斜拉桥发展史及现状综述

从斜拉桥看桥梁技术的发展姓名：马哲昊班级：1403专业：建筑与土木工程学号：143085213086摘要:介绍了国内外斜拉桥的发展历史,综述了现今斜拉桥发展的现状,并分析了斜拉桥的结构形式和布置形式及其经济效益，并简述了其中的桥梁技术，对今后斜拉桥的发展做出展望。关键词:斜拉桥；发展史；现状；展望Abstract:thepaperintroducesthedomesticandforeigninrecentdecadeshistoryofCable-stayedbridge.thepapersummarizedtheThestructureofcable-stayedbridgeandtheEconomicbenefitsandIntroducedthetechnologyofit.thedirectionoffurtherresearchinthefuturewasputforward.Keywords:Cable-stayedbridge;Review;Lookingforwardto1.斜拉桥的发展1.1斜拉桥的历史斜拉桥是一种古老而年轻的桥型结构。早在数百年前，斜拉桥的设想和实践就已经开始出现，例如在亚洲的老挝，爪哇都发现过用藤条和竹子架设的斜拉结构人行桥。在古代，世界各地也都出现过通行人、马等轻型荷载的斜拉结构桥梁在18世纪，德国人就曾提出过木质斜张桥的方案，1817年英国架成了一座跨径为34m的人行木质斜张桥，该桥的桥塔采用铸铁制造，拉索则采用了钢丝。以后在欧洲的很多国家都先后出现了一些斜拉桥，如1824年，英国在Nienburg修建了一座跨径为78m的斜拉桥，拉索采用了铁链条和铸铁杆，后来由于承载能力不足而垮塌。1818年，英国一座跨越特威德河的人行桥也毁于风振。现在看来，这些桥梁的垮塌主要是由于当时工业水平的限制、对斜拉桥这样高次超静定结构体系缺乏理论分析方法和技术手段以及桥梁结构构造存在缺陷。世界上第一座现代化的大跨径斜拉桥诞生于1955年，在第二次世界大战结束后，Dischinger在瑞典设计建成了Stromsund桥。该桥主跨182.6m，全桥采用斜拉式结构，主梁为钢板梁，中间用横梁连接，双塔式，每塔只用了两对高强钢丝拉索，梁上索距35m左右，梁高3.25m为跨径的1/56，塔高28m为跨径的1/6.5。这座桥在现代的观点来看虽然在细节上存在着一些不足，如桥面采用的分离的混凝土梁，索塔的造型缺乏美感等，但在桥梁结构上却开创了一个新的纪元，创造出了一种新的桥梁体系，且这种桥梁结构拥有着诸多优点：①用少量拉索取代了深水桥墩，不但节省了费用、降低了施工难度，而且有效的提高了桥梁的跨越能力，利于通航和排洪。②拉索作为主梁的中间弹性支承，使得在桥梁跨径增大的同时，主梁的梁高却可以减小，从而使主梁本身以梁以及段引桥的造价得以降低。③拉索自锚固于主梁上，梁身能够得到免费的预压应力，在很多情况下，尤其对于中等跨径桥梁是有利的，和悬索桥相比还可以节省庞大而昂贵的地锚。④拉索和索塔、主梁组成了多个三角形结构，稳定性高，刚度大。静、动力性能都良好。⑤整体结构新颖，造型美观。斜拉桥这种新桥型的的出现，以其先进的技术，经济的造价、美观的外形，很快的得到了社会的认同，并在许多国家得到了推广，从Stromsund桥建成后的第二年起，诸多有名的斜拉桥相继诞生，且发展的速度很快，平均每年就能完一座斜拉桥的修建。早期的斜拉桥结构大多采用当时盛行的轻型钢结构正交异性桥面板，各桥不仅在形式上不尽相同，各具特色，而且技术构思上也互有区别。在这个过程中，斜拉桥在世界各地也逐渐广泛流行起来。1.2国外斜拉桥的发展从全世界的范围来看，20世纪中期，由于结构分析技术的进步、高强材料和新施工方法的应用以及防腐技术的发展，推动了大跨径斜拉桥的发展。从20世纪70年代开始，斜拉桥开始进入高速发展的阶段，直到20世纪90年代，斜拉的跨径已经进入以前悬索桥适应的特大跨径范围，建造的数量也越来越多。