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剛構橋的歷史與展望

1.1.1我國公路橋梁建設水平改革開放以來,我國公路建設發展迅速,橋梁建設作為公路建設的重要組成部分也相應發展起來。特別是最近十年,我國大跨度橋梁建設進入了壹個最為輝煌的時期,壹大批結構新穎、技術復雜、設計施工難度大、技術含量高的大跨度橋梁相繼建成,標誌著我國高速公路。近年來修建的許多特大型橋梁在世界橋梁科技進步中占有重要地位。如正在建設中的重慶朝天門大橋,是世界上跨度最大的鋼拱橋,創造了十多座該類型橋梁的工程。蘇通大橋以1088m的主跨成為世界第壹跨斜拉橋,同時也成為世界最長的連續雙塔斜拉橋。潤揚長江公路大橋南汊懸索橋是世界第三大懸索橋,跨度1490m;新開通的杭州灣跨海大橋是世界上最長的跨海大橋。萬縣長江大橋是世界上最大的混凝土拱橋。此外,江陰長江公路大橋和香港青馬大橋在懸索橋中分別位居世界第四和第五。南京長江二橋、白沙洲長江大橋、荊沙長江大橋、鄂黃長江大橋、大佛寺長江大橋、李家沱長江大橋的跨度位列世界十大預應力混凝土斜拉橋。

橋梁跨越了天然護城河,縮短了時空距離,美化了秀美山川,為中國疆域的溝通和經濟的騰飛發揮了重要作用。

1.1.2我國公路橋梁發展趨勢隨著科學技術的發展,新材料的開發和應用,在橋梁設計階段采用高度發達的計算機輔助手段,進行有效的快速優化和仿真分析,采用智能制造系統在工廠生產構件,采用GPS和遙控技術控制橋梁施工。目前,我國橋梁建設與國際接軌,開始向大跨度、新型、輕型、美觀的方向發展。

(1)跨度在增加。

目前,世界上鋼梁和鋼拱的最大跨度已超過500m,鋼斜拉橋為890m,鋼懸索橋為1990m m。隨著渡江渡海的需要,鋼斜拉橋的跨度已超過1000m,鋼懸索橋將超過3000m m。至於混凝土橋梁,梁式橋的最大跨度為300m,拱橋為420m,斜拉橋為530m m..

(2)橋梁類型不斷豐富。

20世紀50-60年代,橋梁技術經歷了飛躍:混凝土梁橋懸臂平衡施工法、頂推法、無支架拱橋的出現,大大提高了混凝土橋梁的競爭力;斜拉橋的出現和興起顯示了豐富多彩的內容和強大的生命力;懸索橋采用鋼箱加勁梁,在技術上有了新的突破。

(3)結構不斷變輕。

懸索橋采用鋼箱加勁梁,斜拉橋在密索體系的基礎上采用開口截面甚至板,大大降低了梁的高跨比,非常輕便。拱橋采用少箱甚至拱肋或桁架體系;梁橋采用長懸臂、薄板,使橋梁上部結構越來越輕。

(4)重視美觀和環保。

橋梁是人類最傑出的建築之壹。著名的美國舊金山金門大橋、澳大利亞悉尼港灣大橋、英國倫敦橋、日本明石海峽大橋、中國上海楊浦大橋、南京長江二橋、香港青馬大橋等都是珍貴的空間藝術品,成為陸地、河流、海洋、天空的景觀,成為城市標誌性建築。因此,21世紀的橋梁結構將更加註重建築藝術造型、橋梁美學與景觀設計、環境保護,以達到人文景觀與環境景觀的完美結合。

1.2大跨度橋梁的分類及特點橋梁按結構體系分類是以受力特點和主要受力構件為依據,可分為梁式橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋和剛構橋五大類。

