進(jìn)入21世紀(jì)以來大跨度橋梁的發(fā)展及索源(61頁)

1、121世紀(jì)以來大跨度橋梁的發(fā)展及索源中國鐵道科學(xué)研究院 2014年11月史永吉2提 綱1.進(jìn)入21世紀(jì)大跨度橋梁的建設(shè)態(tài)勢2.社會科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了橋梁技術(shù)的發(fā)展3.鋼橋制造現(xiàn)代化4.施工技術(shù)的發(fā)展5.關(guān)于鋼橋面板疲勞損傷修復(fù)的幾個問題31.21世紀(jì)大跨度橋梁的建設(shè)態(tài)勢1.1 中國橋梁建設(shè) 談到進(jìn)入21世紀(jì)的橋梁建設(shè)，當(dāng)數(shù)中國，近20年內(nèi)，我國建成了近100座具有世界級規(guī)模的大跨度懸索橋、斜拉橋、拱橋等，這一橋梁建設(shè)速度和規(guī)模是世界任何國家和地區(qū)所無法相比的，一舉確定了橋梁建設(shè)大國的地位。這里列舉一些代表性的橋梁及其特點。4圖1.1.1 蘇通橋：主跨長1088m鋼箱梁斜拉橋，是世界上第一座超

2、越千米的斜拉橋。2008年建成。（1）公路橋5圖1.1.2 西侯門橋：主跨長1650m分離式鋼箱梁懸索橋。2007年建成。6圖1.1.3 盧浦橋：主跨長550m鋼箱拱橋。2004年建成。7圖1.1.4 閔浦橋：主跨708m全焊鋼桁梁斜拉橋，邊跨為混凝土桁架組合梁，中跨為鋼橋面板鋼桁梁，2010年建成。8圖1.1.5 重慶朝天門橋：主跨552m雙層公路和軌道交通兩用鋼桁拱橋。2009年建成。9圖1.1.6 壩陵河橋：位于跨越深谷的山區(qū)，受嚴(yán)厲的運輸條件制約，主梁采用主跨1088米鋼桁加勁梁懸索橋。2009年建成。10圖1.1.7 南京三橋：雙向六車道，主橋為跨徑648米的雙塔雙索面鋼塔鋼箱梁斜拉

3、橋，我國第一座鋼塔斜拉橋，塔高215m。11圖1.1.8 大勝關(guān)橋：雙線高速鐵路、雙線貨運鐵路、雙線軌道交通，主跨為2x336m連續(xù)鋼桁拱橋。（2）鐵路橋12圖1.1.9 蕪湖橋：公鐵兩用，主跨采用312m鋼桁梁矮塔斜拉橋（Extrodosed Bridge）。2000年建成。（3）公鐵兩用橋13圖1.1.10 天興洲橋：雙線高速鐵路、雙線貨運鐵路、四車道公路，主跨采用504m三索面鋼桁梁斜拉橋。2010年建成。14圖1.1.11 滬通橋：四線高速、貨運鐵路、6車道公路，主跨采用1092m鋼桁梁斜拉橋，建設(shè)中。（4）在建橋梁15圖1.1.12 五峰山橋：8車道公路，雙線高速鐵路，主跨采用112

4、0m鋼桁梁懸索橋。已立項。16圖1.1.13 港珠澳大橋：由海底隧道、人工島、橋梁組成，全長約30多公里，6車道公路，深水區(qū)采用多聯(lián)6110m連續(xù)鋼箱梁，淺水區(qū)采用多聯(lián)685m連續(xù)開口鋼箱組合梁。這是當(dāng)前建設(shè)規(guī)模最大的橋梁，總投資達(dá)670億人民幣。建設(shè)中。17圖1.1.14 洞庭湖二橋：6車道公路橋，主跨采用1688m鋼桁梁懸索橋，建設(shè)中。18圖1.1.15 虎門二橋：6車道公路，主跨為1688m雙塔雙跨鋼箱梁懸索橋，建設(shè)中。19圖1.1.16 蕪湖二橋：8車道公路，4線鐵路，主跨為588m， 南岸受航空條件制約，采用子母塔鋼桁梁公鐵兩用斜拉橋，建設(shè)中。201.2 存在的問題 談到我國橋梁建設(shè)

5、取得的巨大成績時，也應(yīng)清醒地看到橋梁建設(shè)中存在的問題。（1）設(shè)計理念片面追求跨長第一，哪怕比別人僅長5m，就橋梁技術(shù)水平而言，這是沒有多大意義的。許多城市的政績工程、形象工程、標(biāo)志工程，難免導(dǎo)致求大、求全、求快、求異。特別是某些城市橋梁，忽略橋梁的交通功能，片面追求橋梁人文理念，提出“藝術(shù)橋梁”之類的口號，如“蝴蝶拱橋”、“月牙式拱”、“小河上建大橋”、小河上建“橋梁博覽會”、“貝殼塔斜拉橋”、“天圓地方橋塔懸索橋”、“人門合一”斜拉橋、“旱地上造大橋”等等，其中許多是國際招標(biāo)，外國人做概念設(shè)計，國內(nèi)做結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳播了一些求怪求異的錯誤概念。21（2）建設(shè)費用高、資源浪費大 目前一些橋梁建設(shè)忽

6、略了合理性和經(jīng)濟性，往往導(dǎo)致投資過大，例如： 某城市橋，河面寬不足300m，建成了跨長300m的蝴蝶拱橋，預(yù)算6.7億。上游不遠(yuǎn)處已建成了連續(xù)梁橋，投資僅8000多萬。22 五峰山橋與日本南備灒瀨戶大橋主桁用鋼量的比較表1.2.123 由表1.2.1可見，兩座橋的主跨長度和公、鐵總活載大體相當(dāng)，由于以下原因及設(shè)計合理化的問題，主桁用鋼當(dāng)量相差1.7倍。再者，南備灒瀨戶大橋至今已運營26年，狀態(tài)良好。 五峰山橋過大地預(yù)測了公路交通流量，設(shè)定8車道公路，橋面全寬約45m，而長江中下游已建約20余座公路橋，均為6車道，距五峰山橋上下游約二、三十公里的潤揚大橋和泰州大橋，現(xiàn)在交通流量較少。 橋南出橋即

7、是彎道，很快就進(jìn)入丹徒車站，沒有必要把橋上行車速度與全線速度一致，均取250km/h。24 對于懸索橋，吊索間距（一般1216m）是主梁的跨距，本不需要有很大的抗彎剛度，相反，由于主纜變形大，主梁抗彎剛度越大反而引起次彎曲應(yīng)力越大。另外，影響懸索橋列車走行安全性和乘員舒適性的是梁端轉(zhuǎn)角和跨中區(qū)段撓曲線切線的縱向坡度的變化，前者影響更大。日本根據(jù)車橋動力響應(yīng)分析，本四連絡(luò)橋規(guī)范設(shè)定為活載豎向撓跨比限值為1/350，我國高鐵暫行規(guī)范中限值設(shè)定為1/550。這就要求較大的主桁剛度，進(jìn)而需要加大桁高和用鋼量來滿足剛度要求。25（3）病害嚴(yán)重 這里僅列舉幾類常見病害。 鋼橋面板疲勞裂紋具有普遍性、早發(fā)性

8、、多發(fā)性等特點。我國鋼橋面板從開始應(yīng)用至今已有近20年了，仍未看到收斂的趨勢，相反裂紋類別和數(shù)量仍在不斷擴大。 橋面鋪裝病害。經(jīng)常乘車過橋的人會發(fā)現(xiàn)，鋼橋面鋪裝常常處于修補施工中，嚴(yán)重影響了交通運營。 纜索防腐問題。纜索的腐蝕已使一些橋梁成為“危橋”。261.3 世界各國橋梁建設(shè) 當(dāng)前，正謀求世界經(jīng)濟一體化、建立多國和區(qū)域自由貿(mào)易區(qū)、發(fā)展中國家的經(jīng)濟崛起，已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。習(xí)近平在2014年北京APEC峰會上提出的“一帶一路”經(jīng)濟發(fā)展大格局順應(yīng)了這一總的形勢，很顯然這是由交通通道串連的經(jīng)濟發(fā)展帶。為此，各國都在紛紛規(guī)化或?qū)嵤┙?jīng)濟發(fā)展帶上的海灣橋或跨海聯(lián)絡(luò)橋的工程項目，舉例如下：27 連接歐亞

9、非的土耳其正建設(shè)第三Bosprus海峽橋（主跨1460m公鐵兩用懸索橋）。伊茲尹爾海灣橋。 連接歐洲大陸與北歐的第二Oresend海峽橋,由海底隧道、人工島和橋梁組成，公鐵兩用。 連接俄羅斯與克里米亞半島的亞速海峽大橋，正進(jìn)行可行性方案研究。28 連接意大利本土與西西里島的墨西拿（Messina）海峽橋,主跨3300m公鐵兩用懸索橋，主梁由3個分離式鋼箱和橫梁連接而成，全寬64m，主塔為386m高鋼塔，4根主纜，采用2000MPa級高強度鋼絲。因經(jīng)費問題暫未開工。 圖1.3.1 Messina 橋29連接歐非大陸的直布羅陀海峽大橋（主跨擬用5000m的懸索橋）的可行性研究。 圖1.3.2 直布

10、羅陀海峽大橋30 日本東京港臨海大橋，又稱恐龍橋，主梁采用桁板式箱的復(fù)式結(jié)構(gòu)，主跨為440m。 圖1.3.3 東京港臨海大橋311.4 復(fù)合結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展 組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展也經(jīng)歷過嚴(yán)重挫折，以法國為例，上世紀(jì)5060年代按過去的設(shè)計理論建設(shè)的組合梁，由于混凝土裂紋和剪力鍵因剪應(yīng)力集中而產(chǎn)生疲勞裂紋，逐漸失去承載力，一度降至“冰點”，組合梁建設(shè)跌至橋梁總量的2.5%。經(jīng)過10多年的研究，建立了新的設(shè)計理論，使組合梁建設(shè)重新崛起。目前世界上組合橋梁應(yīng)用最多的國家是法國，公路橋組合梁已達(dá)橋梁總量的85%，高速鐵路組合梁已達(dá)80%，其次是德國和日本，我國組合梁的應(yīng)用才剛剛起步。 上世紀(jì)末，世界各國橋梁專

11、家們認(rèn)為：由于組合結(jié)構(gòu)充分利用了混凝土材料的抗壓強度和鋼材的抗拉強度高的特點，21世紀(jì)將是組合結(jié)構(gòu)發(fā)展的時代。321.4.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)的類型圖1.4.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)的類型復(fù)合結(jié)構(gòu)橋梁類型如圖1.4.1所示。331.4.2 組合結(jié)構(gòu)新的設(shè)計理論 過去的組合梁橋設(shè)計是依據(jù)彈性理論用兩種材料的彈性模量比換算成一種連續(xù)體材料，按完全平面變形假定進(jìn)行計算分析。顯然，這與組合梁的受力行為不相符。 新的設(shè)計理論是基于混凝土板和鋼梁之間的非連續(xù)界面這一實際情況，考慮剪力鍵的承載力、抗剪剛度及界面間的縱向微小滑移，按不完全平截面變形假定進(jìn)行計算分析。對于連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)，采用不導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力限制裂紋寬度的設(shè)計方法。34

12、（1）法國組合梁橋應(yīng)用舉例 圖1.4.2、圖1.4.3和表1.4.1為公路和鐵路組合梁橋截面的主要尺寸。 圖1.4.2 公路橋組合梁橋 圖1.4.3鐵路橋組合梁橋1.4.3 組合結(jié)構(gòu)橋梁舉例35 表1.4.1 主梁組合梁橋截面的主要尺寸 注：*表示橫梁與橋面板組合的情況。表中L：跨長 E：橫梁間距 D：橋面板厚A (m)B (m)C (m)H/LD (cm)E (m)公路橋7.521612.5271/201/282030611, 46*鐵路橋612.656671/1540456736 Haute-Colme高架橋是TGV北線最長的高架橋，見圖1.4.4，全長1827m，共48跨，跨長25m65

13、m。全橋共設(shè)7個伸縮接縫。主跨梁高4.0m，跨長40m以下時，梁高均為3.5m，鋼梁翼緣采用變厚度熱軋鋼板（LP）。圖1.4.4 法國TGV高速鐵路Haute-Colme高架橋37（2）德國組合梁橋應(yīng)用舉例 圖1.4.5為Hannover-Wrzburg高速鐵路的美茵河橋（雙線鐵路橋），該橋為83.2+208.0+83.2m的雙層組合桁架三跨連續(xù)梁，梁高在跨中為7.66m，在主墩處為15.66m。兩片主桁中心距7.0m，主桁節(jié)點距10.4m。上弦采用RC板，下弦在主跨的中間區(qū)段采用鋼構(gòu)件，在邊跨和主墩處采用鋼和混凝土的組合構(gòu)件，見圖1.4.5。該橋建成于1994年。38(a) 全景圖 (b)

14、截面圖(c) 立面圖圖1.4.5 德國高速鐵路美茵河橋39（3）日本混合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用舉例 木曾川橋(Extradosed Bridge，中文稱矮塔斜拉橋)，由于主跨和邊跨的跨長比過小，為了延伸中跨跨長，避免端支座產(chǎn)生負(fù)反力，邊跨采用較重的PC箱梁，中跨采用較輕的鋼箱梁，兩者之間通過預(yù)應(yīng)力筋和剪力鍵采用剛性連接，見圖1.4.6。圖1.4.6 日本木曾川橋橋跨布置圖40 多多羅大橋，主跨890m斜拉橋，由于邊跨與中跨跨長之比過小，主梁采用鋼箱與PC箱的混合加勁梁，鋼塔高224m。建成于1999。圖1.4.7 日本多多羅大橋412、社會科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了橋梁技術(shù)的發(fā)展2.1 材料學(xué)科的發(fā)展及其應(yīng)用

15、422.2 數(shù)學(xué)、力學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用（1）促使了設(shè)計規(guī)范的演變 經(jīng)驗設(shè)計法容許應(yīng)力設(shè)計法極限狀態(tài)設(shè)計法。 設(shè)計方法的演變可以概括為如何用安全度的概念來更準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)的安全性。經(jīng)驗設(shè)計法有很大的盲目性，是從一次次結(jié)構(gòu)失效中摸索出來的；容許應(yīng)力設(shè)計法是用一個特殊安全系數(shù)除以材料破壞的基準(zhǔn)應(yīng)力來保證結(jié)構(gòu)具有一定的安全度，表達(dá)式為：材/計；43 極限狀態(tài)設(shè)計法是把材料抗力和作用在結(jié)構(gòu)上的荷載效應(yīng)視為符合正態(tài)分布的隨機變量，取5%失效概率作為限值，如附圖2.1所示。該方法使結(jié)構(gòu)失效概率有了明確的定義。表達(dá)式為：S/sRR（式中，S為材料基準(zhǔn)抗力；R為荷載效應(yīng)；s、R為材料抗力和荷載效應(yīng)分項安全系數(shù)）圖2.

16、1442.3 計算理論的發(fā)展舉例如下： （1）用大撓度理論代替彈性理論，才使懸索橋計算分析和建設(shè)得以成功。 （2）微小變形理論和有限變位理論的建立和正確應(yīng)用，使具有不同抗彎剛度的結(jié)構(gòu)得以精確分析，確保其安全性。 （3）非線性（幾何非線性和材料性能非線性）分析的建立，可使由不同延伸剛度和抗彎剛度的結(jié)構(gòu)得以準(zhǔn)確分析。 （4）斷裂力學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用使結(jié)構(gòu)脆斷控制和剩余壽命計算成為可能。 （5）用不完全平截面變形理論代替完全平截面變形理論來分析受彎組合梁，使組合梁從上世紀(jì)70年代的“冰點”走向21世紀(jì)的繁榮。452.4 計算工具及計算方法的發(fā)展及其應(yīng)用 （1）計算工具的演變 解放了人力，提高了正確性和計

17、算精度。 46（2）計算方法的發(fā)展數(shù)值分析法：難免做一些簡化假定，影響計算精度。 FEM分析法：使三維、多維空間結(jié)構(gòu)和多次超靜定結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)和局部節(jié)點的受力行為分析變得簡單易行。前提條件是，應(yīng)建立正確的計算模型（包括邊界約束條件，加載工況等），選用合適的計算理論、合理劃分單元類型和尺寸。473、鋼橋制造的現(xiàn)代化 我國鋼橋制造，乃至整個鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)，雖然引進(jìn)了一些先進(jìn)的制造設(shè)備，但從整體來看，仍然延用了傳統(tǒng)的落后的人工控制的制造方法。 現(xiàn)代化鋼橋制造是：生產(chǎn)全過程由計算機軟件系統(tǒng)實施管理，伴隨NC作業(yè)化、自動化流程、合理化工藝和先進(jìn)的匹配加工設(shè)備，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。 南京長

18、江三橋鋼塔制造為此做了嘗試，但要實現(xiàn)鋼橋制造現(xiàn)代化，仍有很長的路要走。483.1 何為科學(xué)技術(shù)進(jìn)步？ 工程師出身的美國經(jīng)濟學(xué)家布萊恩.阿瑟對技術(shù)的發(fā)展及其意義做了精辟的論述和概括，在他的著作技術(shù)的本質(zhì)：它是什么和如何演變中說： “是技術(shù)讓現(xiàn)代科學(xué)向前發(fā)展，是技術(shù)推動了經(jīng)濟走向繁榮”。 “技術(shù)發(fā)展是建立在對現(xiàn)有技術(shù)的有機和持續(xù)組合上，技術(shù)突破是現(xiàn)有技術(shù)重新組合的結(jié)果”。 “技術(shù)從廣義上說是數(shù)以千計相對獨立技術(shù)的不斷組合和演變”。 “我們的財富和生活都源自技術(shù)的發(fā)展”。 “科學(xué)與技術(shù)的關(guān)系比通常人們認(rèn)為的更加緊密”。 “那些被認(rèn)為是天才的發(fā)明者都是對現(xiàn)有技術(shù)非常精通的人，而且他們有志于將現(xiàn)有技術(shù)以

19、全新的方式予以組合”。493.2 鋼橋制造技術(shù)升級（1）要素提高管理、技術(shù)人員的知識素質(zhì)和工人的技能水平；依據(jù)結(jié)構(gòu)特征選定制造方案，合理分割制造單元和架設(shè)單元；生產(chǎn)流程全自動化；各生產(chǎn)工序配備先進(jìn)的、合用的、配套的設(shè)備；生產(chǎn)全過程實現(xiàn)數(shù)控（NC）作業(yè)法；從設(shè)計圖轉(zhuǎn)化成制造圖到成品驗交，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的計算機管理系統(tǒng)。50（2）要點 表3.1 流程及設(shè)備流程下料制孔組裝焊接檢測預(yù)拼裝涂裝設(shè)備精密焰切數(shù)控鉆床自動組裝自動焊機自動跟蹤激光測量儀計算機3D數(shù)值化預(yù)拼重涂裝等離子切割胎架機器人焊機激光切割數(shù)碼照相預(yù)拼使用機械滾動和液壓元素運送工件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的天車吊運工件,實現(xiàn)生產(chǎn)流程自動化51（3）目標(biāo)

20、 提高生產(chǎn)效率和人均產(chǎn)值，三、五百人的公司一班制，年生產(chǎn)能力達(dá)1015萬噸產(chǎn)量。 減少材料、能源損耗，降低成本。 提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，降低人工技能差別的影響。 伴隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，不斷提升員工的素質(zhì)。52工法適用范圍特點效果大段架設(shè)法水上大跨度連續(xù)梁，索支撐橋的鋼塔和主梁，高架橋碼頭上組裝成大節(jié)段，船運至橋位，大型浮吊大段吊裝，最大為5100t。提高組裝精度，減少空中工作量，縮短安裝工期，安全。懸索橋承載架設(shè)法山谷大跨度懸索橋主梁架設(shè)，已應(yīng)用于矮寨大橋。橋頭組裝成鋼梁節(jié)段；利于支撐在吊索上的臨時承載索和牽引索逐段架設(shè)主梁，突破了過去利用纜載吊機水上垂直起吊架設(shè)法和橋面吊機懸臂架設(shè)法。解決了

21、深谷架設(shè)時梁段運輸難題。臨時架梁設(shè)施少；提高了組裝精度；減少空中工作量，較安全；縮短安裝工期，減少架設(shè)成本。連續(xù)頂推施工法陸上或淺水區(qū)中小跨度連續(xù)梁及高架橋一般在橋頭制梁，利用長行程千斤頂連續(xù)頂推就位。橋頭制梁，質(zhì)量高，臨時施工設(shè)備少，必要時僅需少量臨時排架，投資少，工期較短。地下連續(xù)墻施工法適用于岸上大型深基礎(chǔ)施工，可向水中拓展。利用大型挖掘機挖出地下連續(xù)深槽，泥漿護(hù)壁；灌注水下鋼筋混凝土，形成受三維約束的連續(xù)墻基礎(chǔ)，具有很大的承載力。與大型沉井相比，工程量大大減少；與樁基相比，對地質(zhì)撓動少。4、施工技術(shù)的發(fā)展 橋梁施工技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)施工方法和施工設(shè)備上，這里舉例列表作一說明。535、關(guān)

22、于鋼橋面板疲勞損傷修復(fù)的幾個問題 這里以病害較嚴(yán)重的鋼橋面板疲勞損傷修復(fù)為例談幾個原則性問題，供參考。5.1 疲勞損傷修復(fù)原則 鋼橋面板疲勞損傷的修復(fù)（修理、加固、改造）除應(yīng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)的耐久性外，還需確保結(jié)構(gòu)的剛度，并提升橋面鋪裝的耐久性。 加固后應(yīng)不使附近產(chǎn)生新的疲勞裂紋。 成橋處于受力狀態(tài)，加固時應(yīng)采取臨時支撐等措施，盡可能使局部加固部位處于無應(yīng)力或低應(yīng)力狀態(tài)。54 考慮實橋加固方案時，原則上不宜采用焊接方法修復(fù)，減少焊接收縮變形和焊接收縮力對結(jié)構(gòu)的影響，不得已時應(yīng)制定可靠的工藝措施。 選擇加固和施工方案時，需進(jìn)行投資效益分析，提高經(jīng)濟性，降低維修成本。 應(yīng)充分認(rèn)識：鋼橋面板疲勞損傷修復(fù)工作的復(fù)雜性、困難性、多樣性，沒有通用修復(fù)方法。 盡可能減少施工對運營交通的影響，根據(jù)加固方案的不同，適時提出對交通的適度管制（限速、限載、分車道封閉），確保加固質(zhì)量。 因修復(fù)加固引起恒載增加不宜超過原橋的3%。555.2 疲勞損傷修復(fù)的難度和復(fù)雜性 與德國、日本等國相比，我國目前還沒有完善的鋼橋面板疲勞