桥梁设计创新实践2-桥梁设计创新实践

-1-桥梁设计创新实践同济大学林长川内容提要本文整理总结了笔者退休前后所从事的桥梁设计创新实践工作，包括桥梁结构、构造材料和设计方法的创新，以结构创新来创造新颖、独特的结构美，以构造和材料创新来提高桥梁的质量和耐久性。关键词空间预应力索桥刚性索悬索桥斜拱造型拱形悬臂梁桥预应力钢管砼桁架钢绞线缆索、索夹和结点装配式基础拉索双锚锚固体系外置式吊索锚头塔柱稳定杆自润滑耐候钢支座钢管灌浆料砼缆索部分支承桥梁创新是一个民族进步的灵魂，也是科学技术发展的灵魂。作为结构技术与工艺高度集中的桥梁，更是应该在不断创新中求得发展。近年来我国桥梁以空前的规模飞速发展着，无论是建造数量还是施工速度都已超过发达国家的水平。但是，也正是由于发展速度快而带来繁重的设计和施工任务，使得有关方面无暇顾及更加精心地进行设计和施工，因此出现了桥梁建设中存在的“美观不足，设计创新不足和施工质量不足”[1]的现象。这是发展带来的问题，随着我国桥梁建设队伍的不断成熟和壮大，以及业主对桥梁美观和质量需求的不断增长，这些不足现象将会很快得以克服。要有效克服这些不足，首先应该依靠设计上的创新。桥梁设计的创新需要胆大、心细、艺高以及对事业的奉献精神。笔者退休后，利用充裕的时间以及所积累的设计、科研和施工经验，专心致力于这方面的工作，以结构创新来创造新颖、独特的结构美，以构造和材料创新来提高桥梁的质量和耐久性。现将其整理总结成本文，以期在桥梁创新实践中起到抛砖引玉的作用。一.结构创新1．空间预应力索桥1)工程实例：浙江平湖九龙山通天桥[2]，2000年设计，2002年竣工。图1空间预应力索桥22)结构构造：通天桥是一座跨越海峡的人行桥，位于海峡风口，风大、浪急，海底深达30余米，主跨跨度208m，宽度3m，宽跨比为1/70，桥面结构高度仅13cm，高跨比为1/1600，上部结构用钢量88kg/m2。该桥由承重缆、桥面缆和抗风缆，以及联系三种缆索的横向系杆组成空间索系（图1），各种缆索都施加了预张力，桥面铺拉板网，塔柱采用钢管混凝土撑杆。3)创新要点和应用：空间预应力索桥即所谓的“拉拉桥”。全桥除4根撑杆外，均由拉索组成，充分发挥高强度钢丝强度高的特点，使结构减轻，用料节省。由于在上下左右各个方向的拉索中施加了预张力，外载所产生的负张力，抵消了部分预张力，克服了因结构重量轻带来“重力刚度”不足的问题，使桥梁的竖向和水平刚度大为提高。竣工荷载试验实测活载满载跨中绕度82.9cm，为跨径的1/250。本桥利用空间预应力缆索系统（图2）来提高桥梁的整体刚度，从而提高颤振稳定性，达到提高抗风稳定性、简化加劲梁构造的综合效果：①采用空间主缆提高桥梁的整体刚度；②设置水平和横向的辅助索提高结构抗扭刚度和扭转振动频率，从而提高桥梁颤振稳定性；③在缆索中施加预应力，以“拉力刚度”来弥补小跨度悬索桥主缆重力刚度不足的问题；④使用拉板网做桥面，以减少风阻。本桥采用空间缆索抗风只是出于朴素的灵感，为应对特殊环境被逼出来的就事论事之举。天下智谋往往所见略同，此举之前一、两年就有人提出过使用水平和横向辅助索来提高结构抗扭刚度和扭转振动频率的想法[3]，但尚无实践先例，人们的大部分注意力还是集中在改善加劲梁断面的气动性能上，使得悬索桥的加劲梁不得不使用构造复杂，造价昂贵的桁架梁，流线型箱梁，甚至分离式双箱梁。2．刚性索悬索桥1)工程实例：江苏常州广化桥[4]，1998年设计，1999年竣工。2)结构构造：刚性索悬索桥采用为自锚体系，塔、梁固结。上部结构由主缆、斜吊杆、主梁、桥面系和塔柱组成（图3）。主缆及斜吊杆均采用配有力索的钢管砼结构。主缆力索分为统长索与节间索两种。统长索中跨锚固于两塔顶，边跨锚固于塔顶和主梁端部。统长索又分为恒载索和预应力索两种。恒载索承担恒载缆力，采用光面钢铰线，挤压锚锚固。预应力索为活载力索，采用无粘结钢铰线，夹片锚锚固。节间索用以平衡结点两侧缆力差，一端为固定端，采用挤压锚，锚固于结点上；另一端为张拉端，采用夹片锚锚固于塔顶。