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什么是桥梁 桥梁的组成

futao 桥梁拆除 2019-05-27 601 0
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什么是桥梁 桥梁的组成

1桥梁概述

桥梁是当道路路线遇到江河湖泊、山谷深沟以及其他线路(公路或铁路)等障碍时,为了保证道路的连续性,充分发挥其正常的运输能力而修建的结构物,因此可以说桥梁是跨越障碍物的人工构造物。桥梁是路线的“延续”,主要起着跨越、承载、传力的作用。桥梁工程在学科分类上是土木工程中的一个分支,它是交通工程中的关键性枢纽。

从古至今,交通的发展与桥梁及桥梁工程的发展都是相互促进、密不可分的。交通的发展要求建造更多承载力更大,跨度更大的桥梁,以便使一个国家或地区的交通网不断完善,使其对内、对外的各种交流更加便捷,这样就促进了桥梁工程技术的发展。桥梁工程技术的进步则使设计和建造工程难度较大的桥梁(特别是大跨度桥梁)成为现实,进而推动交通向安全、快捷和网络化的高水平发展。这种相辅相成的关系也表明了桥梁及桥梁工程在交通和交通发展中具有极为重要的作用。

桥梁工程在规模上占道路总造价的10%~20%,它同时也是保证道路全线通车的咽喉,特别在战时,即便是高技术战争,桥梁工程仍具有非常重要的地位。

交通的发展与不同历史时期社会发展对交通的需求有十分密切的关系,与当时社会生产力的发展水平、工业制造水平以及道路与桥梁的设计和施工水平也有密不可分的关系。一座设计完美的现代化桥梁可以反映一个国家或一个民族的传统文化特点、社会文明的进步程度,科学技术的发展水准以及它的工程设计和工业制造的水平。桥梁工程是土木工程中最具挑战性的领域。纵观世界各国的大城市,常以工程雄伟且美观的大桥作为城市的标志与骄傲。它从一定程度上折射出人类社会进步和科学技术发展的过程。

原始时期人们利用天然倒下的树木、自然地壳变化和侵蚀而形成的石梁或石拱、溪润冲流而下的石块或森林里攀缘的藤萝等来搭架人工桥梁,出现了原始的建桥技术。可见人类最早开始构思搭架的桥梁,采用的建筑材料是天然的石块(石板)和树木。

随着科学技术的发展、社会的进步,出现了比石块抗压强度高的铸铁材料,人们由此又建造了铸铁拱桥。从力学特性来看,石头和铸铁都是脆性材料,其抗压能力强,而抗拉能力差。如果做成拱桥,并采用合理的拱轴线,使荷载作用下的压力线与拱轴线重合,则拱桥的任一横截面上受到的都是轴向压力,不产生弯矩,横截面上每一点就会只产生压应力,而不产生拉应力。但如果用这些脆性材料做成梁桥或板桥,桥梁的横截面上就会产生拉应力,当工作时的拉应力到达其抗拉强度时就会产生脆性断裂破坏,因而用石头或铸铁这些材料建成的梁桥或板桥,其跨径不能大,也不能承受较大的荷载。随着科学技术的进一步发展,出现了比铸铁抗拉强度大得多的钢材。此后,钢成了桥梁建筑的主导材料。钢桥的产生以及随后钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥的出现,使桥梁建设有了一个新的飞跃。

经过近几十年的努力,我国桥梁工程建筑取得了辉煌成就,这主要是我们发扬建桥优良传统,吸取国外先进经验并不断创新的结果。我国已建成的重要桥梁,如江阴长江大桥,是主跨1385m的悬索桥;南京长江二桥,是主跨628m的斜拉桥;万县长江大桥,是主跨420m的劲性骨架混凝土拱桥;广州丫髻桥,是主跨360m的钢管混凝土系杆拱桥;山西丹河桥,是主跨146m的石拱桥;广州虎门辅航道桥,是主跨270m的预应力混凝土连续刚构桥。这些桥梁都是我国桥梁建筑史上里程碑式的标志,也是世界闻名的桥梁。

根据交通部的规划,2020年将在全国形成“五纵七横”国道主干线的高等级公路网,形成横连东西、纵贯南北的运输大通道,将修建多座跨越大江河和海湾的长大桥梁。高速公路所建桥梁也是为数众多,如江苏润扬大桥、江苏苏通长江大桥、杭州湾通道工程、南京长江三桥、港珠澳大桥等,有的已经建成通车,有的正在紧张的建设之中。这些都是规模宏伟,任务艰巨,技术难度大的工程。

回顾过去,展望未来,可以预见在今后相当长的历史时期内,我国迫切需要修建大量的公路、铁路和城市桥梁;同时还有众多的桥梁或因年代久远,或因荷载增加而需要维修与加固。这就为从事桥梁科学研究、设计、施工的技术人员带来了机遇和挑战,我们应肩负起这个光荣而艰巨的任务,设计和建造出更多新颖的桥梁结构形式,同时采用先进的加固方法和材料对旧桥进行维修、加固。

1.2桥梁的组成和分类

2.1桥梁的组成

桥梁一般由四个基本部分组成:上部结构、下部结构、支座和附属设施。

(1)上部结构(也称桥跨结构)是指桥梁结构中直接承受车辆荷载和其他作用,并跨越各种障碍物的主要承重结构(图1-1)。上部结构的主要作用是跨越山谷、河流及各种障碍物,并将其直接承受的各种荷载通过桥梁支座传递到指定的下部结构,同时保证桥上交通能在一定条件下安全正常运营。

