现代大跨度桥梁的设计理念与发展

2011-09-27林元培

重庆交通大学学报(自然科学版) 2011年2期

关键词：桥型悬索桥梁桥

林元培

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，中国上海 200092)

1 理念

中国是一个桥梁大国。

我国有长江黄河和辽阔的海疆，是一个发展中的国家。有大量的基本建设投资，中国的桥梁工程师在这样优越条件下应该有所作为去走向桥梁强国，今就桥型、施工工艺、结构分析、跨度的推进、美学等设计理念进行阐述。

1.1 桥型结构

在任何体系中有一条近于水平线的构造用来走人或车辆的结构称之为桥面构造。支承桥面构造的构造，称之为支承构造。

整个桥梁体系由桥面构造和支承构造组成，用“，”表示。“，”号之左表示支承构造受力，“，”号之右表示桥面构造受力。

凡受拉为主的构造记为“－”，凡受弯为主的构造记为“○”，凡受压为主的构造记为“+”，则桥梁体系一切可能的排列为:

(+，+) (+，○) (+，－) ⇨拱桥(○，+) (○，○) (○，－) ⇨梁桥(－，+) (－，○) (－，－) ⇨悬吊桥

1.1.1 拱桥体系

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(+，+)表示支承构造受压，桥面构造受压，一般称为斜腿钢架。

(+，○)表示支承构造受压，桥面构造受弯，一般称为拱桥。

(+，－)表示支承构造受压，桥面构造受拉，一般称为系杆拱桥。

1.1.2 梁桥体系

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(○，+)表示支承构造受弯，桥面构造受压，一般称为简支梁桥。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(○，○)表示支承构造受弯，桥面构造受弯，一般称为连续梁桥。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(○，－)表示支承构造受弯，桥面构造受拉，一般称为悬臂梁桥。

1.1.3 悬吊体系

(－，+)表示支承构造受拉，桥面构造受压，一般称为斜拉桥。比如说自锚式吊桥亦属斜拉桥。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(－，○)表示支承构造受拉，桥面构造受弯，一般称为悬索桥。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

尽管桥梁可能有千姿百态，但从力学观点来看只有3大体系:即拱桥体系，梁桥体系，悬吊体系。而每种体系中其桥面构造只有3种可能受力即或受压力，或受弯曲，或受拉力。所以桥型一切可能的排列只有9种，除第9种桥型(－，－)，表示支承构造受拉，桥面构造受拉，正在探索中(主要是材料问题)，尚未变成可使用的实际桥梁。其他8种桥型都已变为现实。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

1.2 材料的进展

当前桥梁工程中所用的材料为石、木、混凝土、钢筋、低合金钢、钢材、高强钢丝、高碳纤维。钢筋与混凝土相结合成钢筋混凝土构件克服了抗拉能力差的缺点，成了很好的梁柱构件。高强钢丝与钢筋混凝土相结合克服了钢筋混凝土有徐变收缩的缺点可以制造出与钢构件相竞争的构件。钢材杆件由于其重量轻，强度高，施工简单，在土建工程中一向有很大市场。最新一种材料是高碳纤维其应用正在发展中，其有强度高，重量轻的优点但价格十分昂贵，在工程中未能大量推广，多应用于混凝土构件的修补和维护。随着生产工艺改进，工程中不断推广，加大需求量，其价格会逐步降下来。

由上述材料可构成前面8种桥型，但构不成第9种桥型，主要是没有超轻、超强应力、超高弹性模量的材料，犹如没有高强钢丝就构不成斜拉桥一样。

1.3 现代结构分析

用计算机和有限单元法可算出任何结构在考虑P－Δ影响后的最大应力和最大位移。当前梁桥、拱桥、斜拉桥基本上是线性问题，已解决。悬索桥不论是静力问题还是动力问题，基本上是非线性问题，然而也基本上解决。尽管电脑上计算时间较长，但是比起做方案的上机时间还是不算多的，所以在结构分析上已不比几十年前那么困难，但仍须不断推进。

1.4 施工工艺

在桥梁跨度不大时，起重能力不大时容易安装，即使是混凝土构件在支架上现场浇筑也可建成。但当在大江大河上建筑桥梁时，就不可能搭支架去浇筑，也没有那么大的起吊设备去吊装，必须要提出一套可操作的安装工艺，在不妨碍河道上的船舶通行情况下，一段段安装制造直至合龙。这一套安装工艺往往归结为一套设备或措施，其费用称之为施工措施费。

