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【摘要】悬索桥根据主缆的锚固形式的不同，可以分为自锚式悬索桥和地锚式悬索桥。本文对这两种体系进行的优缺点进行综合比较和梳理，并通过有限元建模的参数分析，进行两种结构体系在不同跨径下，力学性能的比较，以研究其力学规律与适用范围，指导方案设计。
【关键词】悬索桥；地锚；自锚
1、引言
悬索桥是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚碇、吊索等构件构成的柔性索吊组合体系。由于悬索桥主要由主缆受拉以承受结构自重和活载，结构承载效率高，跨越能力强。因此，悬索桥在大跨径领域具有绝对优势。悬索桥根据主缆的锚固形式的不同，可以分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。在进行桥梁方案设计时，悬索桥选取地锚体系或者自锚体系，直接决定了桥梁的结构受力和经济性能。对悬索桥地锚体系和自锚体系的力学性能进行比较，对其适用性进行评判，以指导方案设计，有重要意义。
2、地锚与自锚式悬索桥
地锚式悬索桥主要应用于大跨径悬索桥领域较。在地质条件较好的岩质地区，中等跨径或者小跨径悬索桥中也较为常见。地锚式悬索桥的形式，及主缆的拉力由桥梁端部的重力式锚碇或隧道式锚碇传给地基，因此锚固体处一般要求地基具有较大的承载力，最好是有良好的岩层作持力地基。
自锚式悬索桥的主缆拉力是直接传递给它的加劲梁来承受。主缆拉力的垂直分力使加劲梁底下的端支点反力得以减小，但水平分力则以轴向压力的方式传递到加劲梁中。因此自锚式悬索桥的跨度不宜太大。否则，为了抵抗巨大的主缆水平分力，加劲梁的截面将非常庞大而很不合理与经济。
以德国kein-mulheim莱茵河桥为例，1929年修建的老桥为自锚式悬索桥，其跨度为91+315+91m，耗钢材12800t。1951年改建为地锚式悬索桥，跨度为85+315+85m，与老桥基本相同，耗钢仅5800t，与老桥相比大为减少。但对于钢筋混凝土材料的加劲梁，主缆传递的压力给主缆提供了免费的预应力，节约大量的钢材，同时也克服了钢在较大轴向力下容易压屈的缺点。
自锚式悬索桥的结构特点，决定了其施工只能采用先架设加劲梁，然后再架设主缆的方法。该施工方法，决定自锚式悬索桥为架设主梁只能在地面搭设支架。因此，在流量较大，水流湍急的江、河地形，限制其实施的可能。
自锚式悬索桥的优点，主要是由于其自平衡的特点，对地基不产生拉力。适用于两岸地基承载力较差，特别是软土的桥位。另外对城市闹市区跨河桥梁可以避免影响其景观或无法布置的庞大主缆锚锭建筑物。采用混凝土材料可克服以往自锚式悬索桥用钢量大、建造和后期维护费用高的缺点，能取得很好的经济效益和社会效益。
自锚式悬索桥保留了传统悬索桥的外形，在中小跨径桥梁中是很有竞争力的方案。由于采用钢筋混凝土材料造价较低，结构合理，桥梁外形美观，所以不仅局限于在地基很差、锚碇修建困难的地区采用。
3、力学性能比较
地锚式悬索桥的适用跨径比自锚式悬索桥大得多，从一二百米到二千米都可以看到地锚式悬索桥的身影，而自锚式悬索桥目前做到的最大跨径也就三百多米，然而由于地锚式悬索桥有锚碇，对场地条件有所限制，因此自锚式悬索桥在特定的条件下相对于地锚式悬索桥有一定的竞争力，另外在考虑到景观效应时也有一定的优势。
地锚式和自锚式两种体系，虽同为缆索承重，但由于其主缆锚固形式的不同，造成了其部分构件的尺寸和构造的不同，从而进一步造成两者体系特性的差异。
自锚式悬索桥高跨比较大，在较小跨径时梁式体系效应较为明显，地锚式和自锚式两种体系的力学性能差异不大。但随着跨径的增大两者呈现出较为明显的差异。
由于自锚式悬索桥承受巨大的轴力，容易出现稳定问题，因此其跨径不能做得太大。目前已经建成的自锚式悬索桥最大跨径是350m。因此将进行对比的两种体系的主跨跨径分别取为：280、350、400、450、500m。