(2)下部结构是由桥墩、桥台和基础组成的。桥墩和桥台是支承上部结构并将其恒载和车辆等活荷载传至基础的结构物。一座桥梁的桥台只有两个,设在桥的两端;而桥墩设置在中间部分。桥墩两侧均为上部结构,而桥台一侧为上部结构,另一侧为路堤。桥台除支承桥跨结构外,还起到衔接桥梁与路堤,抵御路堤的土压力和防止路堤滑塌等作用。

图1-1梁式桥的基本组成

图1-1梁式桥的基本组成

桥梁墩台底部与地基相接触的结构部分称为墩台基础。墩台基础是桥梁结构的根基,承受从桥墩或桥台传来的全部荷载,包括竖向荷载以及地震力、船舶撞击墩身等引起的水平荷载,对桥梁结构的安全使用起着举足轻重的作用。这部分是桥梁施工中最复杂、难度最大的结构部分,也是确保桥梁安全的关键之一。大量事实证明,许多桥梁的毁坏都是由于墩台基础的强度或稳定性出现问题而引起的。

(3)桥梁支座设在墩台顶,用于支承上部结构的传力装置,将桥跨结构上的恒载与活载反力传递到桥梁的墩台,同时保证上部结构所要求的位移与转动,以便使结构的实际受力情况与计算的理论图式相符合。

(4)桥梁的基本附属设施有桥面系、伸缩缝、桥梁与路堤衔接处的桥头搭板、桥台的锥形护坡、护岸、挡土墙、导流结构物、检查设备等。

在桥梁工程中,常常用到以下几个基本概念:

(1)标准跨径对于梁式桥或板式桥,是指两相邻桥墩中线之间的距离,或桥墩中心线至桥台台背前缘之间的距离;对于拱桥,则是指净跨径。根据JTGD60-2015《公路桥涵设计通用规范》:当标准设计或新建桥涵的跨径在50m以下时,宜采用标准跨径。桥涵标准跨径规定为0.75m、1.0m、1.25m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.0m、5.0m、6.0m、

8.0m、10m、13m、16m、20m、25m、30m、35m、40m、45m、50m,共21级,常用的有10m、16m、20m、40m等。铁路桥梁的标准跨径为4~160m,共18级,常用的有16m、

20m、24m、32m、48m、64m、96m等。

(2)计算跨径对于具有支座的桥梁,是指桥跨结构相邻两个支座中心之间的水平距离,用l1表示,如图1-1所示;对于不设支座的桥梁,如图1-2所示的拱式桥,是指两相邻拱脚截面形心点之间的水平距离,或拱轴线两端点之间的水平距离,用l表示。桥跨结构的力学计算是以计算跨径为基准的。

(3)净跨径对于梁式桥,是指设计洪水位上两个相邻桥墩(台)之间的净距,以Lo表示(图1-1);对于拱式桥,是指每孔拱跨两个拱脚截面最低点之间的水平距离,用lo表示(图1-2)。

(4)总跨径是多孔桥梁中各孔净跨径的总和,也称桥梁孔径(ZLo),它反映了桥下宣泄洪水的能力。

(5)桥梁全长简称桥长,有桥台的桥梁为两岸桥台侧墙或八字墙尾端点间的距离;无桥台的桥梁为桥面系的长度,以L表示。

(6)桥梁高度简称桥高,是指桥面与低水位之间的高差,或为桥面与桥下线路路面之间的距离,以H1表示。

(7)桥下净空高度是为满足通航(或行车、行人)的需要和保证桥梁安全,对上部结构底缘以下规定的空间界限,以H表示。

(8)桥梁建筑高度桥面(铁路桥梁的轨底)到桥跨结构最下缘之间距离,以h表示。线路定线中所确定的桥面标高与通航(或桥下通车、人)净空界限顶部标高之差,称为允许建筑高度。显然,桥梁的建筑高度不得大于允许建筑高度。为保证桥梁的建筑高度,可以选用不同的桥跨结构形式,如斜拉桥、悬索桥、拱桥等。

(9)净矢高拱式桥从拱顶截面下缘至相邻两拱脚截面下缘最低点之连线的垂直距离,以fo表示(图1-2)。

图1-2拱桥的基本组成

图1-2拱桥的基本组成

1一主拱圈2—拱顶3—拱脚4—拱轴线5—拱腹6一拱背7一伸缩缝8一桥台9一基础10一锥坡11一拱上建筑(10)计算矢高是指从拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形心连线的垂直距离,以f表示。

(11)矢跨比是指计算矢高f与计算跨径l之比(f/1),也称拱矢度。

(12)低水位、高水位、设计洪水位、通航水位低水位是指枯水季节的最低水位;高水位是指洪峰季节的最高水位;设计洪水位是指桥梁设计中按规定的设计洪水频率计算所得的高水位;通航水位是指在各级航道中能保持船舶正常通行时的水位。

《公路桥涵设计通用规范》规定桥涵设计洪水频率见表1-1。

表1-1桥涵设计洪水频率

表1-1桥涵设计洪水频率

《公路桥涵设计通用规范》对特大、大、中、小桥及涵洞按单孔跨径或多孔跨径总长分类规定见表1-2。

表1-2桥梁涵洞分类

表1-2桥梁涵洞分类

从上述分类方法可以看出,特大桥、大桥建设规模大,但并没有显示出桥梁设计和建造的难易、复杂程度。例如,两座多孔跨径总长同为1600m的桥梁,一座是由300m+1000m+

