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​桥梁下部结构发展概况及展望

futao 桥梁拆除 2019-04-17 833 0
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桥梁下部结构发展概况及展望

桥梁的发展历史是记载着人类克服艰险、战胜自然、发展进步的历史,也是展示人类征服自然所表现出的智慧的鉴证。桥梁作为一个跨越空间的结构物,必不可少地要有支承和传力的下部结构,可以说,桥梁下部结构是形成桥梁整体工程的一个最重要的部分,无法修建基础和墩台的地方就无法建设桥梁。

隋朝修建的赵州安济石拱桥,是我国古代桥梁的杰出代表,是世界上第一座敞肩式石拱桥,被评为国际土木工程里程碑建筑。建桥1400多年,至今安然无恙,其根本的原因是地基基础处理非常得当。该桥桥台坐落在密实粗砂土上,基底压应力为500~600kPa,与现行规范中所采用的该土层容许承载力数值(550kPa)极为接近,至今沉降与位移甚微。公元989年建造开封开宝寺木塔时,建造者预见塔基土质不均会引起不均匀沉降,施工时特意将塔做倾斜,待沉降稳定后,塔身正好垂直。我国在1000年前就已采用打桩加固软土的方法,并采用砂桩、石灰桩挤密排实。这些实例均说明我国劳动人民远在1000多年前就掌握了对桥梁基础和地基土相互作用的承载力与沉降变形的高深科学技术,有着极为丰富的工程实践经验。

公元1053年修建的泉州洛阳桥是我国第一座石梁海港桥,单孔跨径11.8m,共47孔,全长731.29m,至今世界上还没有发现其他有如此跨径和桥长的石梁桥。该桥在基础工程上,首创筏形基础和殖蛎固基技术。洛阳桥与赵州安济桥一样,在世界建桥史上具有极高的历史、科技和艺术价值。我国古代建筑保存至今的很多,比如公元前2世纪修建的万里长城,以及一些宏伟的宫殿、寺院、宝塔等建筑,历经风雨震害考验仍保留至今,就是因为我们祖先顺利地解决了地基基础的问题。

改革开放以来,在经济发展的带动下,交通运输拉动经济的力度已成为人们的共识,这就为桥梁建筑发展提供了一个广阔的天地。中国的桥梁科技工作者发愤图强,锐意进取,使我国的桥梁建设进入了一个飞速发展的阶段,取得了举世瞩目的成就,建成了世界最大跨径为石拱桥、钢筋混凝土拱桥、连续刚构桥,世界里程碑式的斜拉桥——现今世界第二大跨径的苏通长江大桥和曾为当时最大跨径的上海扬浦大桥;跨度居世界第二位的悬索桥——舟山西堰门大桥;还有现世界第一跨度的钢箱拱桥(550m)——上海卢浦大桥等。仅用20年时间就改变了世界桥梁建设发展格局,我国就步入了世界桥梁建筑水平的前列。上述成就与我国桥梁建设中下部结构的发展是紧密相关的。

超高桥墩的建设是桥梁最复杂、艰巨的工程。举世闻名的德国科赫塔尔桥桥墩(该桥1965年建成),墩高178m,比著名的德国科隆大教堂还要高出近20m(图1-12),保持世界第一高墩之称达40年。目前,世界最高桥墩当属法国米约(Milau)多塔斜拉桥,该桥跨越宽阔而低洼起伏的塔恩河谷,全长2.5km,是一座8跨单索面钢箱梁斜拉桥(图1-13),跨径布置为204m+6×342m+204m,桥面宽27.8m。设7座A形钢塔,塔高87m。该桥的7座混凝土(C50)桥墩的平均高度超过75m,其中最高墩达244.8m,为目前世界第一高墩(图1-14)。高墩细长,顶部要承受巨大的活动荷载,要适应上部结构伸缩变形的要求,抵抗来自桥塔的扭转力,其设计和建造要比摩天大楼复杂和艰巨得多,所以人们把桥梁喻为人类所建造的最为宏伟壮观的建筑物

图1-12德国科赫塔尔高墩

图1-12德国科赫塔尔高墩


图1-13法国米约多塔斜拉桥

图1-13法国米约多塔斜拉桥

我国第一座超百米高桥墩是1996年建成的南昆铁路清水河大桥(墩高100m),当时名列世界第五位。湖北省龙潭河公路大桥墩高已达178m,居世界第二位。至今为止,我国超百米高墩初步统计达20座之多(表1-17),为目前世界高墩最多的国家。关于我国高墩的结构形式和特点将在第二章第一节中介绍。

图1-14米约桥高墩示意图(尺寸单位:m)

图1-14米约桥高墩示意图(尺寸单位:m)

管柱基础是桩基础向大直径发展的一个里程碑,它是我国在1953~1957年修建武汉长江大桥时首创的一种先进的基础形式,是我国桥梁工程师和以西林为首的前苏联专家组合作研制成功的一种深基础。目前我国管柱基础直径已发展到5.8m。

钻孔灌注桩在我国于1963年在河南省首先应用,当时钻孔是使用水利部门打井用的大锅锥,用人力推磨方式钻孔,孔径只有60~70cm。钻孔灌注桩解决了桥梁水下深基础的施工问题,把水下作业改为水上施工,其技术经济优越性非常突出,很快被全国桥梁界所接受,成为首选基础形式。目前,我国采用分级扩孔的方法,用小钻机钻大孔已完成国内最大直径500cm桩的施工。通过不断研究、试验、使用、改进,近60年来已经发展成一种完善、先进的基础形式,有了符合我国具体条件和成桩方法的计算理论和设计方法,为我国公路、铁路、水利、港口、建筑、环保、煤炭、电力和国防等工程系统的建设作出了重要贡献,创造了不可估量的经济效益。

