摘要: 我国公路建设事业迅猛发展, 尤其是高速公路建设, 从无到有, 作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也得到相应发展, 一般公路和高等级公路上的中、小桥、立交桥, 形式多样, 工程质量不断提高, 为公路运输提供了安全、舒适的服务。文章结合常用的桥型探讨了公路桥梁的发展趋势。
关键词: 桥梁工程; 桥型; 发展; 趋势
中图分类号: U213.1 文献标识码: B
改革开放以来, 我国公路建设事业迅猛发展, 尤其是高速公路建设, 从无到有, 现已建成8700km。作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也得到相应发展, 跨越大江( 河) 、海峡( 湾) 的长大桥梁建设也相继修建, 一般公路和高等级公路上的中、小桥、立交桥, 形式多样,工程质量不断提高, 为公路运输提供了安全、舒适的服务。结合常用的桥型谈谈对公路桥梁发展趋势的看法。
1 板式桥
板式桥是公路桥梁中量大、面广的常用桥型, 它构造简单、受力明确, 可以采用钢筋混凝土和预应力混凝土结构; 可做成实心和空心, 就地现浇为适应各种形状的弯、坡、斜桥, 因此, 一般公路、高等级公路和城市道路桥梁中, 广泛采用。尤其是建筑高度受到限制和平原区高速公路上的中、小跨径桥梁, 特别受到欢迎, 从而可以减低路堤填土高度, 少占耕地和节省土方工程量。
实心板一般用于跨径13m 以下的板桥。因为板高较矮, 挖空量很小, 空心拆模不便, 可做成钢筋混凝土实心板, 立模现浇或预制拼装均可。
空心板用于等于或大于13m 跨径, 一般采用先张或后张预应力混凝土结构。先张法用钢绞线和冷拔钢丝;后张法可用单根钢绞线、多根钢绞线群锚或扁锚, 立模现浇或预制拼装。成孔采用胶囊、折装式模板或一次性成孔材料如预制薄壁混凝土管或其他材料。
钢筋混凝土和预应力混凝土板桥, 其发展趋势为:采用高标号混凝土, 为了保证使用性能尽可能采用预应力混凝土结构; 预应力方式和锚具多样化; 预应力钢材一般采用钢绞线。板桥跨径可做到25m, 目前有建成35～40m 跨径的桥梁。在我看来跨径太大, 用材料不省, 板高矮、刚度小, 预应力度偏大, 上拱高, 预应力度偏小,可能出现下挠; 若采用预制安装, 横向连接不强, 使用时容易出现桥面纵向开裂等问题。由于吊装能力增大,预制空心板幅宽有加大趋势, 1.5m左右板宽是合适的。
预制装配式板应特别注意加强板的横向连接, 保证板的整体性, 如接缝处采用“剪力键”。为了保证横向剪力传递, 至少在跨中处要施加横向预应力。
建议中、小跨径板桥, 应由交通行业主管部门组织编制标准图, 这样对推动公路桥梁建设, 提高质量, 加快设计速度都会带来明显的好处。
2 梁式桥
梁式桥种类很多, 也是公路桥梁中最常用的桥型,其跨越能力可从20～300m 之间。
公路桥梁常用的梁式桥形式有:按结构体系分为: 简支梁、悬臂梁、连续梁、T 型刚构、连续刚构等。
按截面型式分为: T 型梁、箱型梁( 或槽型梁) 、衍架梁等。
梁式桥跨径大小是技术水平的重要指标, 一定程度上反映一个国家的工业、交通、桥梁设计和施工各方面的成就。
现从以下几种常用的结构形式介绍梁式桥在公路桥梁上的使用和发展趋势。
2.1 简支T 型梁桥
T 型梁桥在我国公路上修建最多, 早在上世纪五六十年代, 我国就建造了许多T 型梁桥, 这种桥型对改善我国公路交通起到了重要作用。
