第1章 绪论
1.1 非对称悬索桥简介
1.1.1 非对称悬索桥的分类
大跨度悬索桥不断向特殊地区发展，为了适应特殊地形和地质条件，出现了结构形式、锚碇类型及跨径布置等不对称的非对称悬索桥。根据结构类型，非对称悬索桥分为五类，如表1.1所示。
表1.1 非对称悬索桥类型
1. 主缆非对称悬索桥
为了解决桥址地形限制的问题，提出主塔等高但主缆支承端不等高的特殊悬索桥。这类悬索桥的主缆呈现非对称性，因此在静力方面会对有应力索长和无应力索长产生较大的影响，在动力方面对结构动力特性产生影响。本书基于非对称类型研究有应力索长、无应力索长及自振频率的实用计算方法。
2. 锚碇非对称悬索桥
悬索桥两侧锚碇区岩体的类型有差异，因此岩体完整性好的一侧采用隧道式锚碇，岩体特性差的一侧采用重力式锚碇，两侧非对称的锚碇形式对锚碇区围岩变形和应力产生不同的影响。本书分析两种锚碇类型的差异，重点从隧道式锚碇的变形、应力及监测试验分析其力学特性。
3. 边跨跨径非对称悬索桥
近年来，为更好地适应桥址特殊的地形条件和工程环境，国内外修建了一些边跨跨径非对称的三跨悬索桥，如我国香港青马大桥、浙江西堠门大桥、湖南矮寨大桥等，其中西堠门大桥是目前世界上*大跨度的边跨跨径非对称悬索桥。边跨跨径非对称同样对结构动力特性产生影响，本书基于这种边跨跨径不等的三跨悬索桥展开动力特性研究。国内外部分边跨跨径非对称悬索桥如表1.2所示。
表1.2 国内外部分边跨跨径非对称悬索桥
4. 主塔塔高非对称悬索桥
受基础地质的限制，国内外主塔塔高非对称悬索桥的数量不断增加。国内外部分主塔塔高非对称悬索桥如表1.3所示。
表1.3 国内外部分主塔塔高非对称悬索桥
5. 无塔非对称悬索桥
当桥位于V型峡谷地形或深沟急流等不便于修建索塔的地方时，修建跨线悬索桥，从而出现了无塔非对称悬索桥。无塔非对称悬索桥是指不需要索塔支承主缆，直接将主缆锚固在两侧的岩体上，由于锚碇区地形限制，主缆往往以不等高方式锚固在岩体上。不同于一般的悬索桥，这类非对称悬索桥结构比较新颖，其实质是主缆不等高支承的非对称悬索桥。从力学特性分析，锚碇岩体的摩擦力、抗推力及抗拔力承受悬索桥主缆的水平力和竖向分力。我国此类悬索桥很少，湖北利方岩村修建的人行悬索桥是国内*座无塔非对称悬索桥。该类桥具有优美的线形和选址灵活方便等优势，因此在方案比选过程中，设计师越来越重视无塔非对称悬索桥的设计。无塔非对称悬索桥将成为跨越峡谷地形或深沟急流地形中小跨径桥梁极具竞争力的桥型。
1.1.2 非对称悬索桥的界定
1. 主缆非对称悬索桥
为了便于分析主缆非对称对悬索桥静力性能和动力特性的影响，画出非对称悬索桥结构示意图，见图1.1。本书定义结构非对称敏感性参数为ξ，表示主缆非对称支承高差h与悬索桥主跨跨径L的比值，即ξ=h/L。参数ξ表征结构的非对称性，通过参数ξ分析结构非对称性对悬索桥的影响。
图1.1 非对称悬索桥结构示意图
L为主跨跨径；L1为左边跨跨径；L2为右边跨跨径；h为主缆非对称支承高差；
f为跨中垂度；α为非对称高差偏转角
2. 边跨跨径非对称的三跨悬索桥
为了便于分析边跨跨径非对称对三跨悬索桥静动力特性的影响，画出边跨跨径非对称的三跨悬索桥示意图，见图1.2，其中边跨跨径。本书定义边跨跨径和中跨跨径相关的参数为k和l，k表示右边跨跨径与左边跨跨径的比值，即k=L3/L1，l表示左边跨跨径与中跨跨径的比值，即l=L1/L2，采用参数k和l表征三跨悬索桥的中边跨跨径之间的关系，分析边跨跨径非对称对三跨悬索桥动力特性的影响。
