别具一格的日本现代城市桥梁

2016-11-15穆祥纯

城市道桥与防洪 2016年1期

关键词：抗震桥梁日本

穆祥纯

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市　100082）

别具一格的日本现代城市桥梁

穆祥纯

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市100082）

系统地介绍了对日本东京、大阪、神户和名古屋等城市桥梁建设的分类考察情况和总体印象，阐述了从日本近代城市桥梁中得到的相关启示，为国内同行提供有借鉴意义的资料和建议，以期促进我国城市桥梁建设的健康发展。

日本；城市桥梁；相关启示

0　引言

日本位于亚欧大陆东部、太平洋西北部，领土由北海道、本州、四国、九州4个大岛和其他7 200多个小岛屿组成，因此也被称为“千岛之国”。日本陆地面积约37.79万km2，人口约为1.26亿（2013年统计）。日本东部和南部面临一望无际的太平洋，西临日本海、东海，北接鄂霍次克海，隔海分别与朝鲜、韩国、中国、俄罗斯、菲律宾等国相望。日本北海道有世界最著名的渔场。

笔者曾在2014年第12期《城市道桥与防洪》杂志发表了《日本大跨径城市桥梁》一文。为使读者全面了解日本桥梁建设情况，本文重点介绍日本的现代桥梁，主要是东京、大阪、神户和名古屋等城市立交桥梁、高架桥梁，城市人行天桥及日本的桥梁抗震技术等。

通过考察发现，日本近60年来，在城市桥梁建设上充分体现了传统与现代理念的有机结合。世界桥梁工程界给予日本桥梁的评价为——精细、高效和耐久，且其现代城市桥梁别具一格。

1　日本的现代城市桥梁

1.1城市立交桥梁和高架桥梁

众所周知，日本作为岛国其国土十分狭小，特别是其在城市建设的土地利用上十分有限。第二次世界大战后，他们针对其城市空间狭小的现状，修建了一大批立交桥和城市高架桥，且高架桥下的空间得到了充分的利用，并展现了其现代桥梁建造的先进水平。

图1和图2为东京两座城市立交群。这两座城市立交，根据东京都的城市规划设计，首先满足城市道路四通八达的需求，同时桥梁结构的设计和建造上，也充分显示了日本最新的建桥技术。总体上看，这两座城市立交群组既有跨线桥，又有定向桥梁，还有匝道桥梁；从桥梁结构型式来讲，既有预应力连续梁的直线桥，又有独柱支撑的预应力弯梁结构，同时利用日本钢铁工业十分发达的优势，建造了许多钢梁结构的桥梁。这两座立交体现了如下特点：一是在满足城市立交交通功能的前提下，桥形流畅，气势雄伟；二是尺度适宜的桥梁结构尺寸和体量，满足结构的安全性和耐久性的要求；三是其立交群组在桥梁平面、立面和总体造型上，满足城市桥梁美学的要求；四是在城市立交建造上满足快速施工和文明施工的要求，其桥梁结构的梁、板和下部结构墩柱均为工厂预制；五是桥下空间得到了充分的利用，大多为机动车停车场。

图1　东京都某城市立交群1

图2　东京都某城市立交群2

图3、图4为日本大阪的两座高架桥梁，均为架空的弯梁结构。由于这两座桥梁距临街的建筑很近，需充分考虑施工期间及长期运营对居民的影响，因此，他们在该桥梁的建造中，充分利用地形和地物，在场地十分狭小的空间内，修建了异型的桥梁结构。其特点有四：一是桥梁结构设计满足道路交通的需要，特别是两条道路并为一条道路时，其异型桥梁的设计和施工较为复杂；二是在桥梁距临近建筑物的一侧，设置了防噪音墙，以解决车辆对临街建筑物的噪声干扰；三是其结构纤细，结构尺度较为适中，符合城市桥梁美学的要求；四是充分利用钢材和预应力结构的优势，其桥梁结构符合安全性和耐久性的要求。