300m三孔组成的斜拉桥,一座是80孔跨径为20m的简支梁桥,显然前者比后者无论从哪一方面都复杂得多。国际上把单孔跨径小于150m的叫中小桥,大于150m的称大桥;单孔跨径大于或等于1000m(悬索桥)、500m(斜拉桥和钢拱桥)、300m(其他桥型)的称特大桥。

2.2桥梁的分类

桥梁有许多分类方式,人们通常根据桥梁的结构形式、所用材料、所跨越的障碍以及其用途、跨径大小等对桥梁进行分类。

1.桥梁的基本体系

这是根据桥梁的结构形式及其受力特点来分类的,可分为梁式桥、拱式桥和悬索桥

(或称为吊桥),简称为“梁、拱、吊”三大基本体系。另外,有上述三大基本体系相互组合,在受力上形成具有组合特点的桥型,如刚架桥、斜拉桥及系杆拱桥等。

下面分别阐述各种桥梁体系的主要受力特点和适用场合。

(1)梁式桥梁式桥(图1-3)桥跨的承载结构由梁组成。在竖向荷载作用下梁的支承处仅产生竖向反力,而无水平反力(推力)。梁横截面上只产生弯矩和剪力,荷载作用方向通常与梁的轴线相垂直,梁主要通过抗弯来承受荷载,并通过支座将其传递至下部结构。梁式桥可分为简支梁桥、连续梁桥、悬臂梁桥。简支梁桥的计算跨径小于25m时,通常采用抗弯、抗拉能力强的材料(钢、钢筋混凝土材料等)来建造;计算跨径大于25m时,更多采用预应力混凝土材料。预应力混凝土简支梁桥的经济跨径为40~50m。连续梁桥和悬臂梁桥跨间支座上负弯矩的存在,使其各跨跨中的弯矩减小,由此提高了其跨越能力,为了改善受力条件和使用性能,当地质条件较好时,中小跨径均可修建连续梁桥。对于大跨径和特大跨径的梁桥,可采用预应力混凝土、钢和钢-混凝土组合梁桥。

(2)拱式桥拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋(图1-4)。拱桥在竖向荷载作用下,桥墩或桥台除了承受竖向反力外,还将承受水平推力,水平推力将显著降低荷载引起的拱圈(或拱肋)横截面内的弯矩。通常就可用抗压能力强,而抗拉能力差的石料、混凝土等圬工材料和钢筋混凝土等来建造拱式桥。对于特大跨径的拱桥,也可以建造成钢拱桥、钢-混凝土组合截面的拱桥。

由于拱桥的受力合理,所以其跨径可以做得很大,承载能力高,外形美观。在条件许可的情况下,修建拱桥往往是经济合理的,跨径在500m以内都可以作为设计方案进行比选。

图1-3梁式桥

图1-3梁式桥

图1-4拱式桥

图1-4拱式桥

但为了确保拱桥能安全可靠地工作,墩台基础和地基必须能承受很大的水平推力的作用。一般应选择地质条件好的地域修建拱桥。

当然,在地质条件不适合修建具有很大水平推力的拱桥的情况下,也可采用无水平推力的系杆拱桥,如图1-4c所示,其水平推力由系杆承受,系杆可由预应力混凝土、钢等制作。

另外,也可修建近年来发展起来的水平推力很小的“飞雁式”三跨自锚式系杆拱桥,如图1-4d所示,即在边跨的两端施加强大的水平推力H,通过边跨拱传至拱脚,以抵消主跨拱脚处的水平推力。

(3)刚架桥刚架桥的主要承重结构是梁或板和立柱或竖墙整体结合在一起的刚架结构。由于梁和柱两者之间是刚性连接,在竖向荷载作用下,将在主梁端部产生负弯矩,在柱脚处产生水平反力,梁和柱的横截面均作用有弯矩、剪力和轴力。梁以受弯为主,但其弯矩较同跨径的简支梁小,跨中截面尺寸也可相应减小,从而降低其建筑高度,使刚架桥的跨径增大,提高其跨越能力;柱为压弯组合构件。根据刚架桥的受力特点,设计时常常采用钢筋混凝土或预应力混凝土材料建造。实践表明,普通钢筋混凝土刚架桥在梁柱交结处较易产生裂缝,所以设计时要多配构造钢筋避免裂缝的产生。图1-5a所示的门式刚架桥,其受力状态介于梁桥与拱桥之间,如图1-5b所示,由于是超静定结构,由于混凝土收缩、徐变、温度变化或基础的不均匀沉降,其内部将会产生较大的附加应力,设计和施工时也必须考虑到这一点。

除了门式刚架桥外,对于大跨径桥梁可采用T形刚架桥,如图1-5c所示,它属于静定

图1-5刚架桥

图1-5刚架桥

或低次超静定结构。它是由单独立柱与主梁连接成整体,形成T形,各T形刚架之间以剪力铰或挂梁相连,在竖向荷载作用下,无水平推力产生。T形刚架桥的悬臂部分主要承受负弯矩,预应力筋通常布置在桥面,与悬臂施工方法实现高度协调一致。但在车辆荷载作用下,T形长悬臂内的弯、扭应力较大,易产生裂缝,在剪力铰或挂梁处使行车不舒适,目前采用这种桥型的不多。为了克服上述桥型的缺点,可采用连续刚架桥,如图1-5d所示;也可做成刚构-连续组合体系桥型,如图1-5e所示。当跨越高速公路、陡峭河岸和深谷时往往采用斜腿刚架桥,如图1-5f所示。

