土木工程学术前沿讲座(作业).doc

桥梁工程历史概况、发展现状一、桥梁工程发展背景七十年代以来,由于科学技术的进步,工业水平的提高,人类社会文明的发展,桥梁工程日新月异。随着时代前进的步伐,人们对桥梁建筑提出了更高的要求,对“适用、安全、经济、美观”的桥梁设计原则赋以更新的内容。例如,现在对土建结构的美学要求愈来愈高,结构物不再单纯作为满足使用要求的工程实体,而要作为一种空间艺术存在于人类社会之中,又如对环境保护的要求也愈来愈高,如防噪音、防振动、防污染等。在城市高架道路和迁回交叉建立的桥梁、几公里长的山谷桥或在山区高速公路建立的桥梁、甚至在几十公里宽的海湾和海峡建造的桥梁、以及城市郊区的高速铁路桥与导轨运输高架桥(Transit Guide way) 等,这些新型的桥梁已不再是一个单一的工程实体,而是一个宽阔的行车带,有如地上的彩虹。这些桥梁对设计、施工、艺术又提出了不同的要求。世界上各国的桥梁工作者致力寻求桥梁结构的功能和经济、美学的辨证统一,创造出不少典型桥例,推动了桥梁工程的发展。二、从以下若千典型桥例,可看到桥梁工程的现状和发展概况。1.英国东北海岸上的恒比尔(Humber)桥,是目前世界上跨度最大的悬索桥,在19 81 年建成,桥的主跨14 10 米,全宽28.5米。桥塔采用钢筋混凝土结构,高15 米。加劲梁为正交异性板组成的尖扁形的全焊钢箱梁,梁高仅4.5米,加劲梁的高跨比为1/313.3,而著名的美国金门大桥则为1/167.3。吊索采用双斜向布置。在十九世纪末,美国已建成主跨为486 米的布鲁克林悬索桥。到二十世纪三十年代,悬索桥的跨度纪录就突破千米以上,如主跨为1280.2米的美国旧金山金门大桥。自1940 年达科码桥(主跨853.4米)遭受风害破坏后,对悬索桥结构的恒比尔桥气动力稳定理论作了广泛研究。在六十年代后，英国通过理论分析和风洞试验研究,提出了采用两头尖的扁平流线型的箱形断面梁代替传统的析架式加劲梁。196 年建成的塞文河桥(主跨987.6米),以后建立的丹麦小贝尔特桥(主跨60 米)、土耳其博斯普鲁斯海峡桥(主跨1074米) 以及恒比尔桥都采用此种流线型钢箱形加劲梁。这种结构不但具有良好的抗风性能,而且大量节省用钢量,外形也显得更纤细、美观。至今,悬索桥还是特大跨度桥梁的唯一结构型式。2.西德莱茵河(位于Neuwied ) 的A字独塔钢斜拉桥,1978 年建成,桥跨为邵5.2+212 米,单索面位于横桥向中央,桥全宽为35.5米。主梁采用正交异性板钢箱梁,高2.43米。西德在二次世界大战后,为修复大量的桥梁,从古老的斜拉桥体系发展了各种型式的近代斜拉桥。这种桥在莱茵河上尤为显眼,那里几乎是斜拉桥的“家族”所在。这种结构由于钢箱形梁。正交异性板、以及钢结构栓焊连结的发展,和近代计算技术,预应力工艺,材料性能工能力的提高,更显示了它的优越性。六十年代后,还发展了预应力混凝土斜拉桥。目前,世界上跨度最大的钢斜拉桥(主梁为钢与混凝土桥面的复合梁)是加拿大的安娜雪丝桥,主跨465 米。跨度最大的预应力混凝土斜拉桥是西班牙的鲁娜桥,跨长440 米。3.加拿大的安娜雪丝桥(Annaics Island Bridge) 正在建造中,预期1986年完成,桥跨465 米,桥宽32 米。桥塔采用钢筋混凝土结构,高154.3米。主梁采用混凝土桥面板与钢梁结构,钢梁为两片工字形梁,间距28 米,中设一小纵梁,工形梁高2米,上翼饭为35(一50 )义800m m,下翼饭为50(80)x800m m,腹饭厚12 20m m,横梁间距4.5米,亦为工形梁。桥面结构十分轻巧,并且节省钢材。4.西德莱茵河(位于波恩南) 的全焊钢箱梁桥,19 87 年建成。桥跨为1邵+ 250+ 125 米,主梁为正交异性板的箱梁连续结构，支承上为两窄形箱柱。