桥梁结构的发展与思考共18页Word下载.docx

1、从而，在桥梁设计、制造和施工等方面的技术水平上有了大幅度提高，拉近了与发达国家之间的差距，步入了世界先进行列，正在建设的苏通长江大桥（主跨1088m）将是世界最大跨度的斜拉桥。然而，在这样的快速发展过程中，由于对世界桥梁技术发展历程的认识和把握不充分，某些基础性研究未及时跟上，以及其他方面的原因，不可避免地出现了一些问题和认识上的偏向，这是今后我国桥梁建设应予关注的现象。这里仅就桥梁结构形式的发展、桥梁建设的目标、结构演变中的优胜劣汰、我国近年来桥梁建设的主流和问题等，谈一点自己的初步认识。2、桥梁的发展桥梁的发展经历了漫长的演变，不同时代都取得了太多的辉煌，也经历了许多失败和教训。概略回顾这

2、一过程，有助于我们把握今天桥梁建设的目标和今后桥梁发展的趋向。2.1原始的“桥”倾倒的树木横担在小河的两岸，这就是原始的“梁桥”。在长期水流浸蚀下，岩石下形成洞穴和河流，这就是原始的“拱桥”。森林中连系两棵大树的树藤，这就是原始的“索桥”。2.2现代桥梁的发展原始社会时，人类聪明地利用了天然的原始桥，作为跨越障碍的通道，拓展了自己的活动范围，增强了在自然界的竞争力。直到17世纪以后，人造材料的突破，材料力学和结构力学的逐步发展，桥梁才可能真正以结构的形式作为跨越天然障碍的通道，并向更大的跨越能力发展。到18世纪末，人们应用更好的人造材料（砖、石、铁、铸钢等）和更完善的力学知识，开始建设更大跨度

3、的梁桥、拱桥和索桥，从而为现代桥梁奠定了基础。直到今天，桥梁从承载的结构形式看，仍保持了与原始桥的一致性。从采用材料来看，已由高性能钢材和高性能混凝土取代了砖、石、木和铸钢。20世纪中期以后，计算机的进步，使更复杂的桥梁结构精确计算分析成为可能，并促进桥梁结构向更合理的方向发展，在梁桥、拱桥、悬索桥等基本结构形式上演变出许多新的结构形式。（1）现代桥梁的基本结构形式及其跨越能力梁式桥梁桥基本形式是板梁、箱梁、桁梁。为增大梁式桥的跨越能力，从简支梁发展到连续梁和连续刚构。通常简支梁跨度在100m以内，连续梁的跨度在200m以内，目前连续钢桁梁最大跨度达510m（日本港大桥），PC连续箱梁最大跨度

4、达301m（挪威stolmasundet桥）PC连续刚构桥最大跨度达270m（中国虎门珠江辅航道桥）。拱桥拱桥的基本结构形式是无铰拱，一般跨度在200m或300m以内。现已建成的钢箱拱最大跨度达550m（中国上海卢浦桥），正在建设的钢桁拱主跨跨长达552m（中国重庆朝天门桥）混凝土拱桥最大跨度达420m（中国万县长江大桥）。索支撑桥梁悬索桥是索支撑桥梁最基本的结构形式，是跨越能力最大的桥式，一般情况下跨越能力在1500m以内。已建成的悬索桥最大跨长1990m（日本明石海峡桥）。正在建设的意大利Messina海峡桥，主跨长达3300m，主缆用钢量166600t，主塔为112000t，主梁仅为66

5、500t。由此可见，当悬索桥的跨度增加到一定长度后，现有缆索材料强度（）已成为制约因素。（2）桥梁的结构与材料材料是所有工程发展的基础。桥梁从原始桥发展到现代桥梁，并演变成许多桥梁结构形式，同样与材料的发展密切相关。现代桥梁目前的主要用材是钢和混凝土，钢材强度高，延性、韧性好，但价格高，从而钢桥重量较轻、施工速度快、用于大跨度桥梁有无可替代性，然而钢材作为受压构件时，板件的压屈和构件的稳定性，以及受拉构件的疲劳性，使高强度钢材的应用受到一定的限制。混凝土材料价格低、抗压性好，但是脆性材料，几乎没有抗拉强度，因此，混凝土桥受重量大、混凝土易开裂等因素的影响，限制了其向更大跨度发展。冷拔高强度钢丝

