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桥梁建设的回顾和展望 | |
| 曾宪武,王永珩 2002-10-12 19:38:51 | |
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改革开放以来，我国社会主义现代化建设和各项事业取得了世人瞩目的成就，公路交通的大发展和西部地区的大开发为公路桥梁建设带来了良好的机遇。十年来，我国大跨径桥梁的建设进入了一个最辉煌的时期，在中华大地上建设了一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大、现代化品位和科技含量高的大跨径斜拉桥、悬索桥、拱桥、PC连续刚构桥，积累了丰富的桥梁设计和施工经验，我国公路桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。现综述大跨径桥梁建设和发展情况。
斜拉桥 斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥有更大的跨越能力。由于拉索的自锚特性而不需要悬索桥那样巨大锚碇，加之斜拉桥有良好的力学性能和经济指标，已成为大跨度桥梁最主要桥型，在跨径200~800m的范围内占据着优势，在跨径800~1100m特大跨径桥梁角逐竞争中，斜拉桥将扮演重要角色。 斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成，选择不同的结构外形和材料可以组合成多彩多姿、新颖别致的各种形式。索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱，材料有钢、混凝土的。主梁有混凝土梁、钢箱梁、结合梁、混合式梁。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面，拉索材料有热挤PE防护平行钢丝索、PE外套防护钢绞线索。 现代斜拉桥可以追溯到1956年瑞典建成的主跨182.6米斯特伦松德桥。历经半个世纪，斜拉桥技术得到空前发展，世界已建成主跨200米以上的斜拉桥有200余座，其中跨径大于400m有40余座。尤其20世纪90年代以后在世界上建成的著名的斜拉桥有法国诺曼底斜拉桥（主跨856米），南京长江二桥钢箱梁斜拉桥（主跨628米）、福建青州闽江结合梁斜拉桥（主跨605米）、挪威斯卡恩圣特混凝土梁斜拉桥（主跨530米），1999年日本建成的世界最大跨度多多罗大桥（主跨890米），是斜拉桥跨径的一个重大突破，是世界斜拉桥建设史上的一个里程碑。（表一）
我国自1975年四川云阳建成第一座主跨为76米的斜拉桥，二十多年过去了，这种在二次大战后复兴的桥型，在中国改革开放的形势下，得到了充分的发展和推广，至今已建成各种类型斜拉桥100多座，其中跨径大于200米的有52座。多年来，我国在斜拉桥设计、施工技术、施工控制、斜拉索的防风、雨振等方面，积累了丰富的经验。80年代末，我国在总结加拿大安那西斯桥的经验基础上，1991年建成了上海南浦大桥（主跨为423米结合梁斜拉桥），开创了我国修建400米以上大跨度斜拉桥的先河，大跨径斜拉桥如雨后春笋般的发展起来。据统计，我国修 建跨度大于400米的斜拉桥有20座，已建成通车14座，在建6座（表二）。我国已成为拥有斜拉桥最多的国家，在世界10大著名斜拉桥排名榜上，中国有6座，跨度600米以上的斜拉桥世界仅有6座，中国占了4座。
我国在400米以上大跨径斜拉桥建设中，创造了自己独特的风格： 索塔采用混凝土塔、不用钢塔。最高的混凝土塔为徐浦大桥，塔高210米； 索塔型式多种多样，有A型、倒Y型、H型、独柱； 主梁结构类型多种，有钢箱梁4座、混合式5座、结合梁4座、混凝土梁7座； 斜拉索采用平行钢丝的有15座、钢绞线的有3座。 2001年建成的名列世界第三位的南京长江二桥钢箱梁斜拉桥（主跨628米）和名列世界第五位的福建青州闽江结合梁斜拉桥（主跨605米）均处于世界斜拉桥领先地位。整体来说，我国斜拉桥设计施工水平已迈入国际先进行列，部分成果达到国际领先水平。目前，我国正在筹划建设的香港昂船洲大桥、江苏苏通大桥，其主跨均达到1000米以上，斜拉桥建设技术将要有新的突破。 悬索桥 悬索桥是特大跨径桥梁的主要型式之一，悬索桥优美的造型和宏伟的规模，人们常将它称为“桥梁皇后”。当跨径大于800米，悬索桥方案具有很大的竞争力。我国在90年代以前，虽也修建了60多座悬索桥，但跨径小，桥面窄，荷载标准低。 悬索桥由主缆、塔架、加劲梁和锚碇四部分组成。