理和认定的西藏三十六位大活佛、大呼图克图中的一个。
霁虹桥（云南，1476年）
云南霁虹桥在世界桥梁史上久负盛名，一方面是由于该桥历史久远，另一方面，是由于西方人对此桥比较了解。
公元1667年，法国传教士Kircher在其《中国奇迹览胜》著作中就记录有霁虹桥。
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