浅谈缆索承重桥梁的发展与未来.doc

桥梁工程的发展趋势讲座报告(七)浅谈缆索承重桥梁的发展与未来二〇一二年十一月二十日姓名：毛文浩学号：1232709所在院系：土木工程专业领域：建筑与土木工程班级：2012级硕士桥梁2班授课教师：肖汝诚1浅谈缆索承重桥梁的发展与未来——听《缆索承重桥梁的发展与未来》有感桥梁工程发展趋势课程的第七讲中，肖汝诚老师以其丰富的学识和工程经验，用幽默的语言为我们生动详细地做了关于《缆索承重桥梁的发展与未来》的讲座。肖老师主要介绍了从两大块出发，分别介绍了悬索桥的过去和未来以及斜拉桥的辉煌与成就。通过讲座并查阅相关资料，我对于缆索承重桥梁有了更进一步的理解与认识，以下我浅谈一下自己的一些理解。一、悬索桥的过去和未来1、引言悬索桥拥有着悠久的历史，我国自古就有“桥乡”的美誉。我国早在3000多年以前，就利用悬挂的受拉绳索、铁链的部件来承受荷载。公元400年左右，我国的铁索悬索桥出现，也是如今世界悬索桥的雏形。而西方在1741年，才首次建成了第一座铁索桥，英国的TeesBridge。近代悬索桥伴随着西方工业革命而兴起，从而奠定了现代悬索桥的基础。1808年，英国finey悬索桥具有使用铁链制成的铁索，悬吊水平桥面的吊杆，成为近代悬索桥的雏形；1822年，托马斯·泰尔福特设计的康威城堡桥（图1）成为欧洲第一座近代悬索桥；1840年，卢瓦河夏托纳夫桥的建成，成为近代唯一一座多塔悬索桥。1883年，美国布鲁克林大桥（图2）揭开了现代悬索桥的序幕，大桥全长1834米，桥身由上万根钢索吊离水面41米，是当年世界上最长的悬索桥，也是世界上首次以钢材建造的大桥，落成时被认为是继世界古代七大奇迹之后的第八大奇迹，被誉为工业革命时代全世界七个划时代的建筑工程奇迹之一；1940年，美国华盛顿州塔科马悬索桥（图3）风毁，使人们对大跨度桥梁抗风有了研究和认识；1945年后，悬索桥发展进入了现代新时期，悬索桥的跨进不断突破，新材料与连接技术、新构造和附属设备、新施工方法和设备、新理论和分析方法的出现和运用，都为悬索桥的发展提供了巨大的动力；改革开放后，中国的悬索桥建设开始腾飞：1994年，我国建成第一座现代悬索桥——汕头海湾大桥；1997年，我们建成第一座大跨度钢悬索桥——虎门珠江大桥；1999年，江阴长江大桥（图4）标志着中国开始开始迈入世界建造悬索桥的先进行列。当然，随着悬索桥的发展，我们不禁要问，在悬索桥的发展中，究竟是哪些理论和技术推动了悬索桥的发展；在悬索桥的未来发展中，还有那些问题需要我关注；在未来的不断改进的各项工艺技术条件下，我们是否能够克服如今的障碍，实现跨径的更大跨越等。2图1康威城堡桥图2布鲁克林大桥图3塔科马大桥图4江阴长江大桥2、近代悬索桥的奠基时期（1845-1885）根据肖老师介绍，1845-1885年是近代悬索桥的奠基时期。随着西方工业革命的兴起，新材料新技术的不断应用，在桥梁设计建造方面也有了新的突破，近代悬索桥与古代吊桥相比，发生了截然不同的变化。最主要的表现在其体系上发生了本质的变化，出现了桥塔和加劲梁这两个悬索桥的必备构件，为近代悬索桥的发展奠定了基础。近代悬索桥出现了桥塔、吊杆、加劲梁等重要的构件，并有了计算理论的支撑。1823年，法国的工程师Navier采用了弹性理论对悬索桥进行分析计算。在该时期，悬索桥有其自己的特点：其主缆多数采用链式体系，如铁链、铜链、铁烟杆等；圬工桥塔和桁架加劲梁也大量采用，并且由于技术条件的限制，该时期悬索桥的跨进一般不大，在100-300m左右，并且其使用范围受到了限制。然而，1883年建成的布鲁克林桥，打破了这一格局。33、近代悬索桥的发展时期（1885-1945）近代悬索桥的发展得益于两个成就：一是布鲁克林桥的建造，其在主缆材料（首次采用平行钢丝）和施工方法（空中纺纱法）上做出了革命性的进展，并完善现代悬索桥的体系构造；二是挠度理论的出现，使悬索桥向着轻型化发展，悬索桥的跨径有了质的飞跃。