大缆以AS法（空中送丝法）或PPWS法（预制束股法）制造，美国、英国、法国、丹麦等国均采用AS法，中国、日本采用PPWS法。塔架型式一般采用门式框架，材料用钢和混凝土，美国、日本、英国采用钢塔较多，中国、法国、丹麦、瑞典采用混凝土塔。加劲梁有钢桁架梁和扁平钢箱梁，美国、日本等国用钢桁架梁较多，中国、英国、法国、丹麦用钢箱梁较多。锚碇有重力式锚碇和隧道锚碇，采用重力式锚碇居多。 现代悬索桥从1883年美国建成布鲁克林桥（主跨486米）开始，至今已有120年历史。上个世纪30年代，相继建成的美国乔治华盛顿桥（主跨1067米）和旧金山金门大桥（主跨1280米）使悬索桥的跨度超过了1000米。1940年7月美国塔可曼大桥（主跨853米）建成后仅四个月，在19m/s风速作用下突然倒塌，引起各国学者大力研究桥梁风致振动问题；1964年英国塞文桥（主跨988米）首先选用流线型扁平钢箱梁，增大了桥梁抗风性能和抗扭刚度，且用钢量少，维护方便，得到推广；1970年丹麦小海带桥首次采用箱内空气干燥装置，对钢箱梁起到了很好的防腐作用；1995年日本神户大地震，经受大地震考验的明石海峡大桥成功的抗震设计，使得悬索桥的技术在各方面得到空前的发展。 随着世界经济快速发展，尤其从上世纪80年代至世纪末，世界上修建悬索桥到了鼎盛时期，建成跨径大于1000米以上的悬索桥17座（表三）。在此期间，世界建成的著名悬索桥有60年代前后美国相继建成的麦基纳克桥（主跨1158米）、韦拉扎诺桥（主跨1298米）和80年代英国建成了亨伯桥（主跨1410米）、90年代丹麦建成了大海带桥（主跨1624米）、瑞典建成了滨海高大桥（主跨1210米）、日本建成了南备赞濑户大桥（主跨1100米，公铁两用）。可喜的是，在这期间我国相继建成了名列世界第四、第五位的江阴长江大桥（主跨1385米）和香港青马大桥（主跨1377米，公铁两用）。日本于1998年建成了世界最大跨度的明石海峡大桥（主跨1991米），将悬索桥跨径从30年代的1000米，历经70年，跨径达到近2000米，这又是一个重大突破，是世界悬索桥建设史上的又一座丰碑。
我国在悬索桥建设方面犹如异军突起，1995年在国内率先建成了汕头海湾大桥（主跨452米），在近五年内，相继建成西陵长江大桥（主跨900米）、虎门大桥（主跨888米）、宜昌长江大桥（主跨960米）以及名列世界第四位的江阴长江大桥（主跨1385米），名列世界第五位，（公铁两用桥名列第一位），香港青马大桥（主跨1377米）等11座大跨度悬索桥，（表四）。多年来，我们积累了丰富的悬索桥设计与施工经验，正满怀信心建设润扬长江大桥（主跨1490米），我国悬索桥设计和施工水平已迈入国际先进水平行列。目前，我国正在规划建设青岛海湾大桥（主跨1652米）、琼州海峡大桥（主跨1600米）和香港青龙大桥（主跨1418米）等大跨径悬索桥。
PC连续刚构桥 PC连续刚构桥比PC连续梁桥和PCT型刚构桥有更大的跨越能力。近年来，各国修建PC连续刚构桥很多，随着世界经济发展，PC连续刚构桥将得到更快发展。1998年挪威建成了世界第一stolma桥（主跨301米）和世界第二拉夫特桥（主跨298米），将PC连续刚构桥跨径发展到顶点。我国于1988年建成的广东洛溪大桥（主跨180米），开创了我国修建大跨径PC连续刚构桥的先例，十多年来，PC梁桥在全国范围内已建成跨径大于120米的有74座。世界已建成跨度大于240米PC梁桥17座，中国占7座，其中西部地区占5座（表五）。1997年建成的虎门大桥副航道桥（主跨270米）为当时PC连续刚构世界第一。近几年相继建成了泸州长江二桥（主跨252米）、重庆黄花园大桥（主跨250米）、黄石长江大桥（主跨245米）、重庆高家花园桥（主跨240米）、贵州六广河大桥（主跨240米），近期还将建成一大批大跨径PC连续刚构桥。我国大跨径PC连续刚构桥型和PC梁桥型的建桥技术，已居世界领先水平。
拱桥 石拱桥—石拱桥是我国历史悠久的源远流长的一种技术。最近又有新的突破，2001年建成的山西晋城晋焦高速公路丹河大桥，跨径146米，是世界最大跨度的石拱桥。 混凝土拱桥—混凝土拱桥分箱形拱、肋拱、桁架拱。我国采用缆索吊装架设法施工的最大跨度是1979年建成的四川宜宾马鸣溪大桥（主跨150米），采用拱架法施工的最大跨度是1982年建成的四川攀枝花市宝鼎大桥（主跨170米），采用支架法施工的最大跨度是河南许沟大桥（主跨220米），采用转体法施工的最大跨度是1990年建成的重庆涪陵乌江大桥（主跨200米）。在这个时期，国外混凝土拱桥最大跨度已达390米（前南斯拉夫克尔克桥，1980年建成）。此时，我国与国外差距最少10年。1990年宜宾南门金沙江大桥在国内首先采用劲性骨架，建成了主跨240米中承式钢骨混凝土拱桥，接着广西邕宁邕江大桥改进了工艺（钢骨采用钢管混凝土）使这种施工方法又跨上了一个新台阶，于1996年建成了主跨312米中承式钢骨混凝土拱桥、1997年建成的重庆万州长江大桥（主跨420米），为世界最大跨度的混凝土拱桥。与此同时，贵州江界河大桥建成了世界最大跨度的混凝土桁架拱桥（主跨330米）。据统计，世界上已建成跨径超过240米混凝土拱桥15座，中国占4座，而跨径大于300米的混凝土拱桥，世界上仅有5座，中国占3座，其中西部地区占2座（表六）。我国大跨度混凝土拱桥的建设技术，居国际领先水平。