钢梁桥最早采用的是饭梁结构,在十九世纪后期至二十世纪,钢析梁桥得到了很大的发展,至今还是大跨钢桥所采用的主要结构型式之一。在两次世界大战后,欧洲在修复大量桥梁时,钢饭梁有了新的发展,其一是与混凝土结合而成为复合结构,其二是采用正交异性板的空间箱形结构。这种箱形结构不但发挥了结构空间受力的优势,而且因栓焊联接构造的发展使得结构可分段在工厂预制,随后在工地快速拼装,从而大大地缩短了施工期限。我们可以从近二十年来的钢桥建设中发现,此类箱形结构为各种组合体系提供了经济、合理而又美观的梁式空间构造三、桥梁工程发展概况从以上一些典型桥例中可看到近二十年来的沙特阿拉伯一巴林道堤工程桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展,但桥梁的载重、跨长却是不断增长。为了适应社会生产力发展所提出的愈来愈高的要求,需要建造大量的承受更大荷载、跨越海湾,大江等跨度和总长更大的桥梁。这就推动了桥梁结构向高强、轻型、大跨度的方向发展。在结构理论上研究更符合实际受力状态的力学分析方法与新的设计理论,充分发挥结构的潜在的承载能力,充分利用建筑材料的强度,力求工程结构的安全度更为科学和可靠,在大跨度桥梁的设计中,愈来愈重视空气动力学、振动、稳定、疲劳、非线性等研究项目的应用,并广泛应用计算机辅助设计,在施工上,力求高度机械化、工厂化、自动化,在工程管理上则力争高度科学化、自动化。桥梁的发展还与材料的改革最为密切直至十七世纪中期,建筑材料基本上还是只限于土、石、砖、木等材料。由于材料主要适于承压,因此采用的结构一般也比较简单,究其原因,主要是受当时尚未开展的力学.所限制。十七世纪七十年代开始使用生铁,十九世纪初开始使用熟铁建造桥梁与房屋。由于这些材料本身存在缺点,使土木工程的发展仍然受到限制。十九世纪中期,钢材的出现,开始了土木工程的第一次飞跃。随后又产生了高强钢丝、钢索,于是钢结构得到蓬勃发展。结构跨度从砖、石、木结构的几米,几十米跃进到百米、几百米直至千米以上,并创造了在大江、海峡上修建大桥的奇迹。本世纪初钢筋混凝土的广泛使用,以及随后预应力钢筋混凝土的诞生,实现了土木工程的第二次飞跃。由于水泥混凝土远比钢材价廉,施工简便,因此应用很广。但是混凝土的抗拉强度很低,人们为了改进这个缺点,因此从十九世纪五十年代起出现了钢筋混凝土这种新型的复合建筑材料,其中钢筋主要承担拉力,混凝土主要承担压力,发挥各自的优点。本世纪三十年代开始兴起了预应力混凝土,大大提高了混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力,用途更为广阔,使土木工程发生了又一次飞跃。如上所述,随着建筑材料的飞跃,不断创造出新颖的桥梁结构型式,出现新的结构连结方式。新结构的实践必然带动桥梁设计理论的发展,寻求更合理的结构构造,创造更经济、安全适用的型式。四、桥梁工程技术发展现状：1 设计计算理论的发展由手算向电算转变，该过程已全面完成。桥梁结构分析常用专用软件和通用软件进行算。计算由高度简化向全面仿真转变，该过程正在进行,并不断深化: (1) 空间上的仿真。能够模拟结构的很多细节构造。(2) 时间上的仿真。能够模拟整个施工过程,包括各个施工工序, 如浇筑混凝土、移动挂蓝、张拉预应力等等。由线性向非线性转变，该过程正在进行,并不断深化。包括如下非线性问题:( 1)几何非线性:大位移; 大转动; 大变形; 接触问题。( 2) 材料非线性:金属材料; 混凝土材料;岩土材料。由静力向动力转变，该过程正在进行,并不断深化。包括如下动力问题: 地震;风振; 车- 桥耦合振动;车- 桥- 风耦合振动。由分离的环节向勘测设计一体化转变，该过程刚刚开始,离实用还有一段距离。( 1) 勘测设计全面数字化、一体化; (2) 国内外正在开发勘测设计一体化系统,目前尚不够完善。