图3　日本大阪某高架桥梁1

图4　日本大阪某高架桥梁2

图5为东京都某立交桥梁的仰视照片，其复杂的桥梁上部结构和巨大的桥梁墩柱，让人看起来眼花缭乱。其特点有4点：一是上部结构大部分为钢板迭合梁，充分发挥了钢材的受力特性；二是整体桥型简洁、美观；三是设计了强大的空间框架墩柱，既满足框架墩柱的受力要求，又使人感觉合理、有序；四是桥梁结构满足总体上的道路交通线形要求，并展现了最新的科技发展成果。

图6为大阪某立交桥梁仰视照片。这座立交桥梁有如下特点；一是总体上结构布局合理，简单框架式盖梁支撑着上部结构——箱型梁，具有很好的受力性能；二是为充分利用桥下空间，在墩柱中部增设了横梁，巧妙地作为商店的顶板结构；三是根据受力需要，将下部墩柱与上部结构的主梁固接，以增强桥梁结构的刚性；四是墩柱体量适当增大且总体上是适度，既满足受力要求，也可抵抗车辆的碰撞；五是桥型简约、设计细腻，满足城市桥梁景观的要求。

图6　大阪某立交桥梁仰视照片

图7为大阪某跨线桥梁的侧视照片。这座桥梁的特点有四：一是上部结构箱梁为工厂预制，满足快速施工的要求；二是设计了强大的墩柱和盖梁，既满足受力需要，又使人感到比例合理，其外型简洁、大气；三是充分利用了钢材和预应力混凝土的材料特性；四是虽然桥梁结构较为简单，但在桥梁美学上仍有可取之处。

图7　大阪某跨线桥梁的侧视照片

图8和图9为大阪某高架桥梁的仰视照片。这座座落在日本城市居民的密集区域的桥梁，其特点有四：一是在人口稠密的城区修建高架桥梁，这座桥梁的上部结构采用整体现浇施工方式，其单箱多室的箱梁断面可满足受力要求，又使人感觉舒展、大方；二是将桥梁护栏和防噪声墙浇注在一起，既满足安全上的要求，同时在桥梁的外型上也显得流畅；三是高架桥梁的墩柱为正方形，且与上部箱梁为固接，既满足受力要求，加强了桥梁的刚度，同时也有利于桥梁的安全性和耐久性要求；四是桥下留有较大的空间，有利于桥下空间的利用。

图8　大阪某高架桥梁的仰视照片1

图9　大阪某高架桥梁的仰视照片2

图10展示的是日本东京都为某轨道交通架设的立交桥梁。众所周知，日本人多地少，而民众对出行的要求又很高，于是便有了发达的轨道交通系统。与此同时，由于建筑空间的限制，在兴建大量的高架桥、立交桥梁的同时，也出现了一大批穿楼而过的轨道交通桥梁。

在日本的东京和大阪，人们常常看到，一些桥梁可从某座大楼的某几层穿过，形成了日本都市的独特风景。穿越塔大厦何以建成如此格局呢？原来，这座大楼是日本政府和“钉子户”妥协的产物。20世纪80年代，当地政府要扩建阪神高速公路，限于道路位置必须经过“穿越塔大厦”的原址。当时，大厦还未动工修建。按照日本法律，必须将土地购买下来才能修路，但大厦地盘的主人无论如何也不愿转让地皮。双方僵持不下，直到1989年日本出台新法令，才找到了解决办法。按此法令，高速路建设方以4亿多日元的价格购买了这块地皮的部分空中通过权。据此，大阪一个新的景观诞生了。此后，日本类似“穿越塔”的设计层出不穷。譬如，东京新桥一带曾预定开通“麦克阿瑟大道”，其效果图中随处可见从大楼中穿过的公路。值得一提的是，把轻轨车站放在综合大楼里，是日本铁路经常采用的设计。比如东京的小田急百货商店大楼、兵库县明石车站中心市场等都是这样。一方面，车站的大量客流正好为同一座大楼里的商家带来商机；另一方面，只在建筑物内占据一层空间，车站的征地费也能大为降低，因此可谓一举两得。

图10所示的这座架空桥梁是在空中从建筑立面穿过去的。从桥梁结构和城市居民的的安全考虑，修建这些桥梁建筑物需要考虑诸多的问题。这座大楼已成为大阪的地标性建筑。它建于1992年，16层的塔楼目前作为写字楼使用。大楼的5层至7层开有一个宽敞的隧道，阪神高速路从这里一穿而过，“穿越塔大厦”由此而得名。仔细看去，会发现大楼和公路实际是完全分离的两个建筑，两者之间留有约80 cm的间距。支撑公路的是大楼两端的支架结构。大楼的一部分被消音瓦覆盖，因此公路产生的噪声、震动等对其并无直接影响。大楼的5层至7层赫然注明是“阪神高速公路”。

