刚构桥的历史与展望

1.1.1我国公路桥梁建设水平改革开放以来,我国公路建设发展迅速,桥梁建设作为公路建设的重要组成部分也相应发展起来。特别是最近十年,我国大跨度桥梁建设进入了一个最为辉煌的时期,一大批结构新颖、技术复杂、设计施工难度大、技术含量高的大跨度桥梁相继建成,标志着我国高速公路。近年来修建的许多特大型桥梁在世界桥梁科技进步中占有重要地位。如正在建设中的重庆朝天门大桥,是世界上跨度最大的钢拱桥,创造了十多座该类型桥梁的工程。苏通大桥以1088m的主跨成为世界第一跨斜拉桥,同时也成为世界最长的连续双塔斜拉桥。润扬长江公路大桥南汊悬索桥是世界第三大悬索桥,跨度1490m;新开通的杭州湾跨海大桥是世界上最长的跨海大桥。万县长江大桥是世界上最大的混凝土拱桥。此外,江阴长江公路大桥和香港青马大桥在悬索桥中分别位居世界第四和第五。南京长江二桥、白沙洲长江大桥、荆沙长江大桥、鄂黄长江大桥、大佛寺长江大桥、李家沱长江大桥的跨度位列世界十大预应力混凝土斜拉桥。

桥梁跨越了天然护城河,缩短了时空距离,美化了秀美山川,为中国疆域的沟通和经济的腾飞发挥了重要作用。

1.1.2我国公路桥梁发展趋势随着科学技术的发展,新材料的开发和应用,在桥梁设计阶段采用高度发达的计算机辅助手段,进行有效的快速优化和仿真分析,采用智能制造系统在工厂生产构件,采用GPS和遥控技术控制桥梁施工。目前,我国桥梁建设与国际接轨,开始向大跨度、新型、轻型、美观的方向发展。

(1)跨度在增加。

目前,世界上钢梁和钢拱的最大跨度已超过500m,钢斜拉桥为890m,钢悬索桥为1990m m。随着渡江渡海的需要,钢斜拉桥的跨度已超过1000m,钢悬索桥将超过3000m m。至于混凝土桥梁,梁式桥的最大跨度为300m,拱桥为420m,斜拉桥为530m m..

(2)桥梁类型不断丰富。

20世纪50-60年代,桥梁技术经历了飞跃:混凝土梁桥悬臂平衡施工法、顶推法、无支架拱桥的出现,大大提高了混凝土桥梁的竞争力;斜拉桥的出现和兴起显示了丰富多彩的内容和强大的生命力;悬索桥采用钢箱加劲梁,在技术上有了新的突破。

(3)结构不断变轻。

悬索桥采用钢箱加劲梁,斜拉桥在密索体系的基础上采用开口截面甚至板,大大降低了梁的高跨比,非常轻便。拱桥采用少箱甚至拱肋或桁架体系;梁桥采用长悬臂、薄板,使桥梁上部结构越来越轻。

(4)重视美观和环保。

桥梁是人类最杰出的建筑之一。著名的美国旧金山金门大桥、澳大利亚悉尼港湾大桥、英国伦敦桥、日本明石海峡大桥、中国上海杨浦大桥、南京长江二桥、香港青马大桥等都是珍贵的空间艺术品,成为陆地、河流、海洋、天空的景观,成为城市标志性建筑。因此,21世纪的桥梁结构将更加注重建筑艺术造型、桥梁美学与景观设计、环境保护,以达到人文景观与环境景观的完美结合。

1.2大跨度桥梁的分类及特点桥梁按结构体系分类是以受力特点和主要受力构件为依据,可分为梁式桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥和刚构桥五大类。