(4)悬索桥悬索桥也称为吊桥,是指以主缆索为主要承重构件的桥梁结构,如图1-6所示,其主要承重结构包括基础、桥塔、锚碗、主缆索、吊索、加劲梁及桥面结构等。在桥梁设计时,当需要桥梁跨径在600m及以上时,总是首选悬索桥这一经典桥型。其主要原因是以高强钢丝作为主要承拉结构的悬索桥,具有跨越能力大、受力合理、最能发挥材料强度和造价经济等特点,同时以其整体造型流畅美观和施工安全快捷等优势而备受推崇。桥跨上的荷载由加劲梁承受,并通过吊索将其传至主缆索。主缆索的拉力通过对桥塔的压力和锚碗结构的拉力传至基础和地基。现代悬索桥的主缆索用高强度的钢丝成股编制而成,充分发挥了高强钢缆的抗拉性能,使其结构自重较轻,能以较小的建筑高度跨越其他任何桥型无法比拟的特大跨度。目前,悬索桥的最大跨径已达1991m(日本明石海峡大桥)。然而,相对于上述其他体系而言,悬索桥的自重轻,结构的刚度差,在车辆动荷载作用下将产生较大的变形。例如,跨度1000m的悬索桥,在车辆动荷载作用下,L/4区域的最大挠度可达3m左右。另外,悬索桥在风荷载作用下的振动及稳定性问题在设计和施工中要给予高度重视。

图1-6悬索桥

图1-6悬索桥

(5)斜拉桥斜拉桥是由塔柱、主梁和斜拉索等组成,如图1-7所示。斜拉桥实际上是梁式桥与吊桥的组合形式。它的主要受力特点是:斜拉索受拉力,将主梁多点吊起,并将主梁的恒载和车辆等其他荷载传至塔柱,再通过塔柱传至基础和地基。塔柱以受压为主。主要承重的主梁,由于斜拉索将主梁吊住,使主梁变成多点弹性支承的连续梁,由此减少主梁截面尺寸,增加桥跨跨径。斜拉桥构想起源于19世纪,限于当时材料水平,建成不久即被淘汰。20世纪中叶,出现了高强钢丝、正交异性钢板梁,以及计算机在结构分析中的广泛

图1-7斜拉桥

图1-7斜拉桥

应用,斜拉桥又蓬勃发展起来。其刚度大,造价低,很快在世界上推广,且跨度越来越大,日本多多罗桥跨径达890m。我国从2003年开始修建,2008年通车的苏通长江大桥跨径达到1088m。如从经济上看,可以做悬索桥也可做斜拉桥时,斜拉桥总是经济的。因为与悬索桥相比,斜拉桥是一种自锚体系,不需昂贵的地锚基础;防腐技术要求比悬索桥低,从而降低索防腐费用;刚度比悬索桥好,抗风能力也比悬索桥好;可用悬臂法施工,且施工不妨碍通航;钢束用量比悬索桥少。

2.桥梁的其他分类简述

除了上述按受力特点将桥梁分成不同结构体系外,也可按用途、建桥材料、建桥规模等进行分类:

1)按用途来划分,有公路桥、铁路桥、公铁两用桥、农桥、人行桥、水运桥、管线桥等。

2)按主要承重结构所用材料划分,有圬工桥(包括砖、石、混凝土桥)、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥、钢一混凝土组合桥和木桥等。由于木材易腐,而且资源有限,因此除了少数临时性桥和林区桥梁外,木桥一般不用作永久性桥梁。

3)按桥梁全长和跨径不同,分为特大桥、大桥、中桥和小桥。《公路桥涵设计通用规范》对特大、大、中、小桥及涵洞按单孔跨径或多孔跨径总长分类的规定见表1-2。

4)按跨越障碍的性质,可分为跨河桥、跨线桥(立体交叉)、高架桥和栈桥。高架桥一般指跨越深沟峡谷以代替高路堤的桥梁。为将车道升高至周围地面以上并使下面的空间可以通行车辆或做其他用途(如堆栈、码头、店铺等)而修建的桥梁,称为栈桥。

5)按上部结构的行车位置,分为上承式桥、下承式桥和中承式桥。桥面布置在主要承重结构之上者称为上承式桥;桥面布置在承重结构之下的称为下承式桥,桥面布置在桥跨结构高度中间的称为中承式桥。

上承式桥结构简单,施工方便,主梁和拱肋的数量和间距可按需要调整,且宽度可做得小一些,因而可节省墩台圬工数量。同时,在上承式桥上行车时,视野开阔,视觉舒适。不足之处是桥梁的建筑高度较大。

