土木工程前沿

对未来大跨桥梁的发展趋势的研究摘要：近30多年来桥梁的发展概况，可以看出结构在向轻巧、纤细方面发展，而载重和跨度却不断在增长。为了适应这种桥梁发展需要，就要对建筑材料、结构构造、设计计算理论、施工方法等方面提出新的要求。同时，在桥梁美学方面也应予以足够的重视。关键词：桥梁发展；新型材料；桥梁CAD；施工技术；桥梁美学一、引言现在桥梁建筑已不单纯地被视为交通线上重要的工程实体，同时也是一个国家科学技术、综合国力的综合体现。由于科学技术的进步,工业水平的提高,人类社会文明的发展,桥梁工程日新月异。随着时代前进的步伐,人们对桥梁工程提出了更高的要求,对“适用、安全、经济、美观”的桥梁设计原则赋以更新的内容。桥梁工程无论是现在还是以后都不会停步的，它的发展前景会更广阔。大跨桥梁的的发展是社会发展的必然产物，自从桥梁出现以来,其跨径一直在不断的加大。从几米的小桥发展到现今主跨一千多米的特大桥,体现出了人类改造自然的能力在不断变化。自18世纪80年代以来的200多年间，随着大工业的兴起和交通运输的需要而发展起来的世界桥梁，桥跨由英国熟铁链杆桥曼内海峡桥主跨177米的最初桥跨的世界之最，到1931年美国建成乔治华盛顿桥，主跨首先突破1000米大关，达到1067米，百米到千米桥跨的发展历经了一个半世纪。20世纪的后70年里，美国的主跨1280米的金门大桥、主跨1289米的维拉扎纳大桥，两次刷新了当时的世界桥跨记录，到20世纪八九十年代英国的恒比尔河大桥、日本的明石海峡大桥先后再次刷新世界桥跨记录，桥跨才开始接近2000米大关。在21世纪,由于跨海工程的出现,桥梁还要向更大跨径的方向发展。21世纪世界桥梁跨度有多长？随着意大利主跨3300米的墨西拿海峡大桥设计的完成，人类社会的建桥技术、新型材料运用使桥梁跨度已步入登峰造极阶段。据有关桥梁专家预测，筹建中的西班牙与摩洛哥之间的直布罗陀海峡大桥、美俄之间的白令海峡大桥的桥梁跨度将突破墨西拿海峡大桥主跨的长度，成为21世纪新的世界桥梁跨度之最。这些主跨接近4000米达到登峰造极水平的特大型桥梁建成之后，除大洋洲孤悬于大洋之中外，亚非欧美四大洲将联为一体。大跨的跨海桥梁将会成为21世纪桥梁建设的主题。我国桥梁向跨海桥梁工程发展的路在何方？要如何切实可行地实现大跨桥梁？以下我就国内大跨桥梁发展趋势发表一些个人的看法。二、材料的应用和发展在桥梁中随着跨度的增大。混凝土材料，钢材的强度渐渐不够使用，例如混凝土预应力梁桥当跨度超过300m后应力几乎用足，只有提高标号或改变材料才能把跨度继续做大。又如在斜拉桥中如果用碳纤维取代钢索则跨度更大，最有利于同悬索桥的竞争。要推动桥梁跨度的发展、材料的发展是一根本问题。新材料对桥梁工程的发展具有关键性作用。没有材料科学的发展，就不会有长大跨及新桥型的诞生。当桥梁向大跨度方向发展的同时，未来桥梁新材料应具有高强、高弹模、轻质的特点，对建桥材料也提出了高强、轻质和多功能的要求，桥梁的规模有一个理论上的限度。新型材料不断出现，不过它们的实际应用仅仅受制于对其使用寿命的顾虑。在以保守的方式使用新型材料的初期验证阶段、目前桥梁常用的钢和混凝土，从而实现高强轻质的目标。材料科学的进步为桥梁实现轻巧、简洁、形式的多样化提供了更多的可能性，进一步探索新型的、高强、超高强工程材料建立其可靠的力学本构关系，以充分发挥材料潜在的承载力，并在结构理论研究上发展更符合实际状态的力学分析方法与新的设计理论，不同类型轻质材料组合拼装的各类新型斜拉桥、悬索桥、轻质拱桥，并向可靠度理论方向进行探索，将一跨而过的大川海湾。新型钢材料的应用将推动桥梁工程的发展。钢材料在桥梁建设中尤为重要，随着钢材料的发展，我国还将进一步的开展低含碳量以及其他合金元素、经过微合金化和晶粒细化处理的超高强度钢材的研究以及生产。此种高强度的钢材具有优异的焊接功能。在我围已建的采用了焊接性能良好的14MnNbq及15MnVNq钢以及栓焊整体节点所组成的大型桥梁，还需进一步的发展，向更高强度钢及全焊钢梁结构发展。抗腐蚀性好、结构表面不需要油漆的耐候钢也逐步得到应用。先进复合材料也会得到较大的推广使用。先进复合材料(AdvancedComposites)又称纤维增强塑料(FibreReinforcedPlastics，简称FRP)，是以非金属纤维(如玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维)作增强材料，以树脂(如不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂)作基体材料的复合材料。树脂将纤维束结成整体，既能保护纤维免受机械破坏和化学腐蚀，又能使纤维整体受力。先进复合材料具有以下特点：1、强度高。用S玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维做成的复合材料筋束，其抗拉强度高于高强钢丝，用E玻璃纤维做成的复合材料筋束，其抗拉强度与高强钢丝接近。