1.2.1梁式桥有多种类型,也是公路桥中最常用的桥型,跨越能力可从20m到300m不等。公路桥梁最常用的大跨度梁桥主要是预应力混凝土连续箱梁桥(图1-1)。20世纪70年代,我国高速公路上开始修建连续箱梁桥。迄今为止,我国已建成多座连续箱梁桥,如全长1340m的钱塘江二桥、全长2070m的高集海峡厦门大桥等。目前,我国预应力混凝土。预应力混凝土连续箱梁以其在结构、施工和使用上的优势,如桥面接缝少、梁高小、刚度大、整体性强、外形美观、维修方便等,近年来成为越来越多的桥梁。其发展趋势是:减轻结构自重,采用高标号混凝土。随着建筑材料和预应力技术的发展,其跨度越来越大,葡萄牙已建成250米连续箱梁桥。超过这个跨度不太经济。大跨度梁桥的上部结构多采用箱形截面,因为箱形截面具有较大的抗扭刚度,且允许箱梁具有最大细长长度,徐变变形小于T梁。由于埋入箱梁中的悬臂板长度可以大幅度变化,腹板间距可以加大,因此可以适应各种使用工况,尤其适用于预应力混凝土连续梁桥和变宽桥。因此,箱梁可以在独柱墩上建成弯斜桥。

连续箱梁桥的施工方法多种多样,只能根据安全、经济、保证质量、降低成本、缩短工期等因素进行选择。一般常用的方法有:现浇竖向支撑、预制拼装(整孔可分段串联)、悬臂浇筑、顶进、滑模现浇施工。预应力钢绞线可分段或连续分布,一般采用大吨位群锚。为了减轻箱梁自重,可以采用体外预应力钢束。连续箱梁桥虽采用预应力混凝土建造,但可就地取材,工业化施工,耐久性好,适应性强,整体性好,外形美观;该类型桥梁的设计理论和施工技术都比较成熟。但由于结构本身的自重(约占总设计荷载的30%至60%),且跨度越大,其自重所占比重越大,极大地限制了其跨越能力。大跨度连续箱梁也有大吨位支座,如南京二桥北汊桥165m变截面连续箱梁,盆式橡胶支座吨位达到65O0kN。这种大吨位轴承的性能以及未来如何替代等一系列问题都需要研究。

1.2.2的拱桥曾在桥梁发展史上占有重要地位。至今已有3000多年的历史。如今,它因其造型美观、成本低廉、承载潜力大而被广泛应用。也是大跨度桥梁之一,跨度从几十米到400多米。我国大跨度混凝土拱桥的施工技术处于国际领先水平。拱桥的力学特性是拱肋承受压力,支座一般有水平推力。按其建造材料可分为圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥和钢拱桥。

(1)石拱桥是最常见的圬工拱桥,中国古代的石拱桥建设取得了巨大的成就。如建于公元606年的河北赵县安济桥,桥跨37.4m,高7.23m,宽约9 m,记载跨度为1350年,至今保存完好。圬工拱桥不便于实现工厂化施工,且工期长,相应造价高。同时,砌体材料虽然适合承压,但其自重相对于许用应力来说比较大,不适合大跨度桥梁。

(2)钢筋混凝土拱桥是拱桥的主要形式,分为箱形拱、肋形拱和桁架拱。根据近年来的实践,常见的拱桥施工方法有现浇主支架法、预制梁段缆索吊装法、预制块悬臂安装法、半拱转体法和刚性或半刚性骨架法。我国钢筋混凝土拱桥的发展趋势是拱圈轻型化、长条形、多样化。新建的万县长江大桥为刚性箱型拱,跨度420m,世界第一。

(3)在我国,自20世纪90年代以来,钢管混凝土拱桥(图1-2)发展迅速,现已建成十几座跨度大于200m的中承式钢管混凝土双肋拱桥,其中最大跨度的重庆巫山长江大桥(主跨460m)于2005年建成,成为世界上第一座钢管混凝土拱桥。钢管混凝土和钢管混凝土内填充混凝土,使钢管和混凝土在受压时可以互补:钢管内的混凝土增强了钢管的受压性能和稳定性;而内部混凝土处于三维受压状态,提高了自身强度。钢管混凝土更接近于一种新材料,具有强度高、塑性好、耐高温、耐腐蚀、抗冲击性能好等优点。它不仅具有优越的力学性能,而且在施工上也有很多优点。比如钢管本身也可以作为模板骨架,不用拆模和支模就可以泵送混凝土;钢管本身既可以做纵筋,又可以做箍筋,而且钢管的卷制要比钢骨架的制作和绑扎容易。