6、的发展和进步是索支撑桥梁向更大跨度发展的必要条件，也使混凝土梁桥避免了受拉而开裂，使RC梁桥演变成PC梁桥，并增大了RC梁桥的跨长。但是高强度钢丝在腐蚀介质下引起的应力腐蚀疲劳断裂已造成一定数量PC梁桥和索支撑桥梁的破坏或承载力降低。所以，人们又开始研究无腐蚀的高强度碳素纤维材料和树脂纤维材料（FRP）来替代高强度钢丝。另外，从上世纪50年代起，人们把钢梁和混凝土板通过剪力键结合成组合梁，80年代把钢梁和混凝土梁通过纵向接头连成整体作为斜拉桥的加劲梁，发展成为今天的各种各样复合结构桥梁。这些复合结构（组合结构和混合结构的总称）很好地利用了钢材和混凝土材料各自性能上的优点，克服各自性能上的弱点，

7、并互相支撑和约束，广泛地用于桥梁的上部结构和下部结构。3、现代桥梁建设的目标3.1桥梁功能指标何为现代桥梁？现代桥梁应具有满足其功能所必备的机能，应有足够的耐久性、良好的施工性（制造、安装）和维修性、优美的景观性、合理的经济性。而且桥梁的功能和机能应经受长期运营的检验。下面对这些指标概念作一解释。（1）桥梁的功能指标满足行人、汽车或火车等安全通行，以及气体、液体和固体货物的安全自动运输。（2）桥梁机能承载力在静力作用下，结构不产生强度、稳定等破坏，在多次循环荷载作用下不产生疲劳脆断，并有一定的安全余度。在动力（行车、风、地震）作用下，结构的动力响应及稳定性应满足要求，并有一定的安全余度。走行性

8、车辆走行安全性乘客的舒适性为此，要求结构具有一定的竖向、横向和扭转刚度。（3）耐久性设计寿命：桥梁是数量庞大的社会资产，设计寿命应考虑100年以上。使用寿命：正常维修情况下，使用寿命应大于设计寿命。物理化学寿命：包括混凝土的劣化寿命、钢材的腐蚀寿命，机械部件的磨损寿命及有机材料的劣化寿命等。疲劳设计寿命：在循环应力作用下不产生疲劳裂纹的寿命。疲劳寿命应大于设计寿命。（4）施工性，是指结构设计应利于制造和安装，以便确保制造和安装质量。（5）维修性，桥梁在长期运营中，必须进行日常的和定期的维修管理，以便延长桥梁的使用寿命。因此结构设计应便于维修及加固或更换。（6）景观性，是指人们的视觉印象和文化底

9、蕴的结合。与周边环境想协调，可区分为城市桥梁、旷野桥梁和山地桥梁。反映地区、国家、民族的文化特点桥梁自身的协调性（近视和远视的视角效果）主跨、引桥跨长比例的协调性。墩高、跨长比例的协调性。局部细节和构件比例的协调性。S形线路布置是视觉效果。桥梁自身“力度”的效果。直线、曲线、连续性的结合。桥梁着装涂装色彩桥面、桥头及周边少量适合的装饰。（6）经济性这里的经济性是指对桥梁的经营管理（见图1），包含桥梁初始建设费（含规划、设计和工程费等）、运营期内的维修管理费，以及运营后的收费和带动地区的经济增长。然而，作为桥梁建设者，选定合理的结构和施工方法降低桥梁的初始建设费和维修费，永远是最主要的任务之一。