2、耐腐蚀。玻璃纤维复合材料水管的寿命为钢水管和混凝土水管的两倍。3、应变关系直至破断均呈线性。4、弹性模量。碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。5、疲劳特性。碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝，E玻璃纤维复合材料的疲劳强度则介于普遍钢丝和高强钢丝之间。金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30%～40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。6、容重轻。约为钢的五分之一至四分之一。据有关桥梁专家介绍，21世纪的桥梁主材将采用高强度、高韧性钢材和抑振合金材料。日本明石海峡大桥的加劲梁采用780兆帕焊接时低预热型新型高强度钢板，使其桥梁主跨设计刷新了20世纪的最大跨记录，达到1991米。21世纪钢桁连续梁将大量采用高强度低预热型焊接用钢板，大线能量焊接用钢板、高韧性钢板、抗层状撕裂型钢板、异形钢板、耐候钢及镀锌钢板、抑振厚板、玻璃钢、抑振合金材料，不仅可有效地增大钢桁梁桥的桥跨，而且能有效地降低梁体自重，实现大跨、轻质目标。高强度混凝土是桥梁建设必不可少的主材料之一，21世纪的混凝土材料将加入来亚纳米、水溶性聚合物、有机纤维以不断提高强度与耐久性。桥梁建设将广泛运用环保型混凝土，桥梁的韧性、耐久性及强度将得以有效地提高。三、学科发展随着计算机微处理器技术的迅猛发展，桥梁CAD技术将面临新的发展机遇。集结构分析、工程制图、工程数据库及专家系统的桥梁CAD软件将会问世，并将迈入桥梁设计的网络时代。借助计算机和非线性数值方法的不断进步，使力学模型日益精细化，仿真度提高，可以在设计阶段逼真地描述大桥在地震、强风、海浪等恶劣自然条件下施工和运营的全过程，为决策提供动态的虚拟现实图像。大型桥梁基础的施工技术可分为大型群桩基础施工技术、大型冻结基础施工技术以及大型沉井基础施工技术等。以江阴长江大桥为代表的沉井基础施工、润扬大桥为代表的大型排桩冻结法施工、苏通桥基础为代表的大型群桩基础施工，都是我国在大型桥梁基础施工方面取得的创新成果。海上桥梁基础工程发展的重点在于海洋钻井平台技术的引进。目前世界桥梁基础尚未超过100m深海基础工程，下一步需进行100——300m深海基础的实践。大型桥梁基础施工技术不断创新。四、桥梁美学研究桥梁通常是社会大型公用设施，与其他土木建筑相比，它具有土木工程建筑的一般属性，桥梁建筑还具有自身的特点，有使用和观赏两重功能。其主要功能是给人们提供跨越障碍的通道，具有体型庞大、位置固定、建造具有不可逆性且耗资巨大等特点。由桥梁的特殊功能决定了桥梁必须是一个开放的体系、结构散布在社会各处，任何人在任何时间都可以使用它。与人类的活动密切相关，具有开放性，使用寿命也比较长。因此，公共性、公平性、安全、适用、经济必然是桥梁设计的原则。桥梁规模越大，激发了公众参与的热情，经济因素在桥梁建设中所占的比重就越大，人们对其建造都非常关注，这一点在现代桥梁设计实践中已得到足够的重视，这就是推动桥梁美学研究的直接动力。创新便是桥梁建筑艺术的灵魂，通过总结前人的创新经验，终究会走向桥梁的艺术范畴。桥梁建筑属于结构，创新必须以实践为基础，其存在的基础是其适用性，也需要用理论来指导。闻名遐尔的美国旧金山金门大桥、澳大利亚悉尼港桥、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、香港青马大桥等这些著名大桥都是一件件宝贵的空间艺术品，成为陆地、江河、海洋和天空的景观，成为城市标志性建筑。宏伟壮观的澳大利亚悉尼港桥与现代化别具一格的悉尼歌剧院融为一体，成为今日悉尼的象征。因此，21世纪的桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，达到人文景观同环境景观的完美结合。五、结语桥梁跨度不是科技进步的唯一标志，但它是科技进步的重要标志。桥梁的跨径代表着一个国家的经济、工业和科学技术的整体水平。跨度的大小并非人的主观愿望，它是由经济、材料、桥型等多种因素确定的，跨度的推进必然会给工程带来更多的风险，而工程是只能成功不能失败的，只允许存在缺点而不能有错误，因为桥梁工程、特别是大跨的桥梁工程的失败或错误是谁也承担不起的。大跨桥梁的发展是社会经济发展的必然，随着一系列跨海工程的出现，迫使我们必须挑战更大的桥梁跨度。由于国外许多国家的桥梁事业相对于中国都起步较早，很多桥梁技术都比中国先进，所以我们在发展大跨桥梁时应该多借鉴国外桥梁方面的成功经验，推动大跨度桥梁在中国更快的发展。可以预见,21世纪大跨度桥梁工程建设必将取得新的突破,取得更大、更新的发展。