1.大 缆
缆、索、链、绳都是指柔性大的构件，对独立的、直径较大的，称为缆（cable）。其特点是抗弯刚度很小，而抗拉刚度可以很大，故只适合于受拉。
绝大部分悬索桥在全桥设有两根大缆，平行布置。有极少数悬索桥（如美国的维拉扎诺桥和乔治·华盛顿桥，广东佛山平胜大桥等）在全桥设有4根平行的大缆。日本的此花大桥（主跨300m的自锚式悬索桥，1987年）只在桥中线布置单根大缆，韩国的Yeongjong大桥（主跨300m的自锚式悬索桥，公铁两用，2000年）、广州猎德大桥（主跨219m的自锚式悬索桥，2009年）则将两根大缆布置成在塔顶靠拢、在跨中分开，形成空间缆。
通常，大缆在跨度范围内通过吊索与加劲梁相连。但有的悬索桥（如丹麦大贝耳特东桥）为减小竖向变位和增大扭转刚度，在主跨跨中将大缆与加劲梁直接连在一起，形成缆结。
在历史上，大缆的材料有藤索、竹索、铁索、链杆等。在1820年前后，法国工程师采用钢丝制作悬索桥的大缆。到1883年美国修建布鲁克林桥时，跨度就达到486m，从此开始了大跨度悬索桥的建设。钢丝强度的不断提高，使建成悬索桥的跨度现已接近2000m。目前国内外都在研究可用作大缆的新型材料，如碳纤维等。大缆材料和构造的进步必将促进悬索桥向更大跨度发展。
（1）大缆的类型及基本要求
悬索桥的大缆可采用钢丝绳和平行钢丝束两种形式，前者一般用于小跨度的悬索桥，后者则适用于大跨度悬索桥。用于悬索桥的钢丝绳根据其规模大小可分别采用螺旋钢丝绳及绳股钢丝绳。平行钢丝束根据其架设方法分为空中送丝法（AS法）和预制平行丝股法（PS法）。前者是在施工现场通过移动的纺轮在空中逐丝编制而成，后者是预先在工厂按规定的钢丝根数及长度制作成丝股，并做好锚头，绕在丝股盘上，然后运到现场通过牵引系统架设到设计位置。
① 钢丝绳
用于作悬索桥大缆的钢丝绳，必须具有以下特性：（a）大缆钢丝绳不许采用麻芯绳；（b）除封闭式钢丝绳外，对钢丝必须镀锌；（c）为了消除结构的非弹性延伸，必须对钢丝绳全部预施拉力，预施拉力的荷载应为破断力的1/2，并持续2h；（d）要保证钢丝绳的回扭性小。
钢丝绳由钢丝捻成股，然后再由股捻成绳。作为大缆的钢丝绳一般都是7股绳。每股的丝数可分为7、19、37和61等，各丝捻成股的捻向与各股捻成绳的捻向相反（如图8.64（a）所示），捻角在18° 左右。钢丝绳的弹性模量低，股的弹性模量是丝的模量的0.85倍左右，绳的模量又是股的0.85倍左右，单位有效截面积的拉力强度及截面密度均小，在第一次张拉时非弹性变形量大，下料前必须按规定预张拉。防止钢丝锈蚀的方法，除了采用镀锌钢丝外，还可以采用在钢丝绳的空隙中填以红铅油、地沥青等，也可在钢丝绳外加一层柔性或刚性索套。
闭合型钢丝绳的截面呈梯形、Z 形，绳面光滑，防水性能好，截面密实，但价格较贵。见图8.64（b）。
图8.64 钢丝绳截面
总之，用钢丝绳制作大缆时，受吊运限制，绳的截面不能够大，而将若干绳扎成缆时，密实性不高，弹性模量低。因此钢丝绳一般只用于作为小跨度悬索桥的主缆。
② 平行钢丝束
对于大跨度悬索桥，其索力大，所要求的钢丝数目很多，为了减小大缆直径并提高其弹性模量，常采用平行钢丝（多采用φ5mm左右的镀锌冷拔低碳钢丝）组成丝股，再由若干丝股组成密实的大缆。这样制成的大缆的各丝股受力较为均匀。平行丝股大缆可制作成正六边形、圆形等形状，通过施工工艺，可将其架设成密实和理想的截面。
