大跨度桥梁的技术发展动态和勘察设计新概念

HaiboLiuPhD.SWJTU1大跨度桥梁的技术发展动态和勘察设计新概念主讲--西南交通大学2HaiboLiuPhD.SWJTU讲座内容1.概述2.梁桥3.拱桥4.悬索桥5.斜拉桥6.跨海湾桥梁7.其他桥型8.桥梁结构设计理论的发展9.21世纪桥梁展望3HaiboLiuPhD.SWJTU1、概述对大跨度的定义公路桥梁与铁路桥梁－历史发展与特点公铁两用桥结合各类桥型介绍技术发展趋势和设计特点桥涵分类多孔跨径总长L(m)单孔跨径LK(m)桥长（铁路）特大桥L＞1000LK＞150L＞500大桥100≤L≤100040≤LK≤150100≤L≤500中桥30＜L＜10020≤LK＜4020＜L＜100小桥8≤L≤305≤LK＜20L≤30涵洞LK＜54HaiboLiuPhD.SWJTU钢桥跨度的发展5HaiboLiuPhD.SWJTU2、梁桥预应力混凝土梁桥自20世纪70年代起，大跨连续梁应用更为普遍，出现了连续刚构桥型，T型刚构桥逐步淘汰预应力技术介于先张法和后张法之间的预应力张拉技术真空管道压浆与钢筋防腐体外预应力，无粘结预应力高强轻质混凝土预制分段施工技术大跨度连续梁（刚构）存在的问题（长期下挠，开裂）6HaiboLiuPhD.SWJTUChillonViaductinSwitzerland1969104m7HaiboLiuPhD.SWJTUFelsenaubridgeinSwitzerland1975144m8HaiboLiuPhD.SWJTUGatewayBridgeinAustralia1986260m9HaiboLiuPhD.SWJTU国外的几座连续刚构公路桥挪威Raftsundet桥，1998，298m，主跨的224m梁段内使用细骨料轻质混凝土挪威Stolmasundet桥，1998，301m，主跨的184m梁段内使用细骨料轻质混凝土英国Skye桥，1995，250m10HaiboLiuPhD.SWJTU葡萄牙铁路连续刚构桥－SãoJoãoBridge1991年，主跨250m，双线铁路11HaiboLiuPhD.SWJTU虎门大桥辅航道桥，1997年，主跨270m广东洛溪大桥，1988年，主跨180m国内的几座连续刚构公路桥黄石长江大桥，1995年，主跨245m云南元江大桥，2003年，主跨265m12HaiboLiuPhD.SWJTU南昆铁路清水河桥，1996年，主跨128m南昆铁路板其二号桥，1996年，主跨72m国内的几座连续刚构铁路桥攀钢二期工程金沙江铁路大桥，1995年，主跨168m宁波大榭岛跨海大桥，170m，铁路单线，公铁两用桥，2001年13HaiboLiuPhD.SWJTU预应力混凝土梁桥排名NameLocationCountryYearSpanStolmasundetAustevollNorway1998301RaftsundetLofotenNorway1998298SundoyaMosjöenNorway2003298虎门副航道桥PearlRiverChina1997270元江大桥云南China2003265GatewayBrisbaneAustralia1986260VaroddKristiansandNorway1994260下白石大桥福建福宁China2003260泸州二桥LuzhouChina2000252SchottwienSemmeringAustria1989250*重庆石板坡连续刚构桥，在建，主跨330m，跨中一部分梁段为钢梁14HaiboLiuPhD.SWJTU介于先张法和后张法之间的预应力张拉技术由乌克兰的工程师发明新的预应力工艺是在浇捣砼尚未凝固的时候施加预应力，砼在压力的情况下固结。这种施加预应力需要用特殊的可滑动的模板及能把压力传给砼的装置在同样配筋率情况下，可提高梁的承载力25-34%、柱的承载力75%。抗裂度不变。已在重达30吨的桥梁构件中使用。