我国百米高墩一览表表1-17

我国百米高墩一览表表1-17

我国在巨型沉井施工方面已经走在世界前列。早在1967年,修建著名的南京长江大桥时,主桥1号墩基础采用普通钢筋混凝土沉井,其平面尺寸为20.2m×24.9m,下沉深度为53.5m,为当时亚洲之最。新近建成的江阴长江大桥,其锚固悬索的北锚墩下沉井的平面尺寸为69m×51m,是世界平面尺寸最大的沉井。大直径超长桩和管柱基础、大型组合基础和特殊基础(如双承台管柱基础、锁口管桩基础、连续墙基础等)在我国大跨度桥梁建设中的广泛应用表明,在桥梁基础设计理论和施工技术方面我国已进入世界前列。

20世纪后期,一些发达国家开始构思世界五大洲除大洋洲外的陆路相连、跨海的桥梁工程。我国在21世纪公路交通要实现规划布局的五纵七横共12条国家主干线,在20世纪已完成二纵二横。其中,南北公路主干线之一的同江至三亚线上将修建5项跨海工程,自北向南依次为渤海海峡工程、长江口越江工程、杭州湾跨海工程,珠江口伶们洋跨海工程以及琼州海峡工程。

跨海桥梁工程首先要解决的是深水基础问题。目前,国际上最深的大桥基础是日本明石海峡大桥的一号锚墩基础,水深70m,采用地下连续墙圆形沉井,直径为85m,井中填碾压混凝

土形成沉井。现在有些深水基础采用先在岸上预制,然后再用浮运沉井下沉的方法或直接以大型浮吊吊装的方法,在深水中安置预制好的桥梁基础及墩身。这种方法可以用很快的速度完成深水基础施工工作。日本、丹麦、加拿大等国家已开始采用此法修建深水基础。

图1-15为1997年建成的加拿大诺森伯兰海峡大桥预制深水基础和墩身的结构图。其墩座(基础)的外形由圆形锥体(下部)及圆柱形体(上部)组成,按水深不同其高度变化为10~35m,基底直径为22.0m,基础顶部做成锥形平台,以便和套入的墩身密切贴合。墩身的上部是变截面的八角形空心构造,下部设有底部直径为20m的圆锥体防冰体,以减小冰压力。墩座质量在3000~5500t之间,墩身为4000t,采用“Swart”浮吊,最大提升高度76m,最大起重质量为8700t。

图1-15诺森伯兰海峡大桥预制墩基础构造图 (尺寸单位:m)

图1-15诺森伯兰海峡大桥预制墩基础构造图

(尺寸单位:m)

这种基础形式在海洋平台上已应用多次,现已在美国的黑西哥湾水深达411m的深水中修建平台基础,成为世界上最深的水下建筑物,它对于修建桥梁基础也是一个很好的参考实例。

我国江河纵横,海岸线长,沿海有开发价值的岛屿很多,21世纪将会有更多的超大跨度桥梁有待我们去建设。迎接挑战,做好准备,在桥梁基础方面应加强如下研究方向。

(1)超深水大型基础结构形式的研究

我国桥梁工程界通过在长江上修建的近百座大跨桥梁,已积累了水深30m左右的各类基础工程的设计和施工经验。海峡水深往往在100m以上,需要借鉴海洋钻井平台的基础工程技术来创造新型的桥梁深水基础形式。

(2)超深水基础科学智能化施工技术的研究

深水大型复杂基础的施工技术水平反映一个国家的综合实力,在这方面我们与发达国象中还有一定差距。要进一步加强深水自动化施工机械、大体积混凝土水下施工技术、精密检测仪器设备及采用信息化监控系统进行施工过程科学管理决策等方面进行研究。

(3)桥梁下部结构的抗灾害能力和设防标准的研究尤其在桥梁结构抗震设计中,对土一结构共同作用、结构的局部与整体延性、减震隔震措施等方面的研究,桥梁下部结构都是一个重要的研究对象。

(4)超大跨度索体系桥梁塔墩的一些特殊受力及稳定性的研究为了避免建造过深和过于昂贵的深水基础,需要修建超大跨度的悬索桥和斜拉桥,这就增加了塔墩的高度,高耸的塔墩在恶劣的使用环境(如台风、潮汐、地震等)中,其受力极为复杂,尤其是空间稳定性问题,用常规的方法很难解决,需要建立更为精细并能反映结构整体作用特点的理论和方法,还要对大跨复杂结构体系桥梁上部结构和下部结构协作受力优化问题进行研究,减轻上部结构,尤其是索塔的负担。

(5)索体系桥梁锚碗结构预应力可更换锚固体系的研究目前,在大跨度悬索桥锚碗结构采用的预应力锚固体系,多为有黏结不可更换的结构体系。一般采用压浆防腐,在后期营运过程中无法检查和检测,也不能进行更换,给长期使用下的维护及运营状态评价带来困难。所以,预应力锚碳体系的发展趋势应是便于调节、更换、检测、维护,以保证其耐久性和可靠性。由于锚碗结构体积巨大,很难做真型试验,要进行构件研究,并结合计算机进行仿真分析计算,这是一个庞大的综合研究体系。


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