整个桥的造价大体上就是材料费加制作费加施工措施费等。一套好的施工工艺将占有较小的施工措施费。桥梁的尺寸个性很强，这一套措施设备施工完了以后在下一座桥梁中往往难于重复利用，所以深入地研究施工工艺及其设备，降低施工措施费是设计施工中重大的课题。

挂篮悬臂浇筑工艺，它的施工图式在该阶段施工应力与在该阶段结构所能提供的承载应力大体上是协调的，结果用很小的挂篮代价去施工，其施工措施费很低，最后总造价也很低。

再比如用顶推法施工混凝土连续梁桥，虽然梁高要设计得稍高一点，但是它的施工阶段应力与该阶段梁体所能提供的承受应力大体上协调。最后只花了一些制作平台，千斤顶及梁的代价，施工措施费大为降低，总造价也随之下降。

梁桥体系如此，悬吊体系也是如此，唯独拱桥系统不大协调，如何以最少的设备把各施工阶段的应力与该阶段结构能提供的承受应力相协调是拱桥系统技术进步的方向。

1.5 大跨度桥的推进

每一种桥型与相应的材料相结合可形成大跨度桥梁，但跨度必有极限。例如预应力混凝土连续梁跨度到300 m左右，几乎到了极限，然而许多桥型跨度目前还远未达到极限，需要我们在构造、施工工艺方面再创新，去走向极限，去取得巨大的经济利益(切注意风险与利益共存)。

在未达到极限之前，总是用当前该桥型的世界纪录跨度作为方案比较的根据。

跨度推进的原动力是经济利益的需要，斜拉桥在努力追赶悬索桥就是一个例子。

1.6 美学问题

方案的选择取决于风险、使用性能、经济和美观，方案往往是在风险，使用性能都满足的前提下，最后是经济和美观进行对决，所以美观是一件十分重要的工作。重要的工程，一般都要求100年寿命。桥梁不仅是交通工具，也应该是一件艺术品，期待桥梁工程师能同建筑师共同合作，建造经典桥梁。

2 今后的发展

创新工程是一件有风险的工作，因为工程问题中有的是有理论，有的没有理论，只能有经验，但经验并不是放之四海皆准的，所以客观上就存在风险，但不能因有风险而不做工程。

所以如何进行创新同时要回避风险是工程中的核心问题。

我们对创新工程的态度应该是不求一步登天，但求不停地稳步向前。

我们要正确认识工程，同时要正确认识自己。

下面就桥梁的今后发展谈几点看法。

2.1 各种桥型的发展

2.1.1 梁桥

这种结构优点是造价低，但当前存在两大缺点必须尽快消除。

1)腹板有裂缝

国外有研究资料表明“抗拉强度随着拉力方向与混凝土灌注方向的相互关系而异，在灌注方向受拉时其强度可降低一半左右，因为在每一个较大骨粒下面，往往会有较小的空隙或含水量较高而形成多孔水泥层”。这是很重要的观点，可惜没有被人重视，今后对这观点要通过实测进行再确认。如果用这观点去设计大跨度连续刚构就不至于有裂缝。

2)预拱度问题

实际工程的徐变系数不易测定，又来不及试验，导致预拱度不正确，往往下垂过大。解决的途径是宜在箱内预留锚固，转向构造，当发现垂度过大时采用体外预应力解决它。

2.1.2 拱桥

这种结构的优点是刚度大，很适合于走高速列车或轻轨列车。

其缺点是与斜拉桥造价相比造价较高。所以拱桥技术进步的要点是改革施工工艺，降低其施工措施费。

2.1.3 斜拉桥(包括自锚式索桥)

这种结构的优点是自锚式，不需锚锭，因此与同跨度的悬索桥相比造价较低，但在现代桥梁中，需要通过高速列车或轻轨列车，故对斜拉桥提出一定的刚度要求，所以对斜拉桥的钢束应配置支承点，减少钢束跨度，提高其表观弹性模量，达到提高刚度的目的。

2.1.4 悬索桥

这种结构的优点是没有稳定问题，其跨度可以做到相当大，目前还未达到极限。但它缺点有2:①当钢缆受损(包括腐蚀)时不能象斜拉桥一样，可以在不损结构的前提下更换钢束;②横向刚度较差，大跨度时难于满足高速列度或轻轨列车刚度要求。