斜吊杆力索采用粗钢筋，上端锚固在主缆节点上，下端锚固于主梁底部。3)创新要点和应用：该桥是国内昀早设计的刚性索自锚式悬索桥。这种桥梁是在总结悬索桥和预应力砼桁架桥优缺点的基础上，创新设计的一种新桥型。悬索桥的主缆对于恒载是完全合理的结构形式，它可以用合理的线形来适应恒载的分布情况。对于大跨度悬索桥，由于主缆中存在很大的拉力，只需稍微调整线形，就能应付活载对荷载分布图2空间索系A主缆J桥面缆D抗风缆G主缆、桥面系索I主缆、抗风缆系索H桥面、抗风缆系索L东、西主缆系索3的改变，这就是所谓“重力刚度”，因此，对于活载也是合理的。但是，由于中小跨度悬索桥的重力刚度很小，就需要以加劲梁的抗弯来满足活载的刚度要求。受弯构件的结构效率较低，因此，中小跨度悬索桥的经济性也就较差。基于上述认识，本桥只让恒载由柔性的主缆承担，恒载完成后，将主缆和吊索转换为钢管混凝土杆件，与桥面一起构成刚性的桁架梁，对付移动的活载。这样，既利用了高强度缆索抗拉性能好的特点，又发挥了桁架结构刚度好的优点。由于采用了刚性桁架结构承担活荷载，活载挠度大为降低，斜吊杆应力幅也得以下降，整个结构既保持了悬索桥的优美外型，又使得小跨悬索桥的刚度差及斜吊杆疲劳等问题得以改善。而且，桥梁仍然可以采用悬索桥的施工方法施工，钢管混凝土还对缆索形成有效的保护，还能方便地根据各段主缆的不同缆力，配置不同的缆索。从而，吸取悬索桥和预应力混凝土桁架梁桥各自的优点，避免它们的缺点，使中小跨度悬索桥不仅外形上是美观的，结构上是合理的，造价也是经济的。这种桥型的适宜跨度应在80m至200m左右。3．斜拱造型这些斜拱有纵向布置的、也有横向布置的，有向内倾斜的、还有向外倾斜的，都能获得惊奇、独特的的美学效果。⑴纵向布置、向内倾斜1)工程实例：浙江义乌丹溪大桥，2002年设计，2003年竣工。2)结构构造：斜靠式系杆拱桥，跨度88m（图4）。3)创新要点和应用：利用斜靠拱稳定主拱，并吊挂观景平台。⑵纵向布置、向外倾斜1)工程实例：大连金蝉大桥，2003年设计。2)结构构造：图3刚性索悬索桥图4斜靠式系杆拱桥4蝶式式系杆拱人行桥，跨度50m，拱片向两侧倾斜42度（图5）。3)创新要点和应用：造型形似金蝉展翅。为表现蝉翼的轻盈，有意降低拱圈和吊索尺度。此外，为确保拱圈面外稳定，设计上除将吊索设置在拱片两侧，形成空间索面外，还将拱圈轴向力减低，以提高稳定性。吊索采用16Mn圆钢吊杆，降低造价，增加耐久性。⑶横向布置、向外倾斜1)工程实例：常州常金路大桥方案，2003年设计。2)结构构造：双斜拱塔斜拉桥，跨度111m（图6）。3)创新要点和应用：以常规钢管拱和斜拉桥的结构手段，创造出独特无二的新颖结构。桥梁造型新奇、独特，两座向外倾斜的拱形索塔，尤如一只蝴蝶的二片张开的翅膀，优美又雄伟。两拱圈间以及拱圈与主梁之间，使用5片扭曲的空间索面支承桥面，又对拱塔起到稳定作用。这些索面所形成的空间，内看像一片片神秘的纱幔；外看又像一张张张紧的鱼网，整座结构却似一架设置在大地上的大古琴，使人难以分清，这是一座结构独特的实用桥梁还是一尊颇具想象力的城市雕塑。4．拱形悬臂梁桥1)工程实例：浙江柯桥柯东桥，2003年设计，2004年竣工。2)结构构造：桥梁全长65.4米，分为五跨，桥面宽16米。全桥上部结构由两组双悬臂梁及三块连接吊孔组成，外部为静定结构。桥横向由八片拱片及桥面板和拱板组成单箱7室箱形断面。下部设4座桥墩，图5蝶式式系杆拱桥图6双斜拱塔斜拉桥1拱片8桥面板10拱板3吊孔9支承横梁6支座2系梁图7拱形悬臂梁5每墩身设7根钢筋混凝土立柱，每柱下设1根钻孔灌注桩基础。为使支座置于水位之上，立柱伸入箱室中，顶住设在拱片之间的支承横梁。（图7）创新要点和应用：在软土地基上建造外形为多跨石拱桥的静定结构，既拥有多跨石拱桥的优美外观，又可避免拱脚推力产生的一系列问题。二.构造创新5．预应力钢管砼桁架1)工程实例：江苏常州广化桥钢管砼桁架，1998年设计，1999年竣工。2)结构构造：钢管中配置无粘结力索，灌注混凝土，达到强度后进行张拉。3)创新要点和应用：钢管砼用作受压构件具有构造简单，施工方便，耐久性好等优点，得到广泛应用，用作桁架压杆也是很理想的构件。但是用作拉杆则无法发挥混凝土的强度和刚度作用。本工程在钢管砼桁架的拉杆中配置力索，使其不仅能受压，也能受拉。钢管和砼又可作为力索既可靠又廉价的防护。6．钢绞线缆索、索夹和结点1)工程实例：浙江平湖九龙山通天桥，2000年设计，2002年竣工。2)结构构造：钢绞线缆索使用环氧树脂钢绞线，断面呈矩阵排列，索夹由钢板及螺栓组成钢板式索夹，端部用挤压锚锚固于连接头上，连接头与塔顶销接形成销接式结点。（图8）3)创新要点和应用：这种缆索使用成品钢绞线，无需包裹外防护层，索夹和结点构造简单，加工安装方便，节省造价。缆索使用的钢绞线经环氧树脂与高密度聚乙烯工程塑料双层防护，环氧树脂保护钢绞线避免锈蚀，高密度聚乙烯工程塑料既能保护钢绞线又能防止环氧树脂老化，使结构具有良好的耐久性。可推广应用于小型悬索桥或斜拉桥。7．装配式基础1)工程实例：浙江平湖九龙山通天桥设计，2000年设计。(实际施工，因缺乏浮吊设备，未采用)。2)结构构造：图8钢绞线缆索、索夹和结点6装配式基础由预制基础框架叠层而成，框架中现浇填心砼。框架顶面高出潮位。框架中设有钻孔灌注桩预留孔。（图9）3)创新要点和应用：本工程北部基础处于潮水涨落区，水位变化大，水流急，为避免潮水影响，设计采用预制基础叠层框架施工，可利用基础框架作为钻孔灌注桩施工平台，其中预留孔可作钻孔灌注桩护筒。可应用于潮水涨落区基础。8．拉索双锚锚固体系1)工程实例：浙江平湖九龙山通天桥，2000年设计，2002年竣工。2)结构构造：将锚体混凝土分两次浇注，留一部分锚体作调索空间。拉索在前锚面处设联接器（钢绞线预应力索成品联接器）。拉索安装后先进行调索，再浇筑后浇锚体，昀后将锚固段拉索张拉至0.75Ryb锚固并压浆。（图10）3)创新要点和应用：所有钢绞线拉索均存在低应力锚固的问题。由于拉索设计上需保证足够的安全系数（一般2.5~3）。拉索中实际昀大拉应力仅0.33~0.40Ryb，再扣除可变荷载产生的拉应力（一般占总拉力15%~30%）。实际恒载拉应力仅0.2~0.35Ryb。这就远远低于夹片锚为保证夹片夹紧所需的索力。本工程所采用的双锚式锚固体系用于低应力拉索锚固，既保证拉索具有足够的安全系数，又能满足索长调节的需要，还可保证锚固段具有足够的锚固应力并可压浆防护。是一种很好的钢绞线拉索锚固构造。9．外置式吊索锚头1)工程实例：浙江义乌丹溪大桥，2002年设计，2003年竣工。图9装配式基础图10拉索双锚锚固体系72)结构构造：本工程使用的外置式锚头有固定式和可调式两种。固定式锚头由锚体和叉耳组成，两者之间由螺纹连接，以便调节索长制造误差；可调式锚头除锚体和叉耳外，在它们之间还设有调节螺杆，供安装中调节索长之用。（图11）3)创新要点和应用：外置式锚头通过销子与结构体的耳板连接。具有下列优点：a、构造简单，避免了复杂的锚箱构造；b、安装方便；c、不削弱结构体；d、可突出结构美。但由于这种锚头不便调节长度，因此在国内除悬索桥外，其他桥梁中尚未见应用。本工程首次将其用于系杆拱桥吊索，并增设调节长度装置，充分发挥了这种锚头的优点。外置式锚头由于具有上述优点，可应用于悬索桥、斜拉桥及系杆拱桥。如果具备很好的施工控制条件则可使用固定式锚头，由计算或事前测量来确定吊索长度；如果条件不具备，则宜选用可调式锚头。10．塔柱稳定杆1)工程实例：江苏常州广化桥，1998年设计，1999年竣工。2)结构构造：塔柱加设稳定杆。稳定杆内施加预应力，使其既能受压又能受拉，底座与塔柱的底座联在一起，每隔2m用环箍与塔柱相联，以减小塔柱的自由长度。（图12）3)创新要点和应用：斜拉桥或悬索桥的塔柱是受压构件，在索面内，由于有主缆或斜拉索作用不会失稳；而在索面外则容易失稳。如果塔柱失稳，将会引起整个索面的