10、图1 桥梁经营概念图3.2 桥梁建设的基本原则桥梁除了需具有上述的交通功能外，还具有拓宽国土的有效开发及利用自然资源和社会资源的作用，因此，桥梁建设应遵循以下基本原则：根据交通线走向所选定的桥位，考虑桥位的自然、地质、气象和社会等条件，选择相适应跨长的结构形式和材料。桥梁建设需投入数额巨大的费用，一种桥式只能适用于一定的跨度范围，因此桥梁建设的经济性不仅体现在经营上，国际桥协现任主席伊藤学在“超长大桥梁建设序幕”一书中说：“不会采用能跨越2000m的悬索桥来跨越宽度仅50m的小河”。此外，数量庞大的桥梁是一笔巨大的社会资产，所以，桥梁建设应确保其有一定的使用寿命，不因过早的病害使这些资产过早的

11、流失。因此，对于桥梁建设者来说，针对具体桥位选择最合适桥式和材料而建设的经济型桥梁永远是最好的桥梁。4、桥梁结构演变中的思考桥梁发展过程中不断从三类基本桥形上涌现出新的桥式，并伴随着优胜劣汰。历史上桥梁工程师为了不断增加桥梁的跨越能力以及满足桥梁功能所需要的机能、耐久性、施工性、维修性、景观性和经济性，在三种基本结构形式上，创造了许多新的桥梁结构形式。经过运营的检验，有的显示了旺盛的生命力，很快得到了发展和推广；有的因机能等方面的原因逐渐退出；有的经历了曲折后重又辉煌。了解这一情况对今天或今后桥梁建设有着重要意义，现作一概略回顾。（1）梁桥的演变与发展梁桥发展中值得一提的是，初期为了增加主跨跨

12、长，建设了许多带悬挂跨的连续梁，因难以避免的病害和车辆走行性差，现已退出历史。PC桁桥和PC系杆拱桥因混凝土裂纹和节点预应力锚固等问题，现在也没有人使用了。钢桥发展中最重要的是由焊接连接或栓（高强度螺栓）焊连接取代了铆钉连接。另外，有两类事故对钢桥的完善起了很大作用。一是不断产生的疲劳裂纹，特别是上世纪40年代焊接桥梁出现以后，迫使人们对对疲劳问题的重视和研究，建立了一整套疲劳设计规范。另一类是1970年前后欧洲和澳洲连续发生了四座钢箱梁架设中因带肋板的局部压屈而垮桥的事故，促使人们对焊接构件和板件稳定问题的研究。混凝土桥梁发展中最重要的是预应力的导入，以及对混凝土材料因盐害、中性化、碱骨料反

13、应、冻融等病害而产生早期劣化的认识，迫使人们研究各种对策来延长混凝土桥的耐久性。近年来，PC梁桥有两点发展趋向值得注意。为减轻自重，一是体内体外索并用PC箱梁的发展；二是PC梁正向组合梁演变，如波形钢腹板等PC组合梁的出现及推广。为确保混凝土性能的稳定性、缩短工期、减少干燥收缩裂纹等，采用预制节段悬臂拼装化施工。总之，梁桥受自重因素的影响，只能适用于一定跨长。（2）拱桥的演变与发展拱桥发展中，二铰拱、单铰拱很快就没人选用了。目前的拱桥多为无铰拱。20世纪初，出现了用系杆承受拱肋推力的系杆拱桥，使之用于地质条件不适合推力拱的桥位，大大拓展了拱桥的应用范围。同样，拱桥也有一定的适应跨长。上世纪80

14、90年代，我国建成了相当数量的用索系杆代替钢系杆的索系杆拱桥，很快出现了一些问题，今天虽已减少，但留下了许多有待深入研究的问题。（3）悬索桥的演变与发展大挠度理论的出现使悬索桥的跨长超过了梁桥和拱桥，20世纪初美国建设了相当多的大跨度悬索桥，1931年建成的乔治.华盛顿桥的跨长第一次超过了1000m，并第一次用钢塔取代了过去的石塔和钢骨混凝土塔。20世纪中期以前，悬索桥加劲梁均采用钢桁梁。为减轻自重，1966年英国的塞文桥首次采用扁平钢箱梁和三角形斜吊索代替垂直吊索，虽然10多年后发生了严重的裂纹问题，钢箱梁经过改进后很快在世界公路桥上得以推广，而三角形斜吊索经土耳其第一博斯普鲁斯桥和英国恒伯