针对以上两大缺点，宜将钢缆布置由图1改成图2。

图1 传统布置Fig.1 Traditional arrangement

图2 改进后布置Fig.2 After improvement arrangement

这样一可使桥面横向转动大为减少;二可使一根受损钢缆在更换时，另一根钢缆仍可继续工作，(换缆阶段，钢缆安全系数可适当降低)保证总体结构安全。

2.2 施工工艺

2.2.1 拱桥施工工艺改进

除拱桥施工工艺外，其他桥型施工措施费都不高，唯独拱桥其材料费并不高而其施工措施费太高，导致总体造价提高，其他桥型的施工工艺都借用了原桥型本身结构的潜力进行操作，而拱桥却没有完全做到，这个问题将在今后技术进一步中解决。

2.2.2 深水基础施工工艺推进

当前长江的深水基础已做到水深50 m左右，台湾海峡的水深一般不超过80 m，所以在今后工程中，不断累积经验向80 m水深推进，建立有战略意义的深水基础的施工工艺。

2.3 结构分析

提高拱桥、斜拉桥的总体稳定分析水平，将成果提高到规范水平，确定其适当的安全系数。

提高风、车、桥偶合分析水平。当前高速列车、轻轨列车已在大跨度桥梁中出现，列车脱轨是十分重要问题。要分析在风、车、车轮偏载与结构构造共同作用下引起的结构随时间而变化的变形。这本来是一个应该可以解决的问题，但目前从实际情况看来，各单位拿出的数据还很分散。

应该用有限单元方法和用微分方程方法各自独立求解，相互校对求得真解，为规范作准备。

2.4 各种桥型跨度的推进

就跨度而言目前有一种误会:好像做大跨度桥是为大跨度而大跨度，其实不然，任何工程都需要经过方案比较，方案比较中要经过风险、功能、造价、工期、美观等各方面进行比较，不适当的跨度，在方案比较中会被淘汰，跨度不是随心所欲的结果，而是经济上的需要和性能的需要，比如说斜拉桥要做大跨度是为了同悬索桥竞争，因为它是自锚式的，可以省去地上2个锚锭，有经济优势;拱桥要做大跨度为的是能同斜拉桥竞争，因为拱桥的刚度比斜拉桥大，使火车不容易脱轨，有安全上的优势。这些都是方案上的需要。

当前混凝土梁桥跨度已达到300 m左右;拱桥跨度已达到550 m左右;斜拉桥跨度已达到1100 m左右;悬索桥跨度已达到2000 m左右。由于时代的进步，工程要求越来越高，上述各种桥型的跨度已满足不了当前客观需要。根据当前桥梁发展形势，提出下列方向:

1)混凝土梁桥由于受到材料性能限制，300 m跨度已接近极限，再推进跨度须向混合结构方向发展，能否成立，须由各种桥型方案竞争来取舍。

2)拱桥跨度向800 m方向推进，目的是与斜拉桥竞争得好的刚度。

3)斜拉桥跨度向1500 m方向推进。

目前长江下游江面约1500 m左右，近来多为悬索桥结构，由于斜拉桥结构是自锚式不须锚锭，而悬索桥必须有锚锭，因此悬索桥和斜拉桥在同样跨度下，悬索桥的造价要贵得多，所以斜拉桥的跨度要再次推进。目前，1088 m斜拉桥已竞争成功，能否在1200，1400，1500 m竞争成功这就是斜拉桥技术进步方向。当前应清醒地看到斜拉桥由于稳定问题，跨度是有极限的。

在实际工程中斜拉桥要与悬索桥竞争，在经济上取得优势。

4)悬索桥跨度向3000 m以上推进。

目前墨西那海峡悬索桥跨度是3000 m正在筹建中，我们应该学习追踪，认真总结其正反经验，为台湾海峡桥梁方案作技术上准备。

各种桥型在某种材料条件下都有它的极限跨度及当前的跨度纪录，这些跨度纪录是当前做方案的重要参考、超过这纪录时就要十分认真地判断它的风险，通过技术进步去突破纪录是一件十分重要工作，它扩大了各种桥型的适用范围，使得未来的桥梁方案能做到更合理。当然工程的技术进步，总是前人成功的基础上稳步推进的。