平行丝股大缆具有以下优点：（a）主跨在500m以上时，工费比其他形式便宜；（b）大缆的弹性模量大，一般与单根钢丝的相当；（c）大缆的延伸率小，因此加劲梁的挠度和弯矩也较小；（d）大缆截面内的应力分布非常均匀；（e）单位有效截面积的拉力强度与其他形式相比为最大，疲劳强度也高；（f）索夹（见下）的设计相对容易。
丝股的架设截面形式一般是正六边形，以便于丝股保持稳定和相对密实。由丝股排列成大缆的截面外形有平顶型和尖顶型两种，如图8.65。平行钢丝大缆的丝股按设计排列架设完成后，将外层丝股的定型带去掉，将丝股打散，然后进行初整形；在初整形后，用紧缆机进行最终整形，将主缆紧固到要求的截面大小时，用软钢带将其捆扎，使其保持要求的形状和尺寸，如图8.66。全部紧缆完成后，再进行后续工序。
图8.65 主缆内丝股的排列
图8.66 紧缆后丝股的截面变形状态
（2）大缆的矢跨比和安全系数
大缆的矢高与跨度之比称为矢跨比。矢跨比越小，大缆中的恒载内力就越大，其刚度也就越大。通常，恒载小的桥所用的矢跨比小。采用桁式加劲梁的悬索桥矢跨比用得较大，而采用扁平钢箱加劲梁的矢跨比用得较小，一般为1/12～1/9。例如，大贝尔特东桥采用1/9的矢跨比，我国的几座悬索桥的矢跨比大都在1/10.5左右。矢跨比的选择主要是从结构布置、经济合理、美观和结构抗风稳定性等多方面综合考虑的。
大缆的安全系数主要由以下因素决定：大缆的构造、计算精度、恒载应力与活载应力之比、二次应力的影响、应力不均匀的程度、结构物的重要性等。选取适当的大缆的安全系数，做到既保证结构的安全，又经济合理，是降低悬索桥大缆材料用量的关键。国外早期悬索桥大缆的安全系数取得比较大。目前一般都在2.5左右，对特大跨度桥，由于二次应力、施工误差等的影响比小跨度桥要小，因此安全系数可取得小一些，如日本明石海峡大桥的取为2.3左右。
2.桥 塔
桥塔（pylon，tower）的作用是支承大缆。悬索桥的桥塔按其材料可分为砌体桥塔、钢桥塔和钢筋混凝土桥塔。早期的悬索桥多采用由石料砌筑的门架形桥塔结构。在20世纪修建的大部分悬索桥（特别是美国和日本的）的桥塔采用钢结构。钢桥塔在桥梁横向的结构型式可分为带斜腹杆的桁架式、只带横杆的刚构式和以上两者的混合式（见图8.67）。一般说来，桁架式桥塔无论在塔顶横向水平位移、用钢量、功能性及经济性方面均较有利。但在外观上不如刚构式简洁明快。近20多年来，随着混凝土技术的发展，特别是爬升模板问世以来，大跨度悬索桥塔开始采用混凝土结构。混凝土塔多采用带横杆的刚构形式。
图8.67 悬索桥桥塔的形式（横向）
桥塔按结构受力分为刚性、柔性和摆柱式三种。悬索桥建成后，由于活载作用及温度变化，且位于塔顶的主鞍座（见下）与大缆之间不允许出现相对滑移，主鞍座就需要沿桥轴线方向发生线位移。若采用刚性塔，则需要在主鞍座下设辊轴，使主鞍座能够沿纵向移动。若采用柔性塔，主鞍座就固定于塔顶，由塔的弹性变形来适应线位移。后一种方式构造简单，维修保养容易。在悬索桥发展的早期，有些小跨度悬索桥中曾采用摆柱式塔，这种塔在塔底设铰，可大大减小塔所受的弯矩，但施工困难，结构复杂，现已不再使用。
大跨度悬索桥的桥塔通常采用柔性塔，塔顶主鞍座固定在塔上，桥塔可挠曲，以受压为主。桥塔截面以矩形为基本形状，为美观和抗风等需要，可对截面适当调整。图8.68为丹麦大贝耳特桥（混凝土塔）的桥塔布置，图8.69为日本明石海峡大桥的桥塔（钢塔）布置。