主跨跨径从280m变化到500m，自锚式悬索桥的结构参数见表1。为了方便比较，地锚式悬索桥的一些参数选取与自锚式悬索桥一样。
对不同跨径下，自锚式悬索桥和地锚式悬索桥采用MIDAS有限元软件进行三维空间梁单元建模计算，以分析比较其结构力学性能的不同。通过比较主梁竖向位移、主塔水平位移、主缆恒载轴力、主梁恒活载轴力和主梁弯矩，以考察自锚式悬索桥和地锚式悬索桥的受力特性。通过分析，可以看出：
①地锚式体系整体刚度较自锚式体系大，随着跨径的增大两者的差异逐渐加大。当主跨为280m时活载作用下主梁最大挠度自锚式体系比地锚体系大3.5%，塔顶水平位移大8.9%。当主跨为500m时则主梁最大挠度自锚式体系比地锚体系主梁最大挠度大19%，塔顶水平位移大22.6%。
②自锚式悬索桥活载弯矩比地锚式大，而且随着跨径的增大而越来越明显。当主跨为280m时活载作用下的跨中弯矩自锚式体系比地锚体系大3.6%，而当主跨为500m时大12%。
③两种体系的主缆恒、活载内力差别不大。
在材料用量方面，地锚式悬索桥加劲梁内没有轴力，这样就可以不用考虑加劲梁的屈曲，从而可以进一步减小截面，而加劲梁截面的减小可以减小主缆拉力，从而可以进一步减少全桥的用钢量。而地锚式悬索桥需要强大稳定的锚碇，会增加一定的工程数量。但总的来讲，在桥址基础适合建造地锚式悬索桥的前提下，与同等跨径的自锚式悬索桥相比地锚式悬索桥的材料用量较少，造价较低。
上述结论是在地锚式悬索桥取用的一些参数与自锚式一样的情况下进行的，其实地锚式参数尚有优化余地，这样会使两者差距更大，地锚式的优势更为明显。
4、总结
本文对自锚式悬索桥和地锚式悬索桥的性能进行评判，对其优缺点进行比较和整理。对不同跨径下自锚式悬索桥和地锚式悬索桥分别建立有限元模型进行分析计算，以比较其力学性能。经比较，地锚式体系整体刚度较自锚式体系大，主梁活载弯矩较自锚式小。两种体系的主缆恒、活载内力差别不大。地锚式悬索桥主梁截面较自锚式小，用量少，但增加了地锚的费用。在适合建造锚碇场地，地锚式悬索桥具有更大的经济优势。
参考文献
[1]徐风云，陈德荣，宋凤立.自锚式悬索桥评述[J].公路，2005（11）.
【关键词】悬索桥；地锚；自锚
1、引言
悬索桥是由主缆、加劲梁、主塔、鞍座、锚碇、吊索等构件构成的柔性索吊组合体系。由于悬索桥主要由主缆受拉以承受结构自重和活载，结构承载效率高，跨越能力强。因此，悬索桥在大跨径领域具有绝对优势。悬索桥根据主缆的锚固形式的不同，可以分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。在进行桥梁方案设计时，悬索桥选取地锚体系或者自锚体系，直接决定了桥梁的结构受力和经济性能。对悬索桥地锚体系和自锚体系的力学性能进行比较，对其适用性进行评判，以指导方案设计，有重要意义。
2、地锚与自锚式悬索桥
地锚式悬索桥主要应用于大跨径悬索桥领域较。在地质条件较好的岩质地区，中等跨径或者小跨径悬索桥中也较为常见。地锚式悬索桥的形式，及主缆的拉力由桥梁端部的重力式锚碇或隧道式锚碇传给地基，因此锚固体处一般要求地基具有较大的承载力，最好是有良好的岩层作持力地基。
自锚式悬索桥的主缆拉力是直接传递给它的加劲梁来承受。主缆拉力的垂直分力使加劲梁底下的端支点反力得以减小，但水平分力则以轴向压力的方式传递到加劲梁中。因此自锚式悬索桥的跨度不宜太大。否则，为了抵抗巨大的主缆水平分力，加劲梁的截面将非常庞大而很不合理与经济。
以德国kein-mulheim莱茵河桥为例，1929年修建的老桥为自锚式悬索桥，其跨度为91+315+91m，耗钢材12800t。1951年改建为地锚式悬索桥，跨度为85+315+85m，与老桥基本相同，耗钢仅5800t，与老桥相比大为减少。但对于钢筋混凝土材料的加劲梁，主缆传递的压力给主缆提供了免费的预应力，节约大量的钢材，同时也克服了钢在较大轴向力下容易压屈的缺点。