上世纪80 年代以来, 我国公路上修建了几座具有代表性的预应力混凝上简支T 型梁桥( 或桥面连续) ,如河南的郑州、开封黄河公路桥, 浙江省的飞云江大桥等, 其跨径达到62m, 吊装重220t。
T 型梁采用钢筋混凝土结构的已经很少了, 从16m到50m 跨径, 都是采用预制拼装后张法预应力混凝土T型梁。预应力体系采用钢绞线群锚, 在工地预制, 吊装架设。其发展趋势为: 采用高强、低松弛钢绞线群锚:混凝土标号40～60 号; T 型梁的翼缘板加宽, 25m 是合适的; 吊装重量增加; 为了减少接缝, 改善行车, 采用工型梁, 现浇梁端横梁湿接头和桥面, 在桥面现浇混凝土中布置负弯矩钢束, 形成比桥面连续更进一步的“准连续”结构。
预应力混凝土T 型梁有结构简单, 受力明确、节省材料、架设安装方便, 跨越能力较大等优点。其最大跨径以不超过50m 为宜, 再加大跨径不论从受力、构造、经济上都不合理了。大于50m 跨径以选择箱形截面为宜。
目前的预应力混凝土T 型梁采用全预应力结构, 预应力张拉后上拱偏大, 影响桥面线形, 带来桥面铺装加厚。为了改善这些缺点, 建议预制时在台座上设反拱,反拱值可采用预施应力后裸梁上拱值的1/2～2/3。预应力混凝土简支或“准连续”T 型梁, 建议由交通行业主管部门组织编制一套适用的标准图。
2.2 连续箱形梁桥
箱形截面能适应各种使用条件, 特别适合于预应力混凝土连续梁桥、变宽度桥。因为嵌固在箱梁上的悬臂板, 其长度可以较大幅度变化, 并且腹板间距也能放大; 箱梁有较大的抗扭刚度, 因此, 箱梁能在独柱支墩上建成弯斜桥; 箱梁容许有最大细长度; 应力值σg+p较低, 重心轴不偏一边, 同T 型梁相比徐变变形较小。
箱梁截面有单箱单室、单箱双室( 或多室) , 早期为矩形箱, 逐渐发展成斜腰板的梯形箱。
箱梁桥可以是变高度, 也可以是等高度。从美观上看, 有较大主孔和边孔的3 跨箱梁桥, 用变高度箱梁是较美观的; 多跨桥( 3 跨以上) 用等高箱梁具有较好的外观效果。
随着交通量的快速增长, 车速提高, 人们出行希望有快速、舒适的交通条件, 预应力混凝土连续箱梁桥能适应这一需要。它具有桥面接缝少、梁高小、刚度大、整体性强, 外形美观, 便于养护等。
上世纪70 年代我国公路上开始修建连续箱梁桥,到目前为止我国已建成了多座连续箱梁桥, 如一联长度1340m 的钱塘江第二大桥( 公路桥) 和跨高集海峡、全长2070m 的厦门大桥等。
连续箱梁桥的施工方法多种多样, 只能因时因地,根据安全经济、保证质量、降低造价、缩短工期等方面因素综合考虑选择。一般常用的方法有: 立支架就地现浇、预制拼装( 可以整孔、分段串联) 、悬臂浇注、顶推、用滑模逐跨现浇施工等。
预应力钢束采用钢绞线, 可以分段或连续配束, 一般采用大吨位群锚。为了减轻箱梁自重, 可以采用体外预应力钢束。
由于连续箱梁在构造、施工和使用上的优点, 近年来建成预应力混凝土连续箱梁桥较多。其发展趋势为:减轻结构自重, 采用高标号混凝土40～60 号; 随着建筑材料和预应力技术发展, 其跨径增大, 葡萄牙已建成250m 的连续箱梁桥, 超过这一跨径, 也不是太经济的。
大跨径连续箱粱要采用大吨位支座, 如南京二桥北汊桥165m 变截面连续箱梁, 盆式橡胶支座吨位达65O0kN。这种样大吨位支座性能如何? 将来如何更换等一系列问题有待研究。我国公路桥梁在100m 以上多采用预应力混凝土连续刚构桥。
中等跨径的预应力连续箱梁, 如跨径40～8Om, 一般用于特大型桥梁引桥、高速公路和城市道路的跨线桥以及通航净空要求不太高的跨河桥。
2.3 T 型构桥