图8.68 大贝耳特桥的塔（单位：m）
图8.69 明石海峡大桥的塔（单位：m）
为使结构的设计简单合理、制造和施工方便，悬索桥一般沿跨中左右对称布置，设置两座桥塔。但个别追求建筑造型的自锚式悬索桥仅设置一座塔。美国旧金山—奥克兰海湾大桥东侧新桥就是采用别具一格的独塔自锚式非对称悬索体系，主跨385m，大缆从独塔顶分4条降下，通过斜吊杆与桥面两边缘相连，见图8.70。
图8.70 独塔悬索体系
3.锚 碇
锚碇（anchorage）是对锚块基础（有扩大基础、地下连续墙、沉井基础、桩基础等多种形式）、锚块、大缆锚固系统及防护结构等的总称。它是固定大缆端头、防止其走动的巨大构件。悬索桥大缆两端的锚固方式有地锚（锚碇设在两岸上）与自锚（将大缆锚固于加劲梁端部）两种形式。绝大部分悬索桥采用地锚。自锚不需要修建大体积的锚碇，但应用情况较少，且只限于小跨度，这是因为大跨度悬索桥的大缆内力值的水平分量远远超过其加劲梁的承受能力。从施工方面讲，自锚悬索桥需先架设加劲梁，后架设大缆，这使得施工尤其困难。因此，只在小跨度的城市桥中，若因两岸建筑物密集，无场地或无良好地质条件可用作地锚时，才考虑自锚式悬索桥体系。
地锚分重力式和隧洞式（或岩洞式）两种，如图8.71所示。重力式地锚是凭借混凝土锚块的重量（再加上锚碇内的土重或配重）来固定大缆的两端。由于锚碇承受的竖向（向上）分力和水平（向河心）分力很大，所需要的重力式锚块尺寸也很大。例如，明石海峡大桥采用外直径85m、厚2.2m、高75.5m的地下连续墙作锚碇基础，墙内填碾压混凝土260000m3；再在基础上修建锚碇身部，混凝土用量为230000m3。隧洞式地锚是先在锚碇处开挖隧洞，留出所需的锚固套管和检修通道后，再回填混凝土与岩层连为一体，其工程数量较小，但前提则是在锚碇处有坚实岩层可供利用。
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图8.71 锚碇的形式
见图8.71示意，在锚碇范围内，大缆的丝股从缠紧状态变为散开，其拉力通过锚碇的锚固传力系统分散到锚块内。若大缆是采用空中送丝法制作的，其丝股在散开的终端应套在靴根（它是专为空中送丝法大缆设置的构造，其位置参见图8.83）；各丝股所传的拉力经由靴根及销钉（或螺杆等）传给埋在混凝土锚块中的锚杆。靴根可采用铸钢或低碳钢制作，作用是传力和调整丝股长度。过去的锚杆用钢眼杆，现在则常用预应力粗圆钢。
若大缆采用预制平行丝股制作，则靴根当用锚头铸钢件（常简称为锚板）代替。这时，丝股的锚头传力于锚板，用螺杆穿过铸钢件与前锚板相连，凭借螺母来调节铸钢件位置，使丝股长度趋于一致，这种方式叫“前锚”；也可以让丝股穿过预埋在混凝土锚块中的套管，到达混凝土锚块的后锚面，让丝股力通过后锚面传给锚块，这种方式叫“后锚”。
图8.72为英国塞文桥的靴根构造。
图8.72 塞文桥靴根构造
当大缆在锚碇前墙处需要展开成丝股并改变方向时，则需设置大缆支架。大缆支架可以设置在锚碇之外，也可以设置在锚碇之内。大缆支架主要有三种形式：钢筋混凝土刚性支架、钢制柔性支架及钢制摇杆支架，如图8.73所示。当采用刚性支架时，其底部必须设置辊筒，以适应大缆的伸缩。
图8.73 大缆支架
4.加劲梁
悬索桥加劲梁（stiffening girder）的作用不像斜拉桥的主梁那样大，它主要起支承和传递荷载的作用。现已建成的悬索桥的加劲梁大都采用钢结构，沿桥纵向等高度，一般采用桁架梁或扁平钢箱梁。扁平钢箱加劲梁的优点是：建筑高度小，自重较桁架梁轻，用钢量省，结构抗风性能好（风的阻力系数仅为桁架梁的1/2～1/4）。典型的扁平钢箱梁的截面如图8.74所示，其由带加劲肋的钢板焊接而成，在箱内还设有横隔板或由杆件组成的横撑，桥面通常采用正交异性钢桥面板（参见图6.8（a））。
钢桁架式加劲梁在双层桥面的适应性方面远较钢箱梁优越，因此适合于交通量较大的或公铁两用的悬索桥。桁架式加劲梁的立面布置多采用有竖杆的简单三角形形式，其横向布置当根据是否设双层桥面而定，桥面常采用钢筋混凝土板或正交异性钢桥面板。图8.75（a）为明石海峡大桥加劲梁横截面（双层桥面，公路钢桥面板），图8.75（b）为美国纽波特大桥加劲梁横截面（单层桥面，混凝土桥面板）。
大跨度悬索桥加劲梁的高度主要与结构的抗风性能等有关，与结构受力的关系不大，由于桁架的抗扭刚度相对较小，桁架式加劲梁的梁高比扁平钢箱梁的要高得多，如明石海峡大桥（主跨1991m，桁架式加劲梁）梁高14m，而大贝耳特东桥（主跨1624m，扁平钢箱梁）梁高仅4.0m，我国目前所修建的大跨度钢箱加劲梁的梁高大都在3.0m左右。
图8.74 梭形扁平钢箱加劲梁截面（单位：cm）
图8.75 桁架式钢加劲梁截面
根据加劲梁的立面布置，悬索桥可以分成单跨两铰式、三跨两铰式或三跨连续式。对三跨两铰悬索桥，在加劲梁跨度两端设有断缝，在荷载作用下，断缝处的变形（竖向及横向角位移）及纵向线位移较大，相邻结构可能会发生碰撞，需要采用构造措施加以处理。对三跨连续悬索桥，加劲梁断缝只在梁的两端；由于超静定次数增多，结构变形有所减少。较多的大跨悬索桥采用两铰式。
对加劲梁下的支座，一是要求其能将加劲梁支点反力传到塔或下部结构，二是要求其能满足结构变形。在两铰悬索桥中，由竖向及横向荷载产生的加劲梁端部的位移较大，特别是在一般桥梁中不予考虑的横桥向的位移较大，因此所设计的支座必须能满足加劲梁在其端部能绕竖直轴自由转动的要求。为了满足这种功能要求，加劲梁一般在竖向与横向分别设置支座。在立面上，加劲梁两端常用吊杆或摆柱作为其支承。
5.索夹及吊索
作用于悬索桥加劲梁上的恒载及活载通过吊索（hanger）传给大缆。为保证传力途径的安全可靠，需在大缆上安装索夹（band）。索夹由铸钢制作，分成左、右两半或上、下两半，安装之后，用高强螺杆将两半拉紧，使索夹内壁对大缆产生压力并由此产生摩擦力，防止索夹沿大缆向低处滑动。
吊索可用钢丝绳、平行钢丝束或钢绞线等材料制作。吊索的下端与加劲梁连接，上端连接有两种方式，一种方式是采用销钉连接，在索夹（此时为上、下两半）下一半的下垂板（又称吊耳）上设置销钉孔眼，吊索上端设开口套筒，两者通过销钉相连，见图8.76（博斯普鲁斯Ⅰ桥）；这类吊索可采用钢丝绳或平行钢丝束。另一种方式是让吊索绕过索夹（此时为左右两半），让吊索骑挂在索夹上，如图8.77所示（韦拉扎诺桥），这类吊索常用钢丝绳制作，为避免过大直径钢丝绳绕过索夹会导致钢丝绳破断力降低太多，在每一索夹处常用两对直径较小的吊索。目前销钉连接方式用得较多。
图8.76 销钉连接示例（单位：mm）
图8.77 骑挂式连接示例（单位：mm）