钢管混凝土拱桥—钢管混凝土是一种钢-混凝土复合材料，具有高强、支架、模板三大作用，自架设能力强，较好地解决了大跨径拱桥经济、省料、安装方便，后期承载能力高的问题。该桥型我国近年来发展很快，自90年代以来，我国建成跨径大于120米钢管混凝土拱桥40多座，建成跨径大于200米的13座，（表七），最大跨径为2000年建成的广州ㄚ髻沙珠江大桥（主跨360米）中承式钢管混凝土拱桥，为世界第一钢管混凝土拱桥。相继建成的还有武汉江汉三桥（主跨280米）、广西三岸邕江大桥（主跨270米）等多座钢管混凝土拱桥。
目前正在建设的巫山长江大桥（主跨460米），这将又是一座创世界纪录特大跨径钢管混凝土拱桥。 钢拱桥—世界最大跨径钢拱桥是1997年建成的美国新河桥（主跨518.2米）上承式钢桁架拱桥；名列第二是1931年建成的美国贝尔桥（主跨504米）中承式钢桁架拱桥；名列第三是1932年建成的澳大利亚悉尼港桥（主跨503米，公铁两用）中承式钢桁架拱桥。我国大跨径钢拱桥修建较少，最大跨径的钢拱桥是四川攀枝花3002桥（主跨180米）（表八）。
上海最近动工建设的芦浦大桥（主跨550米）中承式钢箱拱桥，建成后比世界第一的美国新河桥还长31.8米，将夺冠世界第一钢拱桥。 21世纪世界桥梁的发展趋向 综观大跨径桥梁的发展趋势，可以看到世界桥梁建设必将迎来更大规模的建设高潮。 就中国来说，国道主干线同江至三亚就有5个跨海工程，渤海湾跨海工程、长江口跨海工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程，以及琼州海峡工程。其中难度最大的有渤海湾跨海工程，海峡宽57公里，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20公里，水深40米，海床以下130米深未见基岩，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1668米）；希腊里海安蒂雷翁桥（多跨斜拉桥，主跨286+3×560+286米），已获批准修建的意大利与西西里岛之间墨西拿海峡大桥，主跨3300米悬索桥，其使用寿命均按200年标准设计，主塔高376米，桥面宽60米，主缆直径1.24米，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一个修建大跨度悬索桥，其中包含2个5000米的连续中跨及2个2000米的边跨，基础深度约300米。另一个方案是修建三跨3100米+8400米+4700米的巨型斜拉桥，基础深约300米，较高的一个塔高达1250米，较低的一个塔高达850米。这个方案需要高级复合材料才能修建，而不是当今桥梁用的钢和混凝土。 桥梁技术的发展方向 1.大跨度桥梁向更长、更大、更柔的方向发展 研究大跨度桥梁在气动、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、高弹模、轻质的特点，研究超高强硅烟和聚合物混凝土、高强双相钢丝钢纤维增强混凝土、纤维塑料等一系列材料取代目前桥梁用的钢和混凝土。 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GPS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超过100米深海基础工程，下一步需进行100~300米深海基础的实践。 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，闻名遐尔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、香港青马大桥，这些著名大桥都是一件件宝贵的空间艺术品，成为陆地、江河、海洋和天空的景观，成为城市标志性建筑。宏伟壮观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。 |