这种结构体系有致命弱点。从上世纪60 年代起到80 年代初, 我国公路桥梁修建了几座T 型刚构桥, 如著名的重庆长江大桥和沪州长江大桥, 80 年代以后这种桥型基本不再修建了, 这里不赘述。
2.4 连续刚构桥
连续刚构桥也是预应力混凝土连续梁桥之一, 一般采用变截面箱梁。我国公路系统从上世纪80 年代中期开始设计、建造连续刚构桥, 至今方兴未艾。
连续刚构可以多跨相连, 也可以将边跨松开, 采用支座, 形成刚构一连续梁体系。一联内无缝, 改善了行车条件; 梁、墩固结, 不设支座; 合理选择梁与墩的刚度, 可以减小梁跨中弯矩, 从而可以减小梁的建筑高度。所以, 连续刚构保持了T 型刚构和连续梁的优点。
连续刚构桥适合于大跨径、高墩。高墩采用柔性薄壁, 如同摆柱, 对主梁嵌固作用减小, 梁的受力接近于连续梁。柔性墩需要考虑主梁纵向变形和转动的影响以及墩身偏压柱的稳定性; 墩壁较厚, 则作为刚性墩连续梁, 如同框架, 桥墩要承受较大弯矩。
由于连续刚构受力和使用上的特点, 在设计大跨径预应力混凝土桥时, 优先考虑这种桥形。当然, 桥墩较矮时, 这种桥型受到限制。
近年来, 我国公路上修建了几座著名的预应力混凝土连续刚构桥, 如广东洛溪大桥, 主孔180m; 湖北黄石长江大桥, 主孔3×245m; 广东虎门大桥副航道桥,主孔270m, 为目前世界同类桥中最大跨径。
我国的预应力混凝土连续刚构桥, 几乎都采用悬臂浇注法施工。一般采用50～60 号高标号混凝土和大吨位预应力钢束。
现在, 有人正准备设计300m 左右跨径的预应力混凝土连续刚构, 在我看来, 若能采用轻质高强混凝土材料, 其跨径有望达300m 左右。由于连续刚构跨径加大,自重随着加大, 恒载比例已高达90%以上, 故片面增大跨径, 已无实际意义。此时应考虑选择斜拉桥或别的桥型。
3 钢筋混凝土拱桥
拱桥在我国有悠久历史, 属我国传统项目, 也是大跨径桥梁形式之一。
我国公路上修建拱桥数量最多。石拱桥由于自重大, 在料加工费时费工, 大跨石拱桥修建少了。山区道路上的中、小桥涵, 因地制宜, 采用石拱桥( 涵) 还是合适的。大跨径拱桥多采用钢筋混凝土箱拱、劲性骨架拱和钢管混凝土拱。
钢筋混凝土拱桥的跨径, 一直落后于国外, 主要原因是受施工方法的限制。我国桥梁工作者都一直在探索, 寻求安全、经济、适用的方法。根据近年的实践,常用的拱桥施工方法有: ( 1) 主支架现浇; ( 2) 预制梁段缆索吊装; ( 3) 预制块件悬臂安装; ( 4) 半拱转体法; ( 5) 刚性或半刚性骨架法。
钢筋混凝土拱桥自重较大, 跨越能力比不上钢拱桥, 但是, 因为钢筋混凝土拱桥造价低, 养护工作量小, 抗风性能好等优点, 仍被广泛采用, 特别是崇山峻岭的我国西南地区。
钢筋混凝土拱桥形式较多, 除山区外, 也适合平原地区, 如下承式系杆拱桥。结合环境、地形, 加之拱桥的雄伟、美丽的外形, 可以创造出天人合一的景观。例如, 贵州省跨乌江的江界河桥, 地处深山、峡谷, 拱桥跨径330m, 桥面离谷底263m, 桥面仁立, 令人叹服桥梁设计者和建设者的匠心和伟大。还有刚建成的万县长江大桥, 劲性骨架箱拱, 跨径420m, 居世界第一。广西邕宁县的邕江大桥, 钢管混凝土拱, 跨径312m, 都是令人称道的拱桥。
我国钢筋混凝土拱桥的发展趋势: 拱圈轻型化, 长大化以及施工方法多样化。
值得提醒注意的是, 大跨径拱桥施工阶段及使用阶段的横向稳定性, 据统计国内、外拱桥垮塌事故, 多发生在施工阶段。
4 斜拉桥
斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。目前为止建成或正在施工的斜拉桥共有30 余座, 仅次于德国、日本, 位居世界第三位。而大跨径混凝土斜拉桥的数量已居世界第一。
上世纪50 年代中期, 瑞典建成第一座现代斜拉桥,40 多年来, 斜拉桥的发展, 具有强劲势头。我国上世纪70 年代中期开始修建混凝土斜拉桥, 改革开放后, 我国修建斜拉桥的势头一直呈上升趋势。
我国一直以发展混凝土斜拉桥为主, 近几年我国开始修建钢与混凝土的混合式斜拉桥, 如汕头石大桥, 主跨518m; 武汉长江第三大桥, 主跨618m。钢箱斜拉桥如南京长江第二大桥南汊桥, 主跨628m; 武汉军山长江大桥, 主跨460m。前几年上海建成的南浦( 主跨423m) 和杨浦( 主跨602m) 大桥为钢与混凝土的结合梁斜拉桥。
我国斜拉桥的主梁形式: 混凝土以箱式、板式、边箱中板式; 钢梁以正交异性极钢箱为主, 也有边箱中板式。
现在已建成的斜拉桥有独塔、双塔和三塔式。以钢筋混凝土塔为主。塔型有H 形、倒Y 形、A 形、钻石形等。
斜拉索仍以传统的平行镀锌钢丝、冷铸锚头为主。钢绞线斜拉索目前在汕头石大桥采用。钢绞线用于斜拉索, 无疑使施工操作简单化, 但外包PE 的工艺还有待研究。
斜拉桥的钢索一般采用自锚体系。近年来, 开始出现自锚和部分地锚相结合的斜拉桥, 如西班牙的鲁纳( Luna) 桥, 主桥440m; 我国湖北郧县桥, 主跨414m。地锚体系把悬索桥的地锚特点融于斜拉桥中, 可以使斜拉桥的跨径布置更能结合地形条件, 灵活多样, 节省费用。
斜拉桥的施工方法: 混凝土斜拉桥主要采用悬臂浇注和预制拼装; 钢箱和混合梁斜位桥的钢箱采用正交异性板, 工厂焊接成段, 现场吊装架设。钢箱与钢箱的连接, 一是螺栓, 二是全焊, 三是栓焊结合。
一般说, 斜拉桥跨径300～1000m 是合适的, 在这一跨径范围, 斜拉桥与悬索桥相比, 斜拉桥有较明显优势。德国著名桥梁专家F.leonhardt 认为, 即使跨径1400m 的斜拉桥也比同等跨径悬索桥的高强钢丝节省1/2, 其造价低30%左右。
斜拉桥发展趋势: 跨径会超过10O0m; 结构类型多样化、轻型化; 加强斜拉索防腐保护的研究; 注意索力调整、施工观测与控制及斜拉桥动力问题的研究。
5 悬索桥
悬索桥是特大跨径桥梁的主要形式之一, 可以说是跨千米以上桥梁的惟一桥型( 从目前已建成桥梁来看说是惟一桥型) 。但从发展趋势上看, 斜拉桥具有明显优势。但根据地形、地质条件, 若能采用隧道式锚碇, 悬索桥在1km 以内, 也可以同斜拉桥竞争。根据理论分析, 就目前的建材水平, 悬索桥的最大跨径可达到3500m 左右。已建成的日本明石海峡大桥, 主跨已达1990m。正在计划中的意大利墨西拿海峡大桥, 设计方案之一是悬索桥, 其主跨3500m。当然还有规划中更大跨径的悬索桥。
悬索桥跨径增大, 如上所述当跨径达3500m 时, 动力问题将是一个突出的矛盾, 所以, 对特大跨桥梁, 已提出用悬索桥和斜拉桥相结合的“吊拉式”桥型。在国外这种桥型目前还停留在研究之中, 并未诸实施。然而,在我国贵州省乌江1997 年底建成了一座用预应力钢纤维混凝土薄壁箱梁作为加劲梁的吊拉组合桥, 把桥梁工作者多年梦寐追求的桥型付诸实现, 这是贵州桥梁工作者的大胆尝试, 对推动我国乃至世界桥梁建设都有巨大作用。乌江吊拉组合桥, 经过近两年运行和测试, 结构性能良好, 特别是两种桥型交接部位的处理, 较为理。