1.2.1梁式橋有多種類型,也是公路橋中最常用的橋型,跨越能力可從20m到300m不等。公路橋梁最常用的大跨度梁橋主要是預應力混凝土連續箱梁橋(圖1-1)。20世紀70年代,我國高速公路上開始修建連續箱梁橋。迄今為止,我國已建成多座連續箱梁橋,如全長1340m的錢塘江二橋、全長2070m的高集海峽廈門大橋等。目前,我國預應力混凝土。預應力混凝土連續箱梁以其在結構、施工和使用上的優勢,如橋面接縫少、梁高小、剛度大、整體性強、外形美觀、維修方便等,近年來成為越來越多的橋梁。其發展趨勢是:減輕結構自重,采用高標號混凝土。隨著建築材料和預應力技術的發展,其跨度越來越大,葡萄牙已建成250米連續箱梁橋。超過這個跨度不太經濟。大跨度梁橋的上部結構多采用箱形截面,因為箱形截面具有較大的抗扭剛度,且允許箱梁具有最大細長長度,徐變變形小於T梁。由於埋入箱梁中的懸臂板長度可以大幅度變化,腹板間距可以加大,因此可以適應各種使用工況,尤其適用於預應力混凝土連續梁橋和變寬橋。因此,箱梁可以在獨柱墩上建成彎斜橋。

連續箱梁橋的施工方法多種多樣,只能根據安全、經濟、保證質量、降低成本、縮短工期等因素進行選擇。壹般常用的方法有:現澆豎向支撐、預制拼裝(整孔可分段串聯)、懸臂澆築、頂進、滑模現澆施工。預應力鋼絞線可分段或連續分布,壹般采用大噸位群錨。為了減輕箱梁自重,可以采用體外預應力鋼束。連續箱梁橋雖采用預應力混凝土建造,但可就地取材,工業化施工,耐久性好,適應性強,整體性好,外形美觀;該類型橋梁的設計理論和施工技術都比較成熟。但由於結構本身的自重(約占總設計荷載的30%至60%),且跨度越大,其自重所占比重越大,極大地限制了其跨越能力。大跨度連續箱梁也有大噸位支座,如南京二橋北汊橋165m變截面連續箱梁,盆式橡膠支座噸位達到65O0kN。這種大噸位軸承的性能以及未來如何替代等壹系列問題都需要研究。

1.2.2的拱橋曾在橋梁發展史上占有重要地位。至今已有3000多年的歷史。如今,它因其造型美觀、成本低廉、承載潛力大而被廣泛應用。也是大跨度橋梁之壹,跨度從幾十米到400多米。我國大跨度混凝土拱橋的施工技術處於國際領先水平。拱橋的力學特性是拱肋承受壓力,支座壹般有水平推力。按其建造材料可分為圬工拱橋、鋼筋混凝土拱橋、鋼管混凝土拱橋和鋼拱橋。

(1)石拱橋是最常見的圬工拱橋,中國古代的石拱橋建設取得了巨大的成就。如建於公元606年的河北趙縣安濟橋,橋跨37.4m,高7.23m,寬約9 m,記載跨度為1350年,至今保存完好。圬工拱橋不便於實現工廠化施工,且工期長,相應造價高。同時,砌體材料雖然適合承壓,但其自重相對於許用應力來說比較大,不適合大跨度橋梁。

(2)鋼筋混凝土拱橋是拱橋的主要形式,分為箱形拱、肋形拱和桁架拱。根據近年來的實踐,常見的拱橋施工方法有現澆主支架法、預制梁段纜索吊裝法、預制塊懸臂安裝法、半拱轉體法和剛性或半剛性骨架法。我國鋼筋混凝土拱橋的發展趨勢是拱圈輕型化、長條形、多樣化。新建的萬縣長江大橋為剛性箱型拱,跨度420m,世界第壹。

(3)在我國,自20世紀90年代以來,鋼管混凝土拱橋(圖1-2)發展迅速,現已建成十幾座跨度大於200m的中承式鋼管混凝土雙肋拱橋,其中最大跨度的重慶巫山長江大橋(主跨460m)於2005年建成,成為世界上第壹座鋼管混凝土拱橋。鋼管混凝土和鋼管混凝土內填充混凝土,使鋼管和混凝土在受壓時可以互補:鋼管內的混凝土增強了鋼管的受壓性能和穩定性;而內部混凝土處於三維受壓狀態,提高了自身強度。鋼管混凝土更接近於壹種新材料,具有強度高、塑性好、耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊性能好等優點。它不僅具有優越的力學性能,而且在施工上也有很多優點。比如鋼管本身也可以作為模板骨架,不用拆模和支模就可以泵送混凝土;鋼管本身既可以做縱筋,又可以做箍筋,而且鋼管的卷制要比鋼骨架的制作和綁紮容易。

1.2.3斜拉橋是我國最受歡迎的大跨度橋梁類型之壹。到目前為止,已經建成或在建的斜拉橋有40多座(圖1-3)。大跨度混凝土斜拉橋數量居世界第壹。總體上看,我國斜拉橋的設計和施工水平已進入國際先進行列,部分成果達到國際領先水平。目前,中國正在建設的香港昂船洲大橋和即將通車的江蘇蘇通大橋的主跨都在1000米以上。截至目前,我國已建成各類斜拉橋100余座,其中跨徑超過200m的有52座,居世界第壹。斜拉橋由索塔、主梁和斜拉索組成。利用壹些從橋塔伸出的斜拉索在梁的跨度中增加彈性支撐,減小梁中的彎矩。力學特性是外荷載從梁傳遞到索,再傳遞到橋塔。不同的結構形狀和材料可以組合成豐富多彩、新穎獨特的形式。索塔的類型有A型、倒Y型、H型和獨柱式,材料有鋼和混凝土。主梁有混凝土梁、鋼箱梁、組合梁和混合梁。斜拉索布置為單索面、平行雙索面和斜拉索面,拉索材料包括熱擠壓PE防護平行鋼索和PE護套防護鋼絞線拉索。斜拉橋的施工方法主要采用懸臂澆築和預制拼裝。斜拉橋的優點:橫梁尺寸小,增加了橋梁的跨越能力;受橋下凈空和橋面標高的限制;抗風穩定性優於懸索橋,不需要集中錨固結構;無需支撐,施工方便。斜拉橋的缺點:由於是多次超靜定結構,計算復雜;纜索與梁或塔的連接結構復雜;施工中高空作業多,技術要求嚴格。斜拉橋作為壹種纜索體系,具有比梁橋更大的跨越能力。由於拉索的自錨特性,不需要懸索橋巨大的錨碇,斜拉橋具有良好的力學性能和經濟指標,已成為大跨度橋梁最主要的橋型,在200 ~ 800 m的跨度中占據優勢。

懸索橋1.2.4懸索橋是超大跨度橋梁的主要類型之壹。由於其美麗的外形和宏偉的規模,它通常被稱為“橋梁女王”。自1883年美國建成布魯克林大橋(主跨486m),至今已有120多年的歷史。20世紀80年代末,世界懸索橋建設達到高峰,建成17座懸索橋,跨徑超過1000m。1998年,日本建成了世界上最大跨度的明石海峽大橋(主跨1991m),使懸索橋的跨度從20世紀30年代的1000m增加到近2000m,成為世界懸索橋建設史上的壹座豐碑。在中國,懸索橋建設猶如異軍突起。1995年,汕頭海灣大橋(主跨452米)在中國第壹次建成。五年來,世界排名第四的西陵長江大橋(主跨900m)、虎門大橋(主跨888m)、宜昌長江大橋(主跨960m)、江陰長江大橋(主跨65438)相繼建成。多年來,我們在懸索橋的設計和建造方面積累了豐富的經驗。潤揚長江大橋(主跨1490m)建成,標誌著我國懸索橋的設計和建設水平進入國際先進水平。懸索橋由五部分組成:橋塔、錨具、主纜、吊索(或吊桿)和主梁(加勁梁)。主纜是主要的承重構件,受力特點是外荷載通過系桿從梁傳遞到主纜,再傳遞到兩端的錨具。主要材料是預應力鋼索。

由於懸索橋主纜采用高強度鋼材,受力均勻,因此跨越能力大,但也存在整體剛度小、抗風穩定性差、造價高、施工難度大等缺點。當這種結構跨度超過800米時,具有很大的競爭力。

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