2 施工技术的发展大型深水基础施工技术：(1) 大直径管桩。例:武汉长江大桥; 日本浜名大桥主墩采用49根116m钢管桩。(2) 大型钢围堰与大直径钻孔扩孔灌注桩。例: 日本横滨港横断大桥460m斜拉桥主塔基础嵌岩扩孔到10m; 南京长江二桥主塔基础为双壁钢围堰加大直径钻孔灌注桩, 围堰直径36m, 内设21根直径3m的桩, 桩长平均130m。(3) 大型沉井。例:明石海峡大桥施工水深60m, 两主塔基础分别为直径80m和78m、高70m和67m钢壳沉井,壁厚12m,每个沉井分16个舱; 江阴长江大桥北锚碇沉井, 69m长,51m宽,下沉深度58m,井内分36个舱。无支架施工技术:(1)悬臂拼装; ( 2) 悬臂浇筑;( 3) 缆索吊装; (4) 转体;(5)钢管混凝土及劲性骨架。大型施工机具：(1)大吨位起重机; (2) 大吨位架桥机、造桥机;( 3)大直径钻机;(4)大吨位打桩机、船。大型构件的高精度制造技术：(1) 大型钢箱梁和钢桥塔制造;(2)大型钢杆件制造;( 3)大型钢管(箱) 拱肋制造;(4)混凝土构件的高精度制造。施工全过程实时控制:(1) 测试各个施工阶段的位移、变形、应力、温度场、荷载等参数;(2) 比较测试值与理论预测值, 对误差进行参数识别;(3)修正计算参数和模型, 预测下一施工阶段的标高、线型、索力等, 以此指导下一阶段施工。3 运营管理与维护的发展桥梁的健康监测技术：(1)监测指标: 位移, 内力, 频率, 振型,温度, 荷载, 交通流量等;(2)监测仪器设备:GPS, 连通管,全站仪, 测倾仪;光纤传感器,振弦传感器, 磁通传感器;加速度传感器, 速度传感器;动态电子称重系统;数据自动采集系统, 无线发射系统。(3) 数据处理系统: 监测数据的分析、筛选、分类、存档、查询、统计等。(4) 损伤识别与状态评估系统:动态识别技术;静态识别技术;综合识别技术。既有桥梁的评估与检测技术：(1) 先进的检测仪器:双频带红外热像系统; 地面透视雷达(GPR); 相干激光雷达;变异感应塑性(TRIP) 钢传感器; 新型超声波与磁分析仪; 疲劳裂纹热像探测仪; 焊接裂纹新型涡流探测仪;磁通式预应力钢束探测仪。(2) 桥梁老化、腐蚀及损伤评估理论: 层次分析法; 生命周期方法;专家系统方法; 基于模态分析的参数识别法;人工神经网络方法。五、今后发展与研究方向 展望200 年,我国发展预应力混凝土桥势在必行。目前预应力钢材生产量过小,质量低,要急速发展高强、大直径、低松弛的预应力钢材的生产。要加强对混凝土高效能减水剂的研究,研制高强和超高强的混凝土。要研究高吨位的预应力锚具与张拉设备。目前国内最大锚固力仅为20 吨左右,国际上已达8001000吨。要发展高强的桥用钢材的生产,要改进钢结构的制造工艺,用焊接代替栓、铆联接,要采用新型结构型式。要改革落后的施工技术,发展高度机械化、自动化的施工技术和方法,要加强科学管理,这对一个工程的经济效益与工期有重要影响。基础工程依然是研究的重要课题,尤其要应用现代科学技术进行工程勘察,对工程地质、地基构造要有正确的判断,使工程具有更安全可靠和合理的基础。要预见到我国城市立交、高速公路、铁路和导轨运输等高架桥的建造将会日益增加。应结合我国的混合交通,充分利用箱梁桥空间的桥型,并特别加以研究。我们相信,在不久的将来,我国的桥梁工程将达到一个新的水平,一个具有我国特色的水平。参考文献： 1 陈明宪.斜拉桥的发展与展望J. 中外公路. 2006(04) 2 雷俊卿.国内外桥梁和结构工程的发展现状和趋势J. 交通建设与管理. 2006(09) 3 项海帆,陈艾荣.特大跨度桥梁抗风研究的新进展J. 土木工程学报. 2003(04) 4 方明山.20世纪桥梁工程发展历程回顾及展望J. 桥梁建设. 1999(01) 5 陈明宪.斜拉桥的发展与展望J. 中