图1.2 边跨跨径非对称的三跨悬索桥示意图
1.2 研究现状
悬索桥以超强的跨越能力和优美的形式成为大跨度桥梁的*选桥型。高速公路向高原山区发展，在山区受到地形和地貌的限制，为了适应这种特殊的工程环境，出现了非对称悬索桥。由于该类型桥梁在结构方面与对称的悬索桥存在一定的差别，因此在静动力设计方面有异于传统悬索桥的特点。此外，常见悬索桥研究往往只关注上部结构，没有考虑到非对称的锚碇形式。隧道式锚碇和重力式锚碇在传递主缆缆力上存在区别，隧道式锚碇充分利用山区岩体围岩完整性和自承性好的特点，非对称悬索桥越来越多地选择一侧采用重力式锚碇、一侧采用隧道式锚碇。为了探索和研究这种非对称悬索桥的力学特性，本书以主缆非对称、锚碇非对称的单跨悬索桥和边跨跨径非对称的三跨悬索桥为研究对象，分析非对称悬索桥和对称悬索桥在静力性能和动力特性方面的差异，深入探讨分析非对称悬索桥的静力性能和自振特性，为该类型桥梁设计提供一定的方法和理论指导。
本书从静动力方面分析非对称悬索桥和对称悬索桥结构性能的差异。基于主缆非对称悬索桥，推导主缆线形分别为抛物线和悬链线的静力计算公式；研究基于能量法的非对称悬索桥主索鞍顶推的静力近似计算方法；推导非对称悬索桥正对称和反对称竖弯及扭转的基频估算公式，基于对称悬索桥提出相应的非对称相关的结构参数影响因子，并且以边跨跨径非对称的三跨悬索桥为背景，推导该类型非对称悬索桥竖弯和扭转的自振频率，为设计人员提供快速判别结构动力特性的方法，同时为非对称悬索桥设计提供合理的建议和实用的计算方法。此外，为了研究两侧锚碇非对称悬索桥力学性能，以隧道式锚碇为例，分析其力学性能和锚碇区围岩的安全性和稳定性，推导非对称悬索桥锚塞体长度的近似计算公式、夹持效应计算公式和承载能力计算公式；基于有限差分软件FLAC3D，采用数值模拟的方法对某主缆非对称悬索桥隧道锚碇区围岩在锚洞开挖、浇筑、回填、施加预应力和主缆缆力等过程中的岩体位移和应力状态进行分析研究，并采用长期监测试验的方法研究普立大桥隧道式锚碇边坡地表沉降和位移、隧道式锚碇系统的变形、锚塞体与周围接触应力、锚塞体轴向钢筋应力，分析隧道式锚碇岩体及围岩的安全性和稳定性，为工程顺利实施提供技术保障；为了减小隧道式锚碇在动荷载下的振动响应，设计适合放置在散索鞍和前锚面之间的惯质阻尼器，通过数值模拟，为设计和工程施工提供决策依据。
1.2.1 悬索桥计算理论研究现状
悬索桥是一种历史非常悠久的桥型，随着设计理论、设计方法的进步和新材料的出现，不断朝更大跨度的方向发展。
2006年，李传习[1]研究了组成分段悬链线理论基本方程的索段状态方程性质，指出了索段状态方程无解(主缆找形迭代不收敛)的情形，提出了寻找主缆找形迭代收敛路径的问题，系统地研究并阐述了悬索桥主缆找形的总体思路、计算流程和计算状态。
2008年，滕小竹[2]结合工程实例和资料统计，阐述了钢桁梁悬索桥的桁架结构构造特性和常用桥面系构造特点，总结了钢桁梁悬索桥桁架施工方法，研究了钢桁梁悬索桥桁架力学性能。
2009年，黄健[3]研究了自锚式悬索桥的计算理论和方法，包括弹性理论和有限位移理论；采用分段悬链线理论计算了成桥主缆线形，推算了主缆的索股无应力长度、吊索长度、空缆状态线形及索鞍偏移量，确定了索夹的安装位置，采用无猫道架设主缆方案。