图10　大阪穿楼而过的桥梁

1.2其他城市桥梁

通过以上对日本不同桥型的城市桥梁的简要介绍，可使人们从中学习和借鉴有用的经验。在考察中我们了解到，日本人建造的健昭桥等在城市桥梁的建设上也展现了现代桥梁的水准，下面的几个案例，亦可使我们了解其在现代城市桥梁建造技术上的先进理念和水平。

健昭桥为长201 m的钢斜悬杆式刚性拱梁桥，加劲梁和钢桥面板一体化。吊杆采用PC钢绞线，工程技术人员对锚固部位进行疲劳试验，以确保疲劳强度。由于桥梁正下方有渔船拴船设施，对施工十分不利，施工时采用了斜拉扣挂法施工，并设置移动防护设施确保施工安全，并保护环境。

大牟田连续高架桥也有鲜明的创新之处。大牟田连续高架桥为长354 m的5跨连续钢-混凝土混合箱梁桥，主跨150 m。这座城市桥梁建成时是日本最大跨径的曲线梁桥，为提高该桥梁的抗风特性，他们研究并采用了确保抗风稳定性的措施，实施了全桥模型风洞试验。

荣皿垣高架桥荣皿垣高架桥为长423 m的18跨RC连续空腹拱桥。此桥梁形式在提高软弱地基抗震性、减轻基础负担的同时，有通风性好、美观的特点。在日本大发工业公司微型汽车的电视广告中介绍其坡度陡峭，不过，如果踩油门过大则可能超速，当地的居民曾呼吁人们安全驾驶。

图11为江岛大桥。该大桥全长约1 446 m，高约44 m，桥下可供5 000 t级的轮船通过。松江市一侧的斜率为6.1%，每前进100 m升高约6 m。从境港市一侧上桥，从“桥顶”眺望能够将中海湖的景色尽收眼底。

图11　著名的江岛大桥

2　日本的城市人行天桥

在考察中发现，日本建造的城市人行天桥以钢结构居多，且外形十分简洁、实用。

图12、图13为在东京都拍摄的一座人行过街天桥。该天桥为一跨简支的钢箱梁结构，可满足天桥一跨过街。为方便行人过街，两侧的楼梯均安装了扶梯，且桥身均涂成了灰色，与当地的街景比较协调。

图12　东京都一座人行过街天桥照片1

图13　东京都一座人行过街天桥照片2

图14为日本东京都两座办公大楼之间的一座现代人行天桥。该过街天桥的梁板直接支承在大厦外伸的支点上（固接）。桥梁的栏板为玻璃材料。整个人行天桥虽体量不大，但从外观上来看，能与大厦周围的环境相协调，且灰色的基调从外观上看富有质感。

图14　东京某大厦人行天桥

图15为日本奈良某居民区的一座跨河人行桥梁。这是一座木结构坦拱桥梁，桥梁建造充分利用了当地的木材，体现就地取材的环保理念。行人在桥上行走十分便利，其优美的桥型和较强的通行能力，给人留下很深的印象。

图15　奈良某居民区一座跨河人行桥梁。

图16为日本大分县九重町一座吊桥，它是日本国内最长的人行吊桥。该吊桥的跨径为390 m，高度为173 m。吊桥的桥面由两根巨大的钢丝主缆相联，通过一系列的竖向小吊杆连接木横梁。吊桥的两侧防护装置由钢丝网组成。吊桥高高悬挂于深山峡谷之中，游客可站在吊桥上观赏到远处的瀑布。晃动的吊桥、湍急的山间溪流、参天的古树使游客流连忘返。