15、桥后，现已没有人采用。悬索桥发展中另一重大事件是1940年美国塔科玛桥（跨长853m，单层板式梁）风振垮塌事故，引起了抗风稳定性研究的热潮。另外，悬索桥加劲梁究竟是采用自重和刚度较大的桁梁或是较小的扁平箱梁，哪一个最有利于抗风稳定性和经济，也一直是争论的话题。这要进行具体分析，二者仍在不断坚持实践。至今，已建成的最大跨长悬索桥是日本明石桥，1990m。正在施工的意大利Messina海峡桥跨长达3300m。总之，悬索桥向大跨度发展中，以下研究是功不可没的：计算理论的进步。抗风稳定性的理论研究和风洞试验技术的进步。性能稳定的高强度钢丝的研制。极限强度从600MPa增至现在的2000MPa以上，安全

16、系数从3.5降至现在的2.0或1.8，使主缆自重大大降低。近来，有些地方争着攀比跨长世界第一的自锚式悬索桥，由于这种桥式在架设上、加劲梁受力特性上有悖常理，不经济等原因，实在没有必要尝试。（4）斜拉桥斜拉桥起始于上世纪50年代的德国，跨越能力介于梁桥和悬索桥之间。由于适合悬臂施工，塔型和索型多样化，自身造型挺拔美观，各种部件受力合理等，问世后很快推广到全世界，这是桥梁结构史上最成功的范例。当然，也经历了粗索体系和密索体系，以及射线型、竖琴型和扇型等索面的比较和实践，今天，扇形面密束体系已占据主流。而双索面、单索面，单双索面组合，或双塔、多塔、独塔并未显示出有明显的缺点。在各种桥式中，斜拉桥最能

17、体现多样化特点。目前已建成斜拉桥的最大跨长890m（日本多多罗桥），我国正在建设的苏通长江大桥主跨1088m，超过了1000m。其中，80年代出现的斜拉板桥，曾一度连续建了几座桥，但很快因混凝土裂纹、施工期长且困难等问题，现已很少有人选用。（5）梁、拱、索的组合在桥梁发展史上，人们从未放弃过合理利用梁、拱、索的力学特性，寻求更大的跨越能力、经济性和创新。如梁拱组合，索塔梁组合、甚至索拱梁组合等。这里值得一提的是Extradosed Bridge（矮塔斜拉桥），上世纪80年代末出现后，很快引起世界桥梁工程师的注意，它的外形象斜拉桥，实质上是一种大偏心体外索梁桥，即受力接近于梁桥，而又很好平衡了连

18、续梁中间支点负弯矩。至今，世界各地已建成了数十座这种桥梁，其跨越能力一般介于连续梁桥与斜拉桥之间，并可用混合梁的形式（跨中为钢梁、中间支点处为PC梁）来延伸其跨长。其中代表例有日本木曾川桥混合梁，（跨长160m3275m160m），中国的芜湖长江大桥（钢桁梁，跨长180m360m180m）。（6）新型复合结构桥梁复合结构（Hybrid Structure）桥梁是组合结构（Composite Structure）桥梁与混合结构（ Mixed Structure）桥梁的总称。组合结构桥梁的发展经历了一段较大的起伏。约在19601980年，组合梁建设经历了“冰点”期，主要是最初的组合梁设计理论，即基

19、于把钢和混凝土用弹性模量比换算成同一种材料，并按平面变形假定的线弹性理论进行分析计算，导致混凝土板开裂，栓钉剪力键产生应力腐蚀疲劳断裂，承载力降低，以法国为例，当时组合梁的用量仅占桥梁总量的2.3。后经研究，采用了考虑剪力键抗剪刚度的不完全变形理论及限制裂纹宽度的设计方法，并研发了抗疲劳性能更好的剪力键等，80年代末以后，组合结构桥梁重又获得快速推广，仍以法国为例，90年代后期，公路桥中组合梁已占85，TGV高速铁路地中海线已占约80。并从欧洲很快推广至日本和北美。许多专家预言：21世纪初期将是组合梁的时代。此外，随着组合梁的崛起，创新了许多很有特色的复合结构桥梁，出现了桥梁结构形式上最为多彩