15HaiboLiuPhD.SWJTU真空管道压浆与钢筋防腐常规后张预应力靠碱性混凝土防腐，一旦碱性环境破坏，预应力就会腐蚀过去几十年大量采用的化冻食盐带来结构混凝土严重的耐久性与腐蚀问题，英国曾在1992～96年期间暂时禁止后张混凝土的应用。常规管道压浆的普遍问题：不密实真空管道压浆可基本解决密实度问题，但对管道材料有特殊要求钢筋涂层材料：环氧树脂、锌、油脂、腊和塑料等新型预应力材料：（玻璃或碳）纤维增强塑料(FRP)，具有高强、耐久和抗腐蚀的特性，重量轻，高强度和无磁性性能（ACI440.4R-04-PrestressingConcreteStructureswithFRPTendons，2004）16HaiboLiuPhD.SWJTU瑞士BoisdeRossetViaduct,1990特点－减小截面尺寸；提高混凝土浇筑质量；无须预留孔道，减少孔道压浆等工序；施工方便迅速，钢束便于更换；钢束线形容易调整，减小预应力损失；但其对力筋防护和结构构造等的要求较高，抗腐蚀、耐疲劳性能有待提高。体外预应力德国Ruderting桥，1994德国Trockau桥加固，199817HaiboLiuPhD.SWJTU苏通大桥辅航道桥268m连续刚构体外索布置18HaiboLiuPhD.SWJTU混合结构（法国南部的Sylans高架桥，1989）从传统的单一材料，发展到不同材料的横向结合、纵向结合以及竖向结合（替代腹板），充分发挥钢和混凝土两种材料的优点体外预应力19HaiboLiuPhD.SWJTU混合结构（德国的ValleyBridgeAltwipfergrund，体外预应力，115m，2001）混凝土钢波纹板20HaiboLiuPhD.SWJTU大跨混凝土梁桥的长期挠度问题近10多年来，我国相当多的大跨梁桥在通车2～5年后出现持续下挠和跨中底板开裂的现象（黄石长江大桥：32cm；虎门大桥辅航道桥：20cm）。预拱度法：传统设计方法，按总弯矩包络图配筋（对预应力及其附加力进行估算），在悬臂施工状态，占主体荷载的恒载弯矩大于预加力产生的反向弯矩，这就导致成桥后跨中挠度的持续发展。零弯矩法：建议的方法（有成功设计的例子），从施工顺序出发，先以悬臂梁为基本图式，通过预应力手段取得了力学上平衡，由此不设预拱度，使施工的立模安装标高与成桥标高能够保持一致。这样不但极大的简化了工程控制，而且实践证明它对控制长期挠度的效果也十分理想。其他因素：材料，徐变系数？21HaiboLiuPhD.SWJTU采用吊机的悬臂拼装法佛开高速公路九江大桥，预应力混凝土连续梁，分跨50＋100＋2×160＋100＋50m，国内排名第二，1996年建成，悬臂拼装施工，右图为节段预制现场悬拼特点：进度快；制梁质量好；混凝土收缩徐变小；线形容易控制；适合于多跨施工22HaiboLiuPhD.SWJTU架桥机架梁（移动支架法）1996年7月，石长线湘江铁路桥62+7×96+62米23HaiboLiuPhD.SWJTU架桥机（LunchingGantry）－逐跨架设24HaiboLiuPhD.SWJTU2、梁桥（续）钢桁梁桥20世纪70年代后，不再建造钢悬臂桁梁桥型式材料：高强钢（屈服点500－700MPa），厚板（40－100mm），厚板焊接构造：栓焊连接，桁梁桥整体节点制造：计算机辅助制造(CAM)，计算机一体化制造(CIM)，无余量切割，反变形焊接，激光装配等钢板梁和箱梁桥材料：高性能钢构造：正交异性板，全焊结构应用：国内钢桁梁桥多用于大跨度铁路桥，钢板梁桥多用于中小跨度铁路桥，箱梁现多用于大跨公路悬索桥和斜拉桥的加劲梁（包括钢拱桥）设计：同一设计，混合设计，混杂设计25HaiboLiuPhD.SWJTU历史上的几座钢悬臂桁梁桥美国CommodoreBarry桥，501m，1974日本Minato桥，510m，1974加拿大Quebec桥，548.8m，1917英国Forth桥，521m，1890，现代桥梁的标志26HaiboLiuPhD.SWJTU