在建筑高度受严格限制的情况下,应采用下承式桥或中承式桥。由于桥跨结构在桥面之上,故横向结构宽度相对较大,墩台尺寸也相应有所增加。

6)按特殊使用条件分为开启桥、浮桥、漫水桥等。

除上述的桥梁分类方法外,还有按桥梁使用时间长短划分的永久性桥梁和临时性桥梁;按平面形状划分的直线桥、斜桥、弯桥等。

1.3桥梁建筑的成就及发展

在17世纪中期以前,生产力落后,没有动力机械,用于桥梁建筑的材料基本上是木材、砖、石、土等,桥梁的跨径也都比较小。到了18世纪,第一次工业革命出现了蒸汽机和动力机械等,生产力得到了较大发展。19世纪出现了钢材,使桥梁工程的发展出现了第一次飞跃,桥梁的跨径从几十米发展到了几百米。到了20世纪,随着钢筋混凝土的应用,以及20世纪30年代预应力混凝土技术及高强度钢材的出现,使桥梁建筑获得了廉价、耐久且刚度和承载力均较大的建筑材料,从而极大地推动了桥梁的发展,我们称之为桥梁建筑的第二

次飞跃。20世纪50年代之后,随着计算机和有限元计算方法的出现,计算能力大大提高,使得大规模的结构计算变为可能,从而推动了桥梁工程向更大跨径方向发展,实现了第三次飞跃。

桥梁建筑发展至今,经历了以上三次飞跃,它是伴随着建筑材料、生产力水平和计算能力的发展而不断发展的。

3.1我国桥梁建筑的成就

1.古代桥梁建筑的成就

我国是一个有五千年历史的伟大国家,幅员辽阔,地形东南低而西北高,河道纵横交错,著名的长江、黄河和珠江等流域孕育了中华民族,创造了灿烂的华夏文明。在历史的长河中,我国人民建设了数以千万计的桥梁,成为华夏文明的重要组成部分。我国古代桥梁的辉煌成就举世瞩目,在东西方桥梁发展史中占有崇高的地位,为世人所公认。

宋代建造了为数众多的石墩、石梁桥。200多年间,仅泉州一地,见于古籍的桥梁就有110座,其中名桥10座,如安平桥,有362孔,桥长约5里(2223m),故又名五里桥(现桥长2100m),保持了700余年的桥长纪录。该桥始建于宋绍兴八年(公元1138年),成于绍兴二十一年(公元1151年),历时13年。又如泉州万安桥,俗称洛阳桥,共有47孔,建于洛阳江入海口,桥总长约890m,桥宽3.7m。该桥始建于宋皇佑五年(公元1053年),成于宋嘉裕四年(公元1059年)。我国现存最早,并且保存良好的是隋代赵州安济桥,又称赵州桥(图1-8)。该桥为敞间圆弧石拱,拱圈并列28道,净跨37.02m,矢高7.23m,宽9m。主拱圈等厚1.03m,主拱圈上有护拱石。在主拱圈上两侧,各开两个净跨分别为3.8m和2.85m的小拱,以宣泄洪水,减轻自重。桥面呈弧形,栏槛望柱上雕刻着神采飞扬的龙兽。该桥始建于隋开皇十五年(公元595年),完工于隋大业元年(公元605年),由李春建造,距今已有1400多年的历史。安济桥制作精良,结构独创,造型匀称美丽,雕刻细致生动,历代都给予了重视和保护,1991年被列为世界文化遗产。

我国石拱桥因南北河道性质及陆上运输工具不同,所以构造不同。北方大多为平桥(或平坡桥),实腹厚墩厚拱。南方水网地区则为驼峰式薄墩薄拱。卢沟桥(图1-9)在北京广安门外15km,跨永定河。该桥始建于金大定二十八年(公元1188年),完工于金明昌三年(公元1192年),全长212.2m。全桥共11孔,孔的净跨不等(11.4~13.45m),桥宽9.3m,墩宽为6.5~7.9m。拱圈接近半圆形。桥墩迎水面为尖端镶有三角铁柱的分水尖,背

图1-8赵州桥

图1-8赵州桥

图1-9卢沟桥

图1-9卢沟桥

水面为削角方形。桥面上石栏杆共269间,各望柱头上雕刻有石狮。金代原物简单统一,自后历朝改换,石狮形态各异,制作精良且有诸多小狮,怀抱背负,足抚口瞻,趣味横生。桥及华表柱等处的石狮,已成为鉴赏重点,亦是统一变化的美学原则的具体应用。

2.近代桥梁建筑的成就

1934年8月8日开始动工兴建的钱塘江大桥,位于杭州市六和塔附近,横贯钱塘江南北.1937年9月26日建成。钱塘江大桥是我国著名桥梁专家茅以升先生主持设计建造的第一座铁路、公路两用双层大桥。该桥长1453m,分为引桥和正桥两个部分,首次采用气压法沉箱掘泥打桩成功,打破了外国人此处不可能建桥的预言,为中国人民长了志气。

新中国成立以后,尤其是20世纪80年代改革开放以来,我国社会主义现代化建设和各项事业都取得了世人瞩目的成就,交通事业的大发展和西部大开发为桥梁建设带来了良好的机遇。20世纪90年代以来,国家大力发展高等级公路建设,兴建了一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工技术难度大、科技含量高的大跨径斜拉桥、悬索桥、拱桥和钢筋混凝土连续刚构桥,积累了丰富的桥梁设计和施工经验。我国桥梁建设水平已跻身世界先进行列。

(1)混凝土梁桥混凝土梁桥主要有简支梁桥、连续梁桥、连续刚构桥等。我国跨径最大的简支梁桥是于1997年建成的昆明过境干道高架桥(预应力混凝土简支梁桥,跨径63m)。