图5悬索桥跨径的变化此阶段悬索桥的发展特点是轻型化、大跨度，主要特征是采用了钢桥塔、加劲桁梁（浅梁）和缆式主缆。在材料、施工方法和理论等方面都取得了不小的成就。从主缆材料上看，铜、铁链的强度低，脆性大、加工费事且成本高、容易断裂以至于悬索桥的跨径较小，难以满足铁路运输发展的需求。平行钢丝的出现，是在建造材料上的突破，为现代悬索桥发展奠定了基础。空中纺纱法的运用，也大大提高了施工的效率和质量。1909年，莫西夫发展了挠度理论，考虑主缆变形对主梁受力的改善，使得主缆成为主要的受力构件，加劲梁则退居其位，只起到了传递荷载的作用，使悬索桥跨径进入了千米级成为了可能。1940年，塔科马大桥风毁事件引起了工程师们对悬索桥加劲梁的重视，并使人们开始关注大跨度桥梁的空气动力稳定性。但是，塔科马事件也使悬索桥的发展停滞了近十年。4、战后悬索桥发展的新时期（1945至今）1966年的塞文桥，首次采用扁平流线型钢箱梁代替桁架梁，大大提高了悬索桥的空气动力稳定性，悬索桥进入战后发展的新时期。这时期，悬索桥不再局4限于桁架梁和钢桥塔的经典体系，开始以扁平钢箱梁为主流，并出现了混凝土桥塔。而且，随着新科技的发展（尤其是计算机），各种悬索桥的新技术（抗风、抗震、防腐）应运而生，跨径不断增加，我国在此阶段取得了不小的成就。新时期发展成就主要表现在新材料及连接技术、新结构构造及附属设备、新体系、新施工方法、新计算理论和分析方法、超大跨体系等。超高强钢丝、高性能钢材的使用，高强螺栓的连接和大行程伸缩缝的出现为都更大跨径的悬索桥的建设成为了可能。另外，随着技术的进步，新体系也不断出现，如博斯普鲁斯一桥（图6）边跨不对称布置体系，三塔双跨钢箱梁悬索桥（泰州长江大桥图7）等。图6博斯普鲁斯一桥图7泰州长江大桥但是，随着悬索桥的发展，同时我们也需要面对更大的挑战，如更大的跨度；超大跨度下的抗风、抗震等问题；深水基础的设计和施工；新材料的应用等。5、悬索桥在21世纪跨海工程中面临的挑战进入21世纪，随着跨海工程的兴趣，悬索桥已面临新的挑战，主要是来自以下四个方面：斜拉桥的挑战、过海隧道的竞争、深水基础的修建和超大跨径的问题。随着斜拉桥跨径的突破，悬索桥在千米级范围内的优势将不断下降，且大跨度悬索桥的经济性可能不如多跨斜拉桥和过海隧道。特别当水深超过40m时，由于深水基础的造价增大，过海隧道具有更大的经济优势。除此之外，军事、通航、自然灾害、耐久性等因素也使过海隧道具有很强的竞争优势。对于大跨度悬索桥，深水基础的技术性问题是必须解决的，目前其技术性问题和经济可行性仍待解决。另外，对于新的体系的研究也在不断进行，如斜拉-悬索协作体系（图8），混合双悬臂斜拉-悬索体系（图9）等。5图8斜拉-悬索协作体系图9混合双悬臂斜拉-悬索体系6、结语千百年来建桥者对悬索桥的改进，形成了近代悬索桥的结构形式：圬工桥塔+链式主缆+桁架式加劲梁；布鲁克林桥的建成，首次将平行钢丝作为主缆应用于大跨度悬索桥，发明了“空中纺纱”法，并解决了大跨度悬索桥主缆过塔和锚固问题；挠度理论的提出，使人们重新认识了悬索桥主缆、梁的刚度贡献；有限元法及计算机的发展使非线性分析容易解决；扁平流线型钢箱梁的成功应用，大大提高了悬索桥的空气稳定性，将悬索桥推向了战后发展的新时期；当今，高性能材料、新体系、新工艺、新的防腐设施将悬索桥技术推向新的高度；我们已有能力建设主跨4000m或者更大的超大跨径悬索桥；21实际，悬索桥面临着多方面的挑战；混合体系，索网结构是悬索桥发展的一个方向。二、斜拉桥的辉煌和成就1、概述1784年，德国人费舍尔在佛莱堡建造了一座木桥，是最早期斜拉桥的雏形。1824年德国尼恩堡上建造了一座跨径为78m的斜拉桥，在建成次年就在行人通过时倒塌。此后，斜拉桥沉睡了一百多年。二战之后，高强度钢材和电子计算机的出现，使人们重新认识斜拉桥体系。1956年，迪辛格在瑞典建成了世界上第一座现代化斜拉桥——斯特罗姆松德大桥（图10）。20实际80年代中期以后，斜拉桥的发展进入了新时期。