图16　日本县九重町一座人行吊桥

3　日本的城市桥梁抗震

众所周知，日本是一个经常发生火山爆发和地震的国家。譬如，1792年，日本境内发生火山爆发，致使1.5万人丧生；1923年日本关东大地震，夺走了13万人的生命。按照地质板块学说，由于日本列岛正好位于亚欧板块与太平洋板块交界处，太平洋板块比较薄，密度比较大，而位置相对低一些。当太平洋板块向西呈水平移动时，它就会俯冲到相邻的亚欧板块之下。于是，当亚欧板块与太平洋板块发生碰撞、挤压时，两大板块交界处的岩层便出现变形、断裂等运动，从而产生火山爆发、地震等。日本为世界地震最多的国家之一，因而其建筑结构抗震研究（包括桥梁结构在内）一直走在世界的前列。下面综述一下其在城市桥梁抗震方面遇到的问题及相关的对策和成功经验。

公元1886年（明治19年）日本出台了第一部现代意义的桥梁规范《桥梁筑造保存方法》，并明确了桥梁抗震的相关规定。在此之后，几乎每次引起桥梁严重破坏的大地震都会促使日本政府修订桥梁抗震规范。例如：1978年宫成县地震促使1980年出版的桥梁设计规范开始考虑结构塑性变形能力，1995年的阪神地震使日本桥梁工程界提出了延性抗震设计和性能抗震设计。

日本自1923年关东大地震以来，其在抗震工程研究领域取得了很大的成就，其结构抗震设计技术也达到了很高的水平。1995年之前的二三十年里，日本发生的屡次大地震都极少因结构本身破坏而带来严重的人员伤亡或经济损失。然而，1995年1月17日的阪神大地震（正式名称为1995年兵库县南部地震）使房屋、桥梁等结构大量倒塌，直接或间接地造成6 000余人死亡，经济损失巨大。

据了解，日本自阪神大地震之后，更加关注抗震研究和成果的应用。譬如，日本明确桥梁抗震设计以确保依桥梁的重要程度而要求的抗震性能为目的，将桥梁分为A类与B类，A类为一般重要桥梁，B类为特别重要桥梁（一般为高速道路、一般国道及紧急输送道路桥梁）。对于A类桥要求在设计基准期内在大概率地震作用下，桥梁不产生严重破坏，在出现小概率的大地震时桥梁不产生致命的破坏；对于B类桥要求在设计基准期内在大概率地震作用下，不出现损害桥梁整体性的破坏，在小概率地震作用下仅产生有限的破坏，但不影响桥梁机能的迅速恢复。

日本现代桥梁用于抗震设计和验算的设计方法主要有三种：

（1）震度法：为弹性静力计算法。将水平地震动加速度峰值乘以结构的相应有效质量作为抗震设计的水平荷载。该方法用于第一级地震作用下的弹性设计。

（2）地震时保有水平耐力法（简称保耐法）：亦为一种静力法，考虑结构的弹塑性变形能力，用能量一定准则折算出等效的弹性强度。地震作用的考虑方式与震度法相同，但用于第二级地震作用下的设计和验算。该方法多用于单墩桥等结构形式简单的桥梁抗震设计。

（3）动力反应分析法：以时程反应分析为主的动力方法。主要用于震度法和保耐法的设计结果的弹性和弹塑性验算。对于复杂结构也直接用于设计。

关于日本的整体抗震性能：对于场地条件或结构形式较为复杂的桥梁，新规范要求要特别考虑桥梁系统整体的抗震性能。支座、防止落梁装置也作为主要结构构件来设计。

日本规定应明确桥梁复杂程度与抗震设计、验算法的关系，这三种设计验算方法因桥梁的复杂程度不同而选择使用。对于结构形式较为简单的桥梁（如单墩高架桥等可以简化为单自由度体系的桥梁），主要采用震度法和保耐法来分别针对第一级和第二级地震作用进行设计。日本的大部分桥梁属于这一类。如果桥梁形式较为复杂，但仍适用于静力法的假设，则抗震设计仍使用震度法和保耐法，但要求设计结果用动力反应分析方法加以验算，如有问题再对设计加以修改。对于斜拉桥、吊桥、拱桥等结构形式较为复杂且已不适于静力方法假定条件的桥梁，《新道示》要以动力反应分析法直接进行设计，在确定初期断面大小及配筋等时可以震度法和保耐法作为参考。