传统悬索桥的吊索都是垂直的，但从英国的塞文桥开始尝试使用斜吊索。至今，大跨度悬索桥采用斜吊索的仅有塞文桥、博斯普鲁斯Ⅰ桥和恒比尔桥三座。将吊索设计成斜索的目的，是为了提高采用较轻的扁平钢箱梁大跨度悬索桥振动时的结构阻尼值。斜吊索与垂直吊索相比，索力较大，因此可以提高振动能量的衰减率。对于小跨度悬索桥，斜吊索还能较显著地增大悬索桥的竖向刚度。另外，吊索也可考虑采用竖吊索与斜吊索混合使用，即在跨中部分使用斜吊索，在其余部分使用竖吊索。
吊索的安全系数要比大缆高出很多，这主要考虑到吊索的疲劳（风与车辆引起的振动）、设计制作及安装误差等的影响。国内外对吊索的安全系数一般取3.0～4.5。
6.鞍 座
鞍座（saddle）是直接支承大缆并传递荷载的装置，分主鞍座、副鞍座和展束鞍座。一座悬索桥中必须设有主鞍座。设在塔顶的鞍座叫主鞍座（简称主鞍），用作大缆跨过塔顶的支承，承受大缆产生的巨大压力并传递给桥塔。见图8.78示例。
图8.78 英国福思桥主鞍座
主鞍一般由铸钢件构成，随着焊接技术的发展，目前的鞍座大多采用铸焊结合结构，即鞍槽采用铸钢件，鞍槽下的支撑结构用厚钢板的焊接结构，鞍槽与支撑结构之间也用焊接。为方便吊装，往往将主鞍在纵向分为两段或三段，吊装到塔顶后用高强度螺栓连接成一体。
鞍座的弯曲半径关系到大缆的弯曲应力和大缆与鞍座的接触压力。大缆的弯曲应力与弯曲半径成反比，接触压力会削弱大缆的拉力强度，也与弯曲半径成反比，因此确定鞍座的半径时必须对这些因素加以充分考虑。一般悬索桥的主鞍半径是大缆直径的8～12倍。
就大跨度悬索桥来讲，在成桥之后，主鞍应固定在塔顶，且主鞍与大缆之间不能有相对滑移。在悬索桥的架设过程中，随着缆力增加，大缆要带着主鞍向河心方向移动，索塔也为此向河心方向弯曲。为使位于主鞍两边的大缆水平分力接近相等，塔身在成桥后保持在设计位置，可以在施工中向岸边拉动塔身，形成预偏。
若边跨较大，致使大缆在边跨靠岸端的坡度平缓，为了使大缆对水平线的倾角变陡，以便进入锚碇，可以在边跨靠岸端的墩或钢排架顶上设置一鞍座，称为副鞍。见图8.79示例。副鞍的主要作用是可改变大缆在竖直平面内的方向，因此仅在需要改变大缆方向的桥上才设置副鞍。从副鞍到锚块混凝土前锚面，大缆还有相当长度。随着缆力的增加，副鞍将发生向河的纵移，为此，需把副鞍设置在摇轴、摆柱或辊轴上，以适应成桥后副鞍的（因活载所生的）纵移需要。而在施工过程中，则需要让副鞍预先有一靠岸的纵移量，以使它在成桥时能进入设计位置。
图8.79 英国福思桥副鞍
在锚碇前墙处（或在锚碇之内支架处），大缆需要散开成丝股，当缆在散开的同时还有一向下的转折角时，就需要在这里设置展索鞍（或散索鞍），见图8.80示意。其功能一是改变缆索的方向，二是把大缆的丝股在水平和竖直方向分散开，然后将丝股引入各自的锚固位置。在展索鞍之下，也应该设置摇轴、摆柱或辊轴。展束鞍的形状较复杂：在大缆进口端应有圆槽，以便与大缆的圆截面相适应；在丝股出口处，应让外层各丝股的上端交汇于一点，下端指向锚块混凝土前锚面的指定丝股位置。
图8.80 展束鞍的构造示意
如果大缆在展索时不改变其总方向，则无需设置展索鞍而采用展索套。展索套呈漏斗状，大缆从其小口进入，在大口处散开。为便于安装，展索套做成两个半圆形铸件，然后用螺杆连接。为防止展束套沿大缆向上滑移，需要在展束套小口之外设置“挡圈”。挡圈的构造与索夹相似，分为两半，套住大缆后，用高强螺杆拧紧，由此产生摩擦力，凭摩擦力阻挡展束套的向上移动。
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