2010年，胥润东[4]采用改进虚拟梁法进行静力性能研究，提出了静力可行的结构方案，利用自编程序进行结构方案的一致和非一致地震作用时程分析。
2013年，李周[5]利用精确悬链单元迭代计算法对悬索进行找形分析，并结合有限元及实测结果进行验证，基于找形算法提出了无应力索长的计算方法和流程。
2016年，韩冰[6]对正交异性板结构焊接构造细节的热点应力计算理论方法进行了研究，详细分析了单元类型、网格精度及外推方法对热点应力计算结果的影响，完善了正交异性板结构焊接构造细节的热点应力法分析过程。
2017年，孟楠[7]研究了大跨度公铁两用悬索桥结构参数对桥梁刚度敏感性和扭弯比的影响，以及反应谱荷载作用下主梁的位移响应，并总结了刚度变化规律；敬超等[8]将平行索面悬索桥中使用的分段直线、分段抛物线和分段悬链线理论推广到空间索面悬索桥，并分别编制了Matlab运算程序，运用Midas/Civil有限元软件进行验证。
2018年，王通[9]基于稳健回归分析法建立模型，预测了高荷载效率下的结构反应，进而实现荷载效率系数降低优化；基于概率统计，对自锚式悬索桥分部位校验系数合理取值进行研究。
2019年，宁志远[10]进行了索塔截面温度分布分析及温度场下主塔顶偏位计算，同时采用实测温度值进行有限元分析中等效温度荷载的设定，得出了主塔截面中心区域内温度变化规律、沿主塔高度方向的温度梯度分布，运用实测数据对主塔表面温度沿塔高方向计算参数进行拟合，并预测温度场下裸塔偏位。
2021年，李琛等[11]研究了大跨度悬索桥结冰后的非线性静风稳定性，对悬索桥结冰前后的动力特性进行了分析，研究了结冰质量对悬索桥施工及成桥阶段的影响。
2022年，郭增伟等[12]探讨了大跨度悬索桥模态阻尼的统计参数随风速的变化规律，风速会影响结构竖向和扭转振型阻尼概型分布的拖尾性质。
总之，悬索桥的静力分析理论按时间先后依次经历了弹性理论阶段、挠度理论阶段和有限位移理论阶段。悬索桥的静力分析方法一般有三种，竖直荷载下的分析方法、水平荷载下的分析方法和偏心荷载下的分析方法。悬索桥三种静力分析理论对比分析如表1.4所示。
表1.4 悬索桥三种静力分析理论对比分析
1.2.2 主索鞍顶推方法研究现状
在悬索桥施工过程中，随着加劲梁的不断吊装，中边跨的缆力越来越不平衡，使得主塔产生纵向偏位。通过主索鞍设置一定的预偏量，其在不平衡缆力的作用下会自由地滑动到平衡的位置，但是施工中出于对安全性和可控性等的考虑，不允许其自由滑动，在实际施工中通过采取适当措施对主索鞍进行人工的、可控的多次顶推。因此，主索鞍的顶推时间和顶推量是否合理是影响主塔安危的主要因素[13，14]。
何为等[15]采用三维有限元模型，从应力的角度分析，对索鞍顶推、索鞍自由滑移、索鞍固结这三种情况下的主塔应力计算结果进行了对比分析，提出了主索鞍的小步快跑顶推原则。齐东春等[16]研究了鞍座平衡条件的合理模式及预偏量的计算方法，确定了主索鞍预偏量的计算控制原则及塔顶容许偏位的计算理论。孙胜江等[17]分析了悬索桥索塔截面不出现拉应力和拉应力不超限两种强度条件下主塔的容许偏位，定量分析施工阶段考虑P-Δ效应(重力二阶效应，P为竖
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