关于上部结构和基础的同步设计：改订前的规范只要求对上部结构（桥墩等）和基础单独进行设计，分别满足所要求的抗震性能即可。但是《新道示》明确了桥墩和桩基础的抗震强度的关系，原则要求桥墩的抗震强度要低于桩基础，以保证大地震时上部结构先于桩基发生塑性破坏，减轻上部结构的惯性力对桩基带来的负荷。这一考虑主要基于阪神大地震的震灾经验。地震后对桥梁上部结构的修复和重建，无论从金钱上和时间上都要小于基础。为确保满足以上设计要求，《新道示》要求对上部结构和基础进行同步设计。据从事设计的工程人员反映，这一要求使实际设计的业务量增加不少。

关于隔震设计：日本《新道示》新增加了隔震桥梁的有关设计规定，但在规定上仍偏于保守。和普通桥梁相比，在设计隔震桥时，桥墩的变形性能将被减小一半，且因长周期化带来的地震作用的减低不能低于0.4g（Level 2）。这样的规定主要是考虑隔震桥梁因隔震支座产生较大的位移，如和一般桥梁一样也允许桥墩有较大的塑性变形的话，整个桥梁体系将不够稳定，因此对桥墩的变形量给予了限制，并给地震作用的减低定了下限。目前，按现行的规范进行隔震设计，往往得不到更经济的设计结果。反过来讲，只是相当于把桥梁的设计抗震性能提高了，这也是对《新道示》争论较大的问题之一。

针对台风、地震等恶劣环境因素，日本桥梁设计人员采用先进的抗风、抗震设计方法，通过充分的模型实验和工艺研究，保证大桥抵御自然灾害的能力。目前，日本高架桥中的多层桥多（一般3～4层，有的5层以上）、高桥多（高度有的达50 m以上）。为在地震时避免直接和间接次生灾害影响，日本桥梁设计人员都作了抗震考虑，其抗震的等级都比较高。对大跨径的桥梁（如悬索桥、斜拉桥）进行了特殊的动力分析，如地震时程分析、耐风振的模型实验等等，确保安全畅通。

日本人非常注重知识积累和成果共享，很大程度上实现了资源和成果的全国性共享，使得研究工作的效率和效益得到极大提高，有利于技术的进步和发展。很多有代表性的桥梁都运用先进的声光与数字电子技术建立了“桥梁博物馆”，集工程经验总结与推广、技术交流、科普教育、旅游观光等多项功能于一体，包括抗震知识和桥梁抗震研究成果，使得宏伟而高深的桥梁建筑技术生动形象地展示给普通民众，起到了提高国民素质、振奋国民精神的特殊作用。

图17和图18为1995年日本阪神大地震桥梁毁坏的两张照片。

图17　1995年日本阪神大地震桥梁毁坏照片1

图18　1995年日本阪神大地震桥梁毁坏照片2

4　相关启示和建议

（1）世界桥梁工程界给予日本桥梁的评价为精细、高效、耐久，但是日本桥梁建设者仍在不断研究探索新的桥梁设计建造技术。日本道路协会桥梁委员会发布的《次期道路桥示方书改定的方针》中指明了今后日本桥梁设计的发展方向：继续推进桥梁抗震设计的性能规定化进程；新材料、新技术、新理论的导入；与海外先进抗震设计基准相协调；推进设计基准国际化；建立高龄化道路桥的维修管理体系。这些对我们来说是很有借鉴意义的。

（2）在城市桥梁特别是大跨径城市桥梁的结构选型方面，日本人顺应了世界桥梁结构的发展趋势，呈现了很强的创新意识和实用功能。在最近50多年间，日本建造了许多现代大跨径城市桥梁，如明石海湾大桥和濑户大桥等，其主要呈现以下两个特点：一是在结构选型上因地制宜，既有悬索结构又有斜拉结构，既有拱式结构，又有梁式结构，结构选型以发挥该种结构的综合力学优势为主；二是在跨径的确定上，并非单纯追求跨径上的新突破和世界第一，而是将创新性、耐久性和经济性统筹考虑和综合确定。这两个方面的成功经验的确值得我们深入思考。