20、的时期，现列举一些桥例作一说明。混合结构桥梁如日本多多罗斜拉桥的主梁。中国礐石斜拉桥的主梁。波形钢腹板PC箱梁桥这是1988年由法国工程师Maddox提出的桥式，比PC箱梁自重减轻约20，但又不失箱梁的受力性能，因此很快在世界各地建成了数十座这类形式的桥梁。其代表实例是日本本谷川桥（跨长44m97.2m+56m）双层组合连续箱梁桥这种组合箱梁在法国和日本已设计成标准公路和铁路桥。即在跨中区域为单层组合板，中间支点负弯矩区为双层组合板，混凝土板内不设纵向预应力筋。双层组合连续桁梁桥这种桥式可使组合梁的跨越能力提高到200m以上。典型的桥例有德国高速铁路上的Nathbach桥，跨长83m208m8

21、3m；丹麦瑞典的resund海峡桥，主桥是双层组合桁梁斜拉桥，跨长141m160m490m160m141m，引桥为多联多跨连续组合桁梁，跨长8140m。钢梁或组合梁与RC墩刚性连接的混合刚构桥。钢管混凝土拱桥钢管混凝土梁桥上世纪90年代，我国建设许多钢管混凝土拱桥，如广州丫髻沙拱桥，主跨长360m。组合桥面板不仅用于新建组合梁桥的桥面板，也用于既有病害钢桥桥面板的改造工程。混凝土桥面板钢管混凝土桁架。SRC（Shape Reinforced Concrete）梁。德国、日本小跨铁路桥用的较多。斜拉桥中混合结构主塔（中国南京长江三桥）。强震区用于钢管混凝土桥墩。大型连续壁基础中采用SRC组合结构

22、。5、我国桥梁建设的主流及思考如果说我国桥梁建设从上世纪80年代开始兴起，到90年代中期以后的近10年来，已出现厚积博发态势，在大跨度拱桥、斜拉桥和悬索桥的建设上取得的成绩和桥梁形式的多样化，令世界桥梁界感到惊奇。这是我国现今桥梁建设的主流。当然也出现一些问题和某些局部现象，也是值得认真总结和思考的。（1）桥梁建设的主流快速建设了数量非常多的拱桥、斜拉桥和悬索桥，特别是大跨度钢桥的建设，全面带动了我国桥梁建设业的崛起，改变了我国桥梁建设中基本是单一的PC梁的局面，桥梁结构正向多元化方向发展。并满足了全国交通网的构成及城市发展对交通的需求。建设了许多有特色的桥梁，例如：苏通长江大桥的规模、跨长和

23、深水基础施工。建成后将是世界主跨最长（1088m）和RC主塔最高（325m）的斜拉桥。杭州湾桥的长度。它的建成将是国内最长的海湾桥。厦门海沧桥和南京长江二桥大型钢箱梁制造技术的革新为我国钢箱梁的制造奠定了基础。芜湖长江大桥。在这样大跨度公铁两用桥上采用了大偏心体外索体系。润扬长江大桥。较好地利用了南汊河道上布置的悬索桥（主跨1490m），北汊河道上布置的斜拉桥，使平面线形呈“S”状，当车辆从大桥的一端行至另一端时，给人以景深无限的视觉感观。南京长江三桥。使我国钢塔建设有了非常良好的进步，“人”字造型给人以一种顶天立地的人的力度和精神。由于当时特殊形势的需要（全国运动会召开在即），其建设速度是空

24、前的。在钢塔制造和机加工中引用了数控作业法和计算机3D预拼法，是向传统的钢结构制造的挑战的开始。广州丫髻沙拱桥的转体施工以及大跨度拱桥与两岸远处高层建筑的布局形成的景观效果等，均很有特色。另外，建成了许多非常漂亮的城市互通立交桥并已成为许多城市的一大景观。组合结构桥梁已开始受到关注。结构设计、制造、施工等规范正在逐步补充和完善。培养锻炼了一大批桥梁建设的管理、设计、制造和施工方面的人才。（2）应予注意的问题在短时间内我国建设了数量如此多的桥梁，难免出现一些问题，其中有些是技术上的认识问题，有些是设计、施工及管理上留下来的问题，如能及时总结，则可避免今后重复。这里列举一些典型问题。一些桥梁过早地

25、出现病害例如：桥面铺装层的过早损坏，结构产生非正常的永久变形，PC桥梁出现的过大裂纹，钢桥的疲劳裂纹，拱桥的吊索、束系杆及斜拉桥的斜索等钢丝或束股断裂，伸缩缝或支座的破损。极少数中小跨桥梁架设中垮塌。少量桥建成后即成为危桥，而不得不加固，个别的不得不拆除甚至早期运营中垮桥。个别城市桥梁建设费指标过高，一座100m左右跨长的桥梁，建设投资高达上亿或几亿。造成这些问题的原因有多种，难以说清楚，如能真正从技术角度调查、总结、研究，将对我国今后桥梁的健康发展具有重要价值。（3）一些现象的思考下面列举一些城市桥梁建设中出现的某些现象，是桥梁工作者值得深思的另一类问题，现归纳成以下几种说法：“多功能”说某

26、座跨长120m的城市桥，要求上层行汽车、下层行人兼做商业，三角架顶立一高33m的立杆，杆顶建一直径140m的大转轮。企图集交通、游乐和商业等多种功能为一体。预算超过6亿人民币。一家国外建筑师中标，后在一片反对声中才不得不“瘦身”。“桥梁博览会”说个别城市河流，宽约100m左右或更窄，要求建成“世界桥梁博览会”。世界范围征集桥梁方案。片面追求“世界第一”、“国内第一”说自锚式悬索桥跨度“世界第一”，斜塔无背索斜拉桥跨度“世界第一”，某某形式拱桥跨度“世界第一”，某某形式梁桥或刚构桥跨度“世界第一”。桥梁结构如果抛开了结构的合理性、施工性、耐久性，与周边环境相协调的景观性、经济性，片面追求这类世界

27、第一，究竟有什么意义？“新颖”说或“标新立异”说一些城市桥梁投标方案或中标方案中，借“新颖”、“标新立异”之名，出现一些实质为奇形的桥梁方案，现在有一种现象，似乎不出奇招就难以中标，而且这种现象首先是由外国建筑师带进中国。例如上述的“大转轮桥”、“蝴蝶拱桥”、“多拱肋桥”、“集束钢管拱桥”、“空间曲面索斜拉桥”、“帆船形桥”、“鱼形桥”、“壳形主塔自锚式悬索桥”、“景观步行桥”等等。其中有些桥放在公园里做一些小桥可增加趣味性和娱乐性，如做成正式的具有交通功能的桥梁，则应从机能，耐久、施工、维修、景观、经济等方面认真审查。有些结构力学行为明显不合理，有些工期长，有些则不经济。“小河上建大桥”说一

28、条宽度仅100m左右的河上，借防洪、美观的要求，建成300m跨度的桥梁。以上现象虽属个别，如何认识它是值得探讨的问题。6、结束语基于上述认识，在为我国建设成就而引以自豪的时候，提出以下认识上问题供思考。系统把握世界桥梁发展演变过程的成功、教训和发展动向，并作为我国今天桥梁建设的借鉴。真正意义上的理解桥梁的功能、机能、耐久性、施工性、维修性、景观性、经济性等方面的综合含意。基础性和应用性研究应及时跟上桥梁建设的发展，避免初级的验证式的重复和历史的重复，加强桥梁学科及相关学科知识的普及。应重视各种规范的修订和补充，编制规范的机制应予改革，技术规范作为法制性条文应重新认识。设计、施工等终身责任制的提法利小于弊，应提倡在提高桥梁工作者素质基础上的责任制。在探求新颖桥梁结构中，应把握力学、构造、抗震、抗风等设计中的基本知识，应掌握桥梁与周边环境相协调的尺度，最后应考虑其经济性。切不