改革开放以后，中国的斜拉桥建设与世界同步发展。上海南浦大桥、上海杨浦大桥、苏通长江大桥等，都标志着我国斜拉桥的快速发6展。短短50多年里，斜拉桥的跨径从182m发展到1088m，增长了近5倍，斜拉桥已经成为当代大跨度桥梁的主流桥型。图10斯特罗姆松德大桥2、斜拉桥的辉煌斜拉桥的辉煌除了表现在其快速的发展速度和广泛的工程应用，还表现在其形式的多样化、跨径的超大化以及计算理论与建桥技术的发展。（1）斜拉桥形式的多样化20世纪80年代中期开始，斜拉桥进入了快速发展时期，主要有三个发展特点：主梁材料多样化、索塔形式的变化和体系的协作与变化。主梁材料的多样化主要表现在出现了混合梁和组合梁。混合梁主跨采用钢梁，大大增大了跨越能力，边跨采用混凝土梁，减小了边跨跨径，在满足主边跨重量平衡要求的同时，提高了结构刚度。目前，跨度居前列的日本多多罗和法国诺曼底大桥均采用了混合梁。组合梁斜拉桥一般主梁上层为混凝土桥面板，下层为钢结构，受压为主的区域采用混凝土材料，提高了效率；受拉为主的区域采用钢材，提高了局部稳定性。我国的杨浦大桥和福建青州闽江大桥更是将此种桥型的应用推向顶峰。索塔形式的变化主要是出现了矮塔斜拉桥、斜塔斜拉桥、高低塔斜拉桥和多塔斜拉桥。矮塔斜拉桥的塔高约为跨度的1/8-1/12，采用预应力混凝土主梁，主梁抗弯刚度大；斜拉锁的应力幅值较小，为常规斜拉桥的1/2-1/3。矮塔斜拉桥尤其适用于多塔多跨和塔高受限制的情形。从刚度和疲劳考虑，更适用于铁路桥或双层桥面。斜塔斜拉桥标新立异的不对称造型显示出刚劲、平衡和力度，但是由于其受力不尽合理，造价一般较高。高低塔斜拉通常用在受水文地质条件限制，两边跨径不等的情形。主要是由于桥梁景观的要求才如此设计。多塔多跨斜拉桥体系是跨越长距离江河湖海的重要桥型，其需要解决整理刚度不足的问题。（2）跨径超大化1956年第一座现代斜拉桥诞生，经过35年的发展，1991年挪威Skarnsundet桥跨径530m，突破了500m大关；1993年，上海杨浦大桥主跨推进到602m；2008年，苏通长江大桥建成，其主跨1088米，斜拉桥进入千米级时代。20127年，俄国Russki桥，主跨1104m，是世界上跨径最大的斜拉桥。（3）计算理论与技术发展斜拉桥结构分析理论的出现（几何非线性、成桥合理状态、施工分析与控制）、新材料及连接技术的应用（高性能钢材、高性能混凝土、超高强钢丝、钢绞线群锚等）、创新结构构造及附属设备的使用（大行程伸缩缝、桥梁纵向缓冲装置、加筋土隔振基础）和创新工法及设备的利用（施工与控制技术、前支式轻型挂篮悬浇法、整体化大型浮吊安装、连续斜拉桥顶推施工）都使得斜拉桥得到了进一步的发展，并将继续辉煌。3、面临的挑战与对策新时代跨越工程的兴起，使斜拉桥走向辉煌的同时也面临新的挑战，主要表现在以下四个方面：超大跨度的技术问题、多塔斜拉桥的技术问题、深水基础的问题、斜拉桥与其他桥型的竞争。为避开深水基础、满足通航需求，我们需要更大跨径的桥梁；为了满足地质条件差、不适合建大型锚碇的地区对超大跨度桥梁的工程需求，我们需要具有竞争能力的超大跨径斜拉桥。为此，我们必须面对诸多问题。但是，斜拉桥跨径增大，必须考虑一些主要的控制因素，如超长斜拉索的垂度效应、主梁靠近索塔处的巨大轴向力、索塔高度大，施工期裸塔和最大单悬臂状态的风险等。对于连续多跨斜拉桥的刚度不足的问题，可以采用如下方法解决：增大中间桥塔纵向抗弯刚度；用斜拉索加劲中间桥塔；增大主梁刚度；两塔靠近，交叉斜拉索增加刚度。但是，在水深时，采用增大桥塔的刚度，会产生很高的造价。我国长江大桥基础大都采用高桩承台基础，水深40米左右。在深水基础中，主要依靠增加桩数和扩大承台尺寸的方法抵抗侧向地震力。但是，这种桥墩防撞能力不足，并不是最佳的深水基础形式。深水基础的主要问题在于其施工难度大、周期长、地震力作用明显等，因此，深水基础还有许多问题亟待解决，既要解决其技术性问题，并要在经济上可能。在桥梁的跨径超过300m以后，除了斜拉桥，拱桥和悬索桥也是经