钢悬臂桁梁桥排名NameLocationCountryYearSpanPontdeQuébecQuébecCanada1917549FirthofForthEdinburghUK1890521MinatoOsakaJapan1974510CommodoreBarryChester,PAUSA1974501GreaterNewOrleans-1NewOrleans,LAUSA1958480GreaterNewOrleans-2NewOrleansLAUSA1988480HowrahCalcuttaIndia1943457VeteransMemorialGramercy,LAUSA1995445TransbaySanFrancisco,CAUSA1936427BatonRougeBatonRouge,LAUSA196837627HaiboLiuPhD.SWJTU国外的几座连续钢桁梁桥日本Yoshima桥，245m，公铁两用，1988日本Ikitsuki-Ohashi桥，400m，1991美国FrancisScottKey桥，366m，1977美国Astoria桥，375m，196628HaiboLiuPhD.SWJTU国内的几座连续钢桁梁桥（公铁两用）钱塘江桥，1665.84m，1937，1947武汉长江大桥，128m，1957芜湖长江大桥，312m，2000九江长江大桥，216m，1992南京长江大桥，168m，196829HaiboLiuPhD.SWJTU钢连续桁梁桥排名NameLocationCountryYearSpanIkitsukiOhashiNagasakiJapan1991400AstoriaOregonUSA1967375FrancisScottKeyBaltimoreHarborUSA1977366OshimaOhashiYamaguchiJapan1976325WuhuchangjiangAnhuiChina2000312TenmonAmakusaJapan1966300KuronosetoKagashimaJapan1974300RavenswoodRavenswoodUSA1980275CentralCincinnatiUSA1995259BragaMemorialSomerset,MassUSA196625630HaiboLiuPhD.SWJTU整体节点传统主桁节点主桁整体节点，长东黄河二桥，钢桁梁，跨度为3×108m﹢9×96m，1999年5月竣工31HaiboLiuPhD.SWJTU高性能钢桥梁用钢的历史，表现出一条低碳钢－低合金钢－高强度钢－高性能钢的发展轨迹。高强度钢（HighStrengthSteel,HSS）在材料韧性和可焊性等方面往往不尽人意高性能钢（HighPerformanceSteel,HPS）是一种综合优化了材料力学性能、便于加工制造、适于低温和腐蚀环境、具备较高性价比的桥梁结构用钢。进展：美、日、欧洲从20世纪90年代起，开始研究和应用HPS。97年日本“超级钢材”项目，98年中国“新一代钢铁材料重大基础研究”HPS材料特征：化学成分－碳、磷、硫含量有显著的减少，增加有利于防腐蚀和耐候稀有元素；力学性能－对合金元素进行优化组合，并采用Q&T或热力控制处理（TMCP）技术，生产出同时保持高强度、高韧性和可焊性好的细晶粒结构钢；抗腐蚀和耐候性能－通常无需油漆；疲劳性能－有待更多试验32HaiboLiuPhD.SWJTU正交异性板法国诺曼第大桥箱梁透视图虎门大桥箱梁断面图33HaiboLiuPhD.SWJTU按承重结构所用材料划分的设计方法同一设计：承重结构采用的钢材通常为同一型号，这是常见情况混合设计（MixedDesign）：承重结构采用的钢材等级不同，如日本1988年建成的与岛公铁两用连续钢桁梁桥，其在支点附件的上下弦杆采用HT780钢，临近的部分弦杆采用HT690钢，其余杆件则采用强度更低的钢材；正在建造的重庆朝天门大桥，其主桁结