1991年建成的云南六库怒江桥(图1-10),采用3跨变截面箱形梁,分跨为85m+154m+85m,箱梁为单箱单室截面,箱宽5.0m,两侧各挑出伸臂2.5m。支点处梁高8.5m,相当于跨度的1/18;跨中梁高2.8m,相当于跨度的1/55;全桥仅在0号块内设置横隔板两道。采用三向预应力配筋,纵向采用大吨位钢绞线群锚体系,仅于顶底板内配筋而无下弯索和弯起索,既简化了施工,又不为布索而增厚腹板;竖向预应力筋采用RRB400型432mm的高强度精轧螺纹钢筋,兼作悬浇挂篮的后锚钢筋。下部结构采用空心墩,钻孔灌注桩基础支承于岩层上。2001年7月建成通车的南京长江二桥北汉桥,如图1-11所示,其跨度为90m+3x165m+90m,是目前我国跨度最大的预应力混凝土连续梁桥,在同类型中居亚洲第一。

图1-10云南六库怒江桥

图1-10云南六库怒江桥

图1-11南京长江二桥北汉桥

图1-11南京长江二桥北汉桥

连续刚构桥既保持了连续梁无伸缩缝、行车平稳的优点,又保持了T形刚构不设支座和方便对称平衡悬臂施工的优点,同时还避免了连续梁和T形刚构的缺点,因此连续刚构桥在我国得到快速发展。

1988年建成的广东番禺洛溪大桥(图1-12),是我国第一座大跨径连续刚构桥,跨径为65m+125m+180m+110m。1996年又建成了湖北黄石长江大桥,主跨为245m,主桥连续长达1060m。1997年建成的广东虎门辅航道桥,连续刚构跨径为150m+270m+150m,该桥建成时居世界同类型桥第一。

2003年建成的云南元江大桥(连续刚构)(图1-13),主跨265m,中墩高123.5m,建成时居世界同类型桥第一。

(2)拱桥拱桥在我国有着悠久的历史,由于拱桥受力合理,承载能力高,跨越能力大,造型美观,故成为了大跨径桥梁的主要形式之一。

1991年建成通车的湖南凤凰乌巢河大桥(图1-14),全长241m,该桥因地制宜、就地取材,综合应用和发展了我国近20多年来建设石拱桥的经验,桥宽8m,主跨为120m,其主拱圈由两条宽2.5m的分离式矩形石肋和8条钢筋混凝土横系梁组成。腹拱为9孔13m,南岸引桥3孔13m,北岸引桥1孔15m。该桥横向稳定,结构轻盈,造型美观。1999年建成的山西晋城至河南焦作高速公路上的新丹河石拱桥,跨径146m,拱圈用80号大料石砌成,成为当今世界上第二大跨径的石拱桥。20世纪90年代开始建造钢管混凝土拱桥,该桥型是先合龙自重轻、强度较高的钢管圈,并将其作为施工拱架,再往钢管内压筑高强度混凝土,形成承载能力大的主拱圈。用此方法分别于1995年建成了跨径为200m的广东南海三山西大桥;于1998年建成了主跨270m的广西三岸邕江大桥;2000年建成了主跨为360m的丫器沙桥,该桥为钢管混凝土中承式拱桥,全桥总长1084m,主跨径组合76m+360m+76m。

图1-12广东番禺洛溪大桥

图1-12广东番禺洛溪大桥

图1-13云南元江大桥

图1-13云南元江大桥

图1-14湖南凤凰乌巢河大桥

图1-14湖南凤凰乌巢河大桥

2005年1月8日,重庆市巫山长江大桥竣工通车。巫山长江大桥位于长江三峡巫峡口,为世界第一大跨径的中承式钢管混凝土拱桥,全长612.2m,主跨492m,桥宽19m。其缆索吊装系统路径、起吊质量、起吊高度、泵送混凝土的难度均处于世界之最。于2006年年底建成通车的湖南益阳茅草街大桥,是主跨为368m的自锚式中承钢

图1-15重庆万县长江大桥

图1-15重庆万县长江大桥

管混凝土拱桥。

1997年建成的重庆万县长江大桥(图1-15),主跨420m,为世界上跨径最大的用钢管混凝土作为劲性骨架的钢筋混凝土拱桥。

2003年建成通车的上海卢浦大桥,为主跨550m的中承式系杆拱桥,这是目前世界上跨度最大的拱桥,拱肋为全焊接钢结构。

我国还用悬臂施工法建成了多座桁式组合拱桥,1995年建成的贵州江界河桥,跨度达到330m。

(3)斜拉桥我国斜拉桥的建设起步较晚,但发展较快。1975年,我国建成的第一座斜拉桥是跨径76m的四川云阳桥。20世纪90年代以后,斜拉桥在我国得到了迅速发展,修建了一系列跨大江大河的特大斜拉桥。据不完全统计,我国已建成的斜拉桥有100余座,其中跨径大于400m的已达20余座,数量为世界之首。

1991年建成了跨径423m的上海南浦大桥(图1-16);1993年建成了跨径602m的上海杨浦大桥(时居世界第一);1998年建成了跨径448m+475m的中国香港汀九桥;2001年建成了跨径605m的福建青州闽江桥(图1-17),它是钢一混凝土组合梁斜拉桥(即中跨为钢结构,边跨为混凝土结构),跨径为组合斜拉桥中的世界第一。

图1-16上海南浦大桥

图1-16上海南浦大桥

图1-17福建青州闽江桥

图1-17福建青州闽江桥

混凝土主梁的斜拉桥有1993年建成的湖北郧阳汉江大桥,跨径414m;1995年建成的安徽铜陵长江大桥,跨径432m;1996年建成的重庆长江二桥,跨径444m;2001年建成的重庆佛寺长江大桥,跨径450m;2002年建成的湖北荆州长江大桥,跨径达500m。

2001年分别建成的跨径628m的南京长江二桥和跨径460m的武汉军山大桥,均为钢主梁斜拉桥。2005年10月7日建成通车位于南京长江大桥上游约19km处的南京长江三桥,全长约15.6km,其中跨江大桥长4744m,主桥跨径648m,是世界上第一座“人”字弧线形钢塔斜拉桥。首次在国际上采用高215m、“人”字弧线形全钢结构索塔,是南京长江三桥建设中最大的亮点和难点。建设者首创钢塔节段焊接变形控制等技术,高质量地完成了钢塔的制作、吊装任务,为我国大型桥梁工程钢塔结构的设计、制造、架设积累了宝贵的经验。于2003年开工建设现已通车的苏通长江大桥,主跨1088m;中国香港昂船洲大桥,主跨1018m。在斜拉桥中,二者的跨度分别为世界第一和第二。

(4)悬索桥(吊桥)在我国,特大跨径的悬索桥从20世纪90年代中期开始得到了飞速发展。悬索桥是特大跨径的桥型之一,悬索桥有优美的造型和宏伟的规模,人们常常将其称为“桥梁皇后”。当跨径大于800m时,悬索桥方案便具有很大的竞争力。我国在20世纪90年代以前,虽修建了60多座悬索桥,但跨径小,桥面窄,荷载标准低。在20世纪90年代中期,这一局面得到了彻底改变。1995年建成的汕头海湾大桥(图1-18)面对我国台湾海峡,在广东省汕头市的游览景点妈屿岛处跨越汕头港湾,全长2420m。主桥为预应力混凝土悬索桥,主跨跨度452m。主桥长961m,桥面宽23.8m,在两岸主缆锚体正上方的桥面被扩宽至29.8m(供停车用),然后变至两端引桥的桥面宽27.3m。这一桥梁的建成,开创了我国现代公路悬索桥的先河。之后又有1996年建成的西陵长江大桥(主跨900m),1997年建成的虎门大桥(主跨888m),1997年完工的中国香港青马大桥(主跨1377m,公铁两用)和1999年完工的江阴长江大桥(主跨1385m,钢加劲梁)(图1-19),我国已跃居世界大跨度悬索桥前列。

图1-18汕头海湾大桥

图1-18汕头海湾大桥

图1-19江阴长江大桥

图1-19江阴长江大桥

2005年建成的江苏润扬长江大桥,跨径已达到1490m,是目前中国第一,世界第三的特大跨径悬索桥;建设中的浙江舟山群连岛工程西门大桥,主跨达1650m,将是世界第二大悬索桥。

3.2国外桥梁发展概况和桥梁工程的发展前景

1.国外桥梁发展概况

意大利文艺复兴之后,英国、法国和其他西欧国家冲破封建贵族制度,开始进人资本主义时代,尤其是18世纪的工业革命促进了生产力的快速发展,生产力的快速发展推动了工业革命,也促进了桥梁建设的空前发展。1855年,法国建造了第一批采用水泥砂浆砌筑的石拱桥;1899-1903年,卢森堡建成了跨度达84m的石拱桥;20世纪初,法国建成了戴拉卡混凝土箱形拱桥,其跨度达139.8m;1946年,瑞典建成的绥依纳松特桥,跨径达155m,是世界上迄今为止最大跨径的石拱桥。

钢筋混凝土桥的出现,要追溯到1873年的法国约瑟夫·莫尼尔首创的一座用钢筋混凝土建造的拱式人行桥。钢筋混凝土拱桥的兴起,推动了拱桥向更大跨径方向发展。1930年法国建成了三孔跨径为186m的拱桥;1940年瑞典建成了跨径达264m的桑独桥。直到1979年,因支架施工问题,钢筋混凝土桥的应用受到一定的限制。在南斯拉夫首次以无支架悬臂施工的方法建成了跨度390m的克尔克大桥,该桥跨径保持了18年世界纪录。目前,无支架悬臂施工法在大跨度拱桥施工中被广泛应用。

最大简支钢桁梁桥是1973年建成的主跨为227m的美国切斯特桥;最大跨径的连续钢桁梁桥是1992年建成的主跨为400m的日本生月大桥。

图1-20澳大利亚悉尼港湾大桥

图1-20澳大利亚悉尼港湾大桥

著名的澳大利亚悉尼港湾大桥

(图1-20)于1932年建成,是一座跨径为503m的中承式钢桁架拱桥。最大跨径的钢桁架拱桥是1977年建成的主跨为518m的美国新乔河大峡谷桥。

1928年法国的著名工程师弗莱西奈经过20年的研究,使预应力混凝土技术付诸实现。此后,新颖的预应力混凝土桥梁首先在法国迅速发展起来,大大推进了梁式桥的发展。第二次世界大战之后(1948年),法国应用预应力技术修复了马恩河上的五座桥梁,跨径约74m。

前民主德国最早采用全悬臂法来建造预应力混凝土桥梁,1952年成功地建造了莱茵河上的沃伦斯桥(跨度为101.65m+114.20m+104.20m,具有跨中剪力铰的连续刚构桥),该施工方法传遍世界,可以说是桥梁施工史上的一次革命。1962年,莱茵河上另一座桥—本道尔夫桥的问世,将预应力混凝土桥的跨度增至208m,使悬臂施工技术日臻完善。目前,世界上跨度最大的预应力混凝土连续梁桥是挪威的伐罗德桥(跨径260m,1994年建);最大跨度的连续刚构桥是挪威的斯托尔马桥(跨径301m,1998年建)。