1.2.3斜拉桥是我国最受欢迎的大跨度桥梁类型之一。到目前为止,已经建成或在建的斜拉桥有40多座(图1-3)。大跨度混凝土斜拉桥数量居世界第一。总体上看,我国斜拉桥的设计和施工水平已进入国际先进行列,部分成果达到国际领先水平。目前,中国正在建设的香港昂船洲大桥和即将通车的江苏苏通大桥的主跨都在1000米以上。截至目前,我国已建成各类斜拉桥100余座,其中跨径超过200m的有52座,居世界第一。斜拉桥由索塔、主梁和斜拉索组成。利用一些从桥塔伸出的斜拉索在梁的跨度中增加弹性支撑,减小梁中的弯矩。力学特性是外荷载从梁传递到索,再传递到桥塔。不同的结构形状和材料可以组合成丰富多彩、新颖独特的形式。索塔的类型有A型、倒Y型、H型和独柱式,材料有钢和混凝土。主梁有混凝土梁、钢箱梁、组合梁和混合梁。斜拉索布置为单索面、平行双索面和斜拉索面,拉索材料包括热挤压PE防护平行钢索和PE护套防护钢绞线拉索。斜拉桥的施工方法主要采用悬臂浇筑和预制拼装。斜拉桥的优点:横梁尺寸小,增加了桥梁的跨越能力;受桥下净空和桥面标高的限制;抗风稳定性优于悬索桥,不需要集中锚固结构;无需支撑,施工方便。斜拉桥的缺点:由于是多次超静定结构,计算复杂;缆索与梁或塔的连接结构复杂;施工中高空作业多,技术要求严格。斜拉桥作为一种缆索体系,具有比梁桥更大的跨越能力。由于拉索的自锚特性,不需要悬索桥巨大的锚碇,斜拉桥具有良好的力学性能和经济指标,已成为大跨度桥梁最主要的桥型,在200 ~ 800 m的跨度中占据优势。

悬索桥1.2.4悬索桥是超大跨度桥梁的主要类型之一。由于其美丽的外形和宏伟的规模,它通常被称为“桥梁女王”。自1883年美国建成布鲁克林大桥(主跨486m),至今已有120多年的历史。20世纪80年代末,世界悬索桥建设达到高峰,建成17座悬索桥,跨径超过1000m。1998年,日本建成了世界上最大跨度的明石海峡大桥(主跨1991m),使悬索桥的跨度从20世纪30年代的1000m增加到近2000m,成为世界悬索桥建设史上的一座丰碑。在中国,悬索桥建设犹如异军突起。1995年,汕头海湾大桥(主跨452米)在中国第一次建成。五年来,世界排名第四的西陵长江大桥(主跨900m)、虎门大桥(主跨888m)、宜昌长江大桥(主跨960m)、江阴长江大桥(主跨65438)相继建成。多年来,我们在悬索桥的设计和建造方面积累了丰富的经验。润扬长江大桥(主跨1490m)建成,标志着我国悬索桥的设计和建设水平进入国际先进水平。悬索桥由五部分组成:桥塔、锚具、主缆、吊索(或吊杆)和主梁(加劲梁)。主缆是主要的承重构件,受力特点是外荷载通过系杆从梁传递到主缆,再传递到两端的锚具。主要材料是预应力钢索。

由于悬索桥主缆采用高强度钢材,受力均匀,因此跨越能力大,但也存在整体刚度小、抗风稳定性差、造价高、施工难度大等缺点。当这种结构跨度超过800米时,具有很大的竞争力。