（3）日本的桥梁设计规范十分完备，主要依据其道路桥梁设计规范，共有五册，每一册后面均附有对规范的解释，均由相应的专门委员会负责编写。其委员会由全国桥梁设计、施工方面的专家组成。并根据世界桥梁的发展状况和设计、施工中反映出来的问题，每年都再版、修订一次。使其桥梁规范不断丰富，不断完善，成为日本桥梁设计人员的得力工具。

（4）日本桥梁设计人员非常注重桥梁的实用性和简洁美，以结构为主并辅以适当的修饰，在设计上成为与自然和谐统一的景观；重视桥梁设计建设中对自然环境和社会环境影响的评价与论证，运用全寿命周期效益分析方法，力争使每座桥梁都能做到功能适用性、环境协调性和结构安全性的高度统一。

（5）日本长大桥梁辅桥的建筑用材主要采用预应力混凝土结构与钢结构，其中以钢结构居多。究其原因，一是海上长桥辅桥工程的规模大，材料用量多，采用混凝土预应力有明显的经济优势，二是预应力混凝土技术的不断发展与成熟确保了海上长大桥梁的工程质量、桥梁耐久性及施工工期（如日本多多罗大桥的辅桥）。因此，我们应在这些方面学习其有益的经验和做法。

（6）在施工组织方面，日本桥梁的施工一般采用结构预制化、工厂化、专业化；大力实施施工机械化和设备大型化，其城市桥梁构件的设计尽可能简单化和预制化，便于加快施工进度、工程质量控制，并节约昂贵的人力资源。同时，重视施工组织设计，特别是施工计划安排及进度控制。施工工序的安排多采用流水作业，以提高工作效率，保障施工进度。

（7）在城市桥梁的桥梁防撞设防上，日本的几座海上长大桥梁，由于所处地域自然环境的不同，有的桥梁桥墩设计在构造上主要是考虑防止船舶的撞击，当结构一旦遭到撞击，他们有一套快速修复系统的人员和相关设施，以便桥梁遭到撞击后在最短时间里修复结构。

（8）在桥梁结构防腐蚀方面，在桥梁钢材防腐设计观念上，日本人反对使用环氧涂层钢筋，认为环氧涂层会降低钢筋与混凝土之间的握裹力，使得这两种材料的互补优势无法发挥出来以致降低了材料使用效率。因此，他们主张通过改进混凝土本身的材性来提高结构的耐久性标准。同时他们在桥梁结构的耐久性方面也采取了许多技术措施和管理措施，也值得借鉴。

（9）在交通控制及运营管理上，我们所考察的日本桥梁工程中，因建设较早其交通工程的硬件设施先进性都不够，基本上未安装交通监控系统，取而代之的是人为管理，而为了弥补车道数少带来的交通管理问题，在海上长桥的跨线段或跨段，每隔一段（如500 m或700 m），都设置安全岛便于车辆的临时停靠、紧急事故的处理，在道路两侧设置类似搓搓板结构的路缘带起到交通警示作用。在桥梁的养护管理上，他们非常重视日常养护管理，并且在设计阶段就从构造上考虑了结构的可维护和可更换问题（如桥梁伸缩装置和桥梁支座等），这些做法也对我们有很好的启迪作用。

日本在现代城市桥梁的建造上有很多值得我们学习和借鉴的东西。我们应汲取人类所创造的一切文明财富，进一步推动我国城市桥梁建设的健康发展，向世界桥梁强国的目标迈进。

［1］JTGD62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［2］鲍卫刚，周泳涛.预应力混凝土梁式桥设计施工技术指南［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］林元培.桥梁设计工程师手册［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］穆祥纯.城市桥梁结构安全度和耐久性问题的研究［A］.第十六届全国桥梁学术会议论文集［C］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］穆祥纯.论北京城市桥梁设计的创新技术［A］.第十七届全国桥梁学术会议论文集［C］.北京：人民交通出版社，2006.

［6］穆祥纯.基于创新理念的城市桥梁与市政建设［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［7］穆祥纯.基于传统和创新理念的日本城市桥梁（上）［J］.特种结构，2014（2）.

［8］穆祥纯.基于传统和创新理念的日本城市桥梁（下）［J］.特种结构，2014（6）.

［9］穆祥纯.日本大跨径城市桥梁［J］.城市道桥与防洪，2014（12）.

U44

1009-7716（2016）01-0036-07