斜拉桥的跨径的世界记录是斜拉桥发展的重要标志。斜拉桥的跨径记录在上世纪70年代到80年代缓慢发展，从90年代开始跨径记录则不断被刷新（表1.1）。从全世界第一座建成的斜拉桥—瑞典Stroemsund桥（74.7m+183.0m+74.7m）开始，欧洲国家开始出现了一系列稀索结构的钢斜拉桥。1957年德国建成的杜塞尔多夫北桥，跨径组成为108m+260m+108m，主梁为钢结构，高度3.12m；钢塔高41m，横向不设置横梁；拉索呈竖琴形布置，索距为36m。1959年德国克隆建成的Severin桥，主跨302m，首次采用“A”形主塔，结合斜索面，首次采用主梁漂浮体系，也是首座非对称、独塔双跨斜拉桥。1962年在委内瑞拉建成了的马拉开波桥是世界上第一座混凝土斜拉桥，该桥由意大利MorandiJ设计，主跨跨径为235m，主梁为带挂孔的悬臂体系。20世纪60年代开始，随着计算机技术的广泛应用，密索体系的斜拉桥开始出现，解决了过去稀索体系斜拉桥存在的主梁重且配筋多的缺陷。1967年德国波恩建成的弗瑞德里西—埃伯特桥是单索面密索体系斜拉桥，主跨280m，该体系的优点还包括锚固点的集中力较小，易于悬臂施工，为期后修建的斜拉桥作出了典范。在密索体系出现后，主梁支撑间距缩短，主梁的高度得以降低，主梁的柔薄化成为了斜拉桥发展的新趋势。特别是对于混凝土主梁而言，梁高的减小对于恒载的降低有尤其重要的意义，例如：1985年建成的美国EastHuntington桥，独塔主跨274.32m，梁板式主梁高1.52m，高跨比为1/180。1988年建成的美国DamePoint桥，双塔主跨396.24m，主梁高1.524m，高跨比为1/260。1991年建成的挪威Skarnsundet桥，双塔主跨530m，主梁高2.15m，高跨比为1/274。可以看出，斜拉桥主梁的柔薄化，使得高跨比视跨径大小、主梁材料、结构形式等在1/150～1/300之间变化，甚至可以更低。上世纪末，斜拉桥的发展向着大跨径和特大跨径不断进军。法国1994年修建的跨径为856m的诺曼底大桥和日本1998年修建的跨径为890m的多多罗大桥标志着斜拉桥进入了特大跨径领域。斜拉桥的复兴与辉煌也被认为是20世纪下半叶桥梁界最重要的事1.3国内斜拉桥的发展斜拉桥在我国的发展起步较晚但发展速度很快。我国第一座斜拉桥为1975年交通部重庆科学研究所设计和指导施工的四川云阳桥。由于尚处“文革”时期，各方面条件受限，该桥是在一座人行吊桥的桥墩和桥塔基础上改建而成的试验桥，桥宽仅能维持单车道3.75m，主跨跨径75.84m。虽然该桥在结构和外形等方面存在一定不足，但云阳桥的成功修建为我国斜拉桥的进一步发展提供了宝贵了的经验。1975～1985年是我国斜拉桥的起步阶段，在这期间，我国共修建了各式的混凝土斜拉桥15座，以1980年修建的主跨为128m的三台涪江桥和1982年建成的主跨220m的山东济南黄河斜拉桥为代表。这标志着我国已基本掌握大跨度斜拉桥设计与施工技术。1985年后，随着国家经济建设和公路交通的发展，我国的斜拉桥建设进入高速发展阶段。尤其在1990年以后，全国各地大规模修建高速公路和改渡为桥，迎来了公路建设的第二个春天。临江、城市对跨江河交通的迫切需求，使得跨径适用范围广、外形美观且具有现代感的斜拉桥成为我国跨江、跨河桥型的首选。在这期间，我国斜拉桥修建数量迅速增加。据不完全统计，我国1986～1990五年间造成斜拉桥33座，1991～1995五年间建成43座，1996～2000五年间建成33座（图1.1）。如今，我国的斜拉桥发展取得了巨大的成就，主要表现在以下方面：①我国已经成为世界上修建斜拉桥数目最多的国家。目前我国共修建斜拉桥200多座，约为全世界斜拉桥总数的1/3。②我国的斜拉桥遍布全国，形式多样。在这些桥中有50m以下的小跨径斜拉桥，也有跨径1000米以上的特大跨径斜拉桥；有独塔、双塔、三塔、多塔、斜低塔、高低塔等各种塔形；有混凝土梁、钢梁、组合梁、混合梁等各种材料的梁型；有平行索、钢绞线索、刚性索等各种索性和相关锚具，在结构上，我国还创新了一些斜拉桥的结构形式和采用了一些新的材料。