其实我国很早就开始修建悬索桥, 究其跨径和规模远不能同现代悬索桥相比。到了90 年代初, 我国才开始建造大跨悬索桥, 例如: 广东汕头海湾大桥, 主跨452m, 加劲梁采用混凝土箱梁; 广东虎门大桥, 主桥跨径888m, 钢箱悬索桥; 正在建设的钢箱悬索桥———江阴长江大桥, 主跨1385m。由此可见, 现代悬索桥在我国已具有相当规模和水平, 已进人世界悬索桥的先进行列。悬索桥采用钢箱作为加劲梁, 在我国较为普遍。美国和日本的悬索桥的加劲梁一律用桁架。最有名的明石海峡桥, 主跨1990m 也是桁架加劲粱。欧洲人研究认为, 正交异性板钢箱作为加劲梁, 梁高矮, 如同机翼一样, 空气动力性能好, 横向阻力小, 大大减小了塔的横向力; 抗扭刚度大, 顶板直接作桥面板, 恒载轻, 主缆截面可以减小, 从而降低用钢量和造价。我国一起步修建现代悬索桥, 加劲梁就采用钢箱,而对桁架梁作为加劲梁的优劣并未作深人分析研究。在已修建的几座悬索桥上, 桥面沥青铺装相继出现了损坏现象, 有的桥梁工作者反思认为, 一是钢箱作为加劲梁还有一些方面值得改进, 如钢箱桥面板的局部挠度以及箱体的通风, 降低钢箱铺装层的温度; 二是桁架梁作为加劲梁, 还有不少优点, 如加劲梁刚度大, 桥面温度相对低, 还可解决双层交通等。用混凝土箱梁作为加劲梁的尝试, 国外有先例, 在我国汕头海湾桥也实现了。总结经验, 也许不会再采用混凝土箱梁作为加劲梁了。
塔的材料, 国外以钢为主, 我国以混凝土为主, 近年来国外也有向混凝土发展的趋势, 基础多为钻孔桩或沉井。
锚碇一般以重力式和地锚为主, 少数地质条件好的采用了隧道锚。深水锚碇往往采用沉井或地下连续墙。如江阴长江大桥北锚, 位于冲积层上, 采用69m×51m带有36 个隔仓的沉井, 下沉深度达58m; 日本明石海峡大桥神户侧锚碇采用环形地下连续墙基础, 直径85m, 高73.5, 槽宽2.2m。
悬索桥结合地形、地质、水文可采用单跨悬吊、双跨不对称悬吊和3 跨悬吊( 简支和连续体系) 。据查,世界上悬索桥多为单跨悬吊, 其次是不对称双跨和3 跨简支悬吊。3 跨悬吊连续体系最少。丹麦大带桥, 3 跨悬吊连续, 其跨径为535m+1624m+535m; 中国的厦门海沧大桥, 3 跨悬吊连续, 其跨径为230m+648m+230m,可称世界同类桥梁的第二位。
主缆的施工方法: 空中纺线法( AS) ; 索股法( PWS) 。我国几座悬索桥均采用PWS 法。索股采用!5mm 镀锌钢丝, 由91 或127 根!5 组成一根索股, 根据受力钢缆由不同数量索股组成。
我国今后还会在长江、海湾修建更大跨径的悬索桥; 一般加劲梁仍用钢箱; 塔、锚用混凝土, 但应对大体积混凝土水化热的冷却降温措施加以研究; 悬索桥风动稳定还需进一步研究; 钢箱梁的桥面铺装, 我国已建成的几座悬索桥, 都存在问题, 今后应进一步研究钢箱梁桥面铺装材料、钢箱除锈、清洁、铺装的粘结以及施工工艺等。
6 结语
随着我国经济发展, 材料、机械、设备工业相应发展, 这为我国修建大跨径斜拉桥和悬索桥提供了有力保障。再加上广大桥梁建设者的精心设计和施工, 使我国建桥水平已跃身于世界先进行列。我国幅员辽阔, 经济发展水平参差不齐, 经济上总体水平不高, 公路桥梁发展还是要着眼于量大、面广的一般大、中桥, 这类桥梁仍以预应力混凝土结构为主。首先, 要着重抓多样化、标准化, 编制适用经济的标准图, 提高施工水平和质量, 然后再抓住跨越大江( 河) 、海湾的特大型桥梁建设, 不断总结经验, 既体现公路人的建桥水平, 又要保证高标准、高质量建桥。
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