世界上第一座钢筋混凝土斜拉桥是1925年在西班牙修建的跨越坦波尔河的水道桥,其主跨为60.35m。世界上第一座现代化斜拉桥是1978年瑞典建成的主跨182.6m的斯特罗姆海峡桥。美国建成的跨径299m的P-K桥是世界上第一座密索体系的预应力混凝土斜拉桥。

1995年建成的法国诺曼底大桥是主跨径为856m的斜拉桥,居世界第四。日本的斜拉桥多多罗桥的主跨跨径890m,于1999年建成,居世界第三。

在悬索桥方面,美国于19世纪50年代从法国引进了近代悬索桥技术后,于19世纪70年代发明了“空中架线法”来编纺主缆。1883年建成的纽约布鲁克林悬索桥,主跨跨径达到483m,这是现代悬索桥建设的开端。1937年建成的旧金山金门大桥,主跨跨径达到1280m,它保持了27年桥梁最大跨径的世界纪录。

英国于1974年建成的亨伯尔桥,跨径为1410m,是当时世界上悬索桥之冠。1996年建成的丹麦大带桥,其跨径为1624m。

目前,世界上跨径最大的桥梁是1998年建成的日本明石海峡大桥(图1-21),主跨跨径为1990m,后因阪神大地震导致地壳位移,目前跨径为1991m。

纵观世界桥梁建设的发展趋势,世界桥梁建设必将迎来更大规模的建设高潮,同时也对桥梁的设计和建造技术提出了更高的要求。

图1-21日本明石海峡大桥

图1-21日本明石海峡大桥

2.桥梁工程的发展前景

对于我国来说,国道主干线同江至三亚就有5个跨海工程,即渤海湾跨海工程、长江口跨海工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶们洋跨海工程,以及琼州海峡跨海工程。其中,难度最大的有渤海湾跨海工程,海峡宽57km,建成后将成为世界上最长的桥梁;琼州海峡跨海工程,海峡宽20km,水深40m,海床以下130m未见基岩,常年受到台风、海浪频繁袭击。

此外,还有舟山大陆连岛工程、青岛至黄岛,以及长江、珠江、黄河等众多江河上的桥梁工程。在世界上,正在建设的著名大桥有土耳其伊兹米特海湾大桥(悬索桥,主跨1668m);已获批准修建的意大利与西西里岛之间的墨西拿海峡大桥,该桥为主跨3300m的悬索桥,其使用寿命按200年标准设计,主塔高376m,桥面宽60m,主缆直径1.24m,估计造价45亿美元。在西班牙与摩洛哥之间,跨直布罗陀海峡桥也提出了修建为大跨度悬索桥,其中包含两个5000m的连续中跨及两个2000m的边跨,基础深约300m;另一个方案是修建三跨3100m+8400m+4700m的巨型斜拉桥,基础深约300m,较高的一个塔的塔高达1250m,较低的一个塔的塔高达850m,但这个方案需要高级复合材料才能修建,而不是目前的钢和混凝土。

桥梁技术的发展前景为:

1)大跨径桥梁向更长、更大、更柔的方向发展。研究大跨径桥梁在气动、地震和行车动力作用下结构的安全和稳定性。将截面做成适应气动要求的各种流线型加劲梁,增大特大跨度桥梁的刚度;采用以斜缆为主的空间网状承重体系;采用悬索加斜拉的混合体系;采用轻型而刚度大的复合材料做加劲梁;采用自重轻、强度高的碳纤维材料做主缆。

2)新材料的开发和应用。新材料应具有高强度、高弹性模量、质量轻的特点,研究超高强度硅烟和聚合物混凝土、高强度双向钢丝钢纤维混凝土、纤维塑料等一系列材料来取代目前桥梁建设中使用的钢和混凝土。

3)在设计阶段采用高度发展的计算机辅助手段,进行有效的快速优化和仿真分析,运用智能化制造系统在工厂生产部件,利用全球定位系统和遥控技术控制桥梁施工。

4)大型深水基础工程。目前,世界桥梁基础尚未有超过100m的深海基础工程,下一步需进行100~300m深海基础的实践。

5)桥梁建成交付使用后,将通过自动监测和管理系统保证桥梁的安全和正常运行,一旦发生故障或损伤,将自动报告损伤部位和养护对策。

6)重视桥梁美学及环境保护。

桥梁是人类最杰出的建筑之一,闻名遐迩的美国旧金山金门大桥,澳大利亚悉尼港桥,英国伦敦桥,日本明石海峡大桥,中国上海杨浦大桥、南京长江二桥、中国香港青马大桥,这些大桥都是宝贵的空间艺术品,成为陆地、江河、海洋和天空的景观,成为城市的标志性建筑。宏伟壮丽的澳大利亚悉尼港桥与现代化别具一格的悉尼歌剧院融为一体,成为今日悉尼的象征,因此21世纪的桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型,重视桥梁美学和景观设计,重视环境保护,达到人文景观同环境景观的完美结合。在20世纪桥梁工程大发展的基础上,描绘21世纪的宏伟蓝图,桥梁建设技术将有更大、更新的发展。


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