③我国大跨径斜拉桥居于世界前列。一般认为，跨径是衡量桥梁建设水平的一个重要尺度。目前在世界目前排名前十位的大跨度斜拉桥中，除日本的多多罗大桥和法国的诺曼底大桥外，其余8座打垮度斜拉桥全部在中国（表1.2）。其中，2008年建成的苏通长江公路大桥，主跨为1088米，是当今世界跨径最大斜拉桥。以上充分表明，中国的斜拉桥建设水平已经跨入了世界先进行列。2.斜拉桥的现状2.1斜拉桥的类型斜拉桥依据主梁的材料类型,可分为钢斜拉桥、混凝土斜拉桥、叠合梁斜拉桥及混合梁斜拉桥。在国内建造得最多的是混凝土斜拉桥及叠合梁斜拉桥,而钢斜拉桥及混合梁斜拉桥则很少。近二十多年来,斜拉桥由稀索体系变为密索体系,带来的突出变化是主梁的截面高度变小,因此其质量和抗弯刚度显著减少。对于主梁采用连续体系,边跨主梁抗弯刚度的减小并非有利,特别是对边跨与主跨比值较小的斜拉桥更是如此。因此,需要将边跨主梁的质量与刚度加大,从而减小主跨的内力和变形。而且边跨采用混凝土梁段压重,可减少或避免端支点的负反力。混合梁斜拉桥正是基于这样的思路应运而生的。混合梁斜拉桥是指斜拉桥主跨采用钢梁,边跨采用混凝土梁,混凝土梁与钢梁的连结点一般设在桥塔附近,可以在边跨侧,也可在主跨侧。这种混合型主梁结构满足了中跨与边跨主梁的质量平衡,保证了端索的稳定,也改善了塔柱纵向受力。混凝土箱梁外型与钢箱梁一致,在钢箱梁与混凝土箱梁之间的连接部位设置了一段过渡节段。设置过渡节段的目的在于采取特殊的构造措施来保证钢箱梁与混凝土箱梁既要应力匀顺传递又要刚度匀顺过渡。2.2斜拉桥的结构体系形式目前,国内斜拉桥主梁的结构体系分为连续体系和非连续体系。主梁采用连续梁形式,可以获得连续梁桥的主要优点。即结构整体刚度好,对抗震有利,行车平顺,变形缝少。目前我国大跨径斜拉桥,绝大多数都采用连续梁形式。主梁采用非连续体系,其优点是可以降低结构的超静定次数,减小主梁由于温差、砼收缩、徐变及桥塔基础不均匀沉陷引起的次内力。但缺点是破坏了桥面的连续性和结构的整体性,对抗震不利。并且容易导致伸缩缝处的跳车现象,而且也增加了施工及其养护的的困难。因此非连续结构形式很少采用。2.3斜拉桥总体布置形式斜拉桥目前最常见的立面布置形式为:双塔三跨式和独塔两跨式。从目前的资料统计来看,国内双塔三跨式斜拉桥以对称式最为普遍。双塔三跨式斜拉桥,其具体布置形式又可分为:(1)用主孔整跨跨越河流,将两个桥塔设在岸边,两个边跨设在岸上。(2)两个桥塔设在河道中,用三孔来跨越整个河道或主航道。独塔双跨式斜拉桥一般采用非对称形式(双跨不等跨,边跨为锚固孔),适用于跨越中小型河流及城市立交。依据目前国内资料的统计,它的主孔跨径在70m~160m之间。独塔双跨式斜拉桥,由于边跨可以处理成锚固孔,即将边跨最外索直接锚固在支座上形成端索,有效地限制塔顶的侧移,将主跨内的荷载传到支座上。同时端索在恒载作用下储备足够的初始索力,减小了索自重引起的垂度对轴向刚度的影响,起到了提高结构整体刚度的作用。采用非对称布置形式,使得构件整体上以受轴向力为主,充分发挥斜拉桥的优势,是一种经济合理的做法。采用独塔双跨式布置形式,有两种做法:第一种采用两跨跨越河道,将桥塔置于河道中;第二种采用主跨跨越河道或主航道,将桥塔及边跨设在河流的一岸在斜拉桥总体布置中,有两个主要的技术问题需要妥善处理。2.4主梁截面形式钢梁的截面形式与斜索的空间布置形式有关。对于双索面,钢梁截面形式分为以下五种:(1)双工字形边主梁,两主梁之间用多道横梁和桥面板连结。(2)单箱单室箱梁,箱室内有加劲斜撑。(3)双箱单室边箱梁,两箱之间用多道横梁及桥面板连结。(4)单箱多室箱梁。(5)流线型扁平箱梁。对于单索面,钢梁截面形式基本上为以下两种:(1)单箱单室或多室截面。(2)流线型扁平箱梁。混凝土斜拉桥常用的截面形式为以下几种: