桥梁结构的发展与思考

0桥梁结构的发展与思考2005-11-1511、前言自20世纪80年代我国实行改革开放以来，国民经济持续稳定发展，促进了公路、铁路和城市交通体系的建设和整备，带动了桥梁建设快速发展和进步，建成了许多有特色的拱桥、斜拉桥和悬索桥。短短20多年来我国桥梁建设成绩有目共睹，无论在数量上，建设速度上和桥梁的规模上是任何国家在同一时期无法比拟的。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。22、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①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3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）。②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）。③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66500t。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（MPab2200）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一4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，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。53、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①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。②走行性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①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。②使用寿命：正常维修情况下，使用寿命应大于设计寿命。③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。6④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蕴的结合。①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。②反映地区、国家、民族的文化特点③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。④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。7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。84、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。①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9合梁演变，如波形钢腹板等PC组合梁的出现及推广。②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80～90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10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：①计算理论的进步。②抗风稳定性的理论研究和风洞试验技术的进步。③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