自锚式悬索桥的结构特点，决定了其施工只能采用先架设加劲梁，然后再架设主缆的方法。该施工方法，决定自锚式悬索桥为架设主梁只能在地面搭设支架。因此，在流量较大，水流湍急的江、河地形，限制其实施的可能。
自锚式悬索桥的优点，主要是由于其自平衡的特点，对地基不产生拉力。适用于两岸地基承载力较差，特别是软土的桥位。另外对城市闹市区跨河桥梁可以避免影响其景观或无法布置的庞大主缆锚锭建筑物。采用混凝土材料可克服以往自锚式悬索桥用钢量大、建造和后期维护费用高的缺点，能取得很好的经济效益和社会效益。
自锚式悬索桥保留了传统悬索桥的外形，在中小跨径桥梁中是很有竞争力的方案。由于采用钢筋混凝土材料造价较低，结构合理，桥梁外形美观，所以不仅局限于在地基很差、锚碇修建困难的地区采用。
3、力学性能比较
地锚式悬索桥的适用跨径比自锚式悬索桥大得多，从一二百米到二千米都可以看到地锚式悬索桥的身影，而自锚式悬索桥目前做到的最大跨径也就三百多米，然而由于地锚式悬索桥有锚碇，对场地条件有所限制，因此自锚式悬索桥在特定的条件下相对于地锚式悬索桥有一定的竞争力，另外在考虑到景观效应时也有一定的优势。
地锚式和自锚式两种体系，虽同为缆索承重，但由于其主缆锚固形式的不同，造成了其部分构件的尺寸和构造的不同，从而进一步造成两者体系特性的差异。
自锚式悬索桥高跨比较大，在较小跨径时梁式体系效应较为明显，地锚式和自锚式两种体系的力学性能差异不大。但随着跨径的增大两者呈现出较为明显的差异。
由于自锚式悬索桥承受巨大的轴力，容易出现稳定问题，因此其跨径不能做得太大。目前已经建成的自锚式悬索桥最大跨径是350m。因此将进行对比的两种体系的主跨跨径分别取为：280、350、400、450、500m。
主跨跨径从280m变化到500m，自锚式悬索桥的结构参数见表1。为了方便比较，地锚式悬索桥的一些参数选取与自锚式悬索桥一样。
对不同跨径下，自锚式悬索桥和地锚式悬索桥采用MIDAS有限元软件进行三维空间梁单元建模计算，以分析比较其结构力学性能的不同。通过比较主梁竖向位移、主塔水平位移、主缆恒载轴力、主梁恒活载轴力和主梁弯矩，以考察自锚式悬索桥和地锚式悬索桥的受力特性。通过分析，可以看出：
①地锚式体系整体刚度较自锚式体系大，随着跨径的增大两者的差异逐渐加大。当主跨为280m时活载作用下主梁最大挠度自锚式体系比地锚体系大3.5%，塔顶水平位移大8.9%。当主跨为500m时则主梁最大挠度自锚式体系比地锚体系主梁最大挠度大19%，塔顶水平位移大22.6%。
②自锚式悬索桥活载弯矩比地锚式大，而且随着跨径的增大而越来越明显。当主跨为280m时活载作用下的跨中弯矩自锚式体系比地锚体系大3.6%，而当主跨为500m时大12%。
③两种体系的主缆恒、活载内力差别不大。
在材料用量方面，地锚式悬索桥加劲梁内没有轴力，这样就可以不用考虑加劲梁的屈曲，从而可以进一步减小截面，而加劲梁截面的减小可以减小主缆拉力，从而可以进一步减少全桥的用钢量。而地锚式悬索桥需要强大稳定的锚碇，会增加一定的工程数量。但总的来讲，在桥址基础适合建造地锚式悬索桥的前提下，与同等跨径的自锚式悬索桥相比地锚式悬索桥的材料用量较少，造价较低。
上述结论是在地锚式悬索桥取用的一些参数与自锚式一样的情况下进行的，其实地锚式参数尚有优化余地，这样会使两者差距更大，地锚式的优势更为明显。
4、总结
本文对自锚式悬索桥和地锚式悬索桥的性能进行评判，对其优缺点进行比较和整理。对不同跨径下自锚式悬索桥和地锚式悬索桥分别建立有限元模型进行分析计算，以比较其力学性能。经比较，地锚式体系整体刚度较自锚式体系大，主梁活载弯矩较自锚式小。两种体系的主缆恒、活载内力差别不大。地锚式悬索桥主梁截面较自锚式小，用量少，但增加了地锚的费用。在适合建造锚碇场地，地锚式悬索桥具有更大的经济优势。
参考文献
[1]徐风云，陈德荣，宋凤立.自锚式悬索桥评述[J].公路，2005（11）.