桥台发展变化.doc

几篇桥梁论文 2 20 00 08 8- -1 12 2- -0 08 8 1 11 1: :4 42 2: :0 01 1 A AM M 几篇桥梁论文 更多相关内容请访问CADCAD 家园论坛家园论坛 结构设计选型分析 1.1. 轻型桥台：桩框式桥台（图、说明） ll 工程背景 桥梁墩台轻型化是近代国内外桥梁工程界的主要研究课题。各国 桥梁建设的迅速发展，不仅反映在上部结构的新颖造型上，还反映在下部结构 的轻型化和合理化上。五十年代以来，桥墩和梁桥桥台的轻型化取得进展，出 现了埋置式和钢筋混凝土薄壁台。在拱桥方面，由于存在强大的水平推力，仍 多用重力式 U 台，后来也出现了适用于中小跨径和浅基础的八字形，背撑式和 靠背框架式桥台，还有空腹式和齿槛式桥台。用于深基础的有组合式桥台，这 里，桩基以承受竖向力为主，水平推力则主要由后座基底摩阻力及台后土侧压 力来平衡。在地基土质较差时，后座基础还得适当处理，因此不是实际意义上 的轻型桥台。福建省沿海地区多属基岩深埋的淤泥软土地质，山区也存在不少 断层坡积的不良地质条件，桩基的使用是第一选择。但长期以来，桩基仅作为 基础看待，而不是作为桩结构物体系的一个主要承力构件。为配合自重轻，造 型美观的刚架拱等新桥型设计，经力学构思和分析计算，提出拱桥桩框式轻型 桥台结构的设计方案。 ll 设计原则 传递荷载路径最短 结构的主要作用在于支承荷载，并把它传递 到地基。因此，结构设计的主要任务之一就是考虑如何使传力路径尽可能短， 越是简捷，效率越高，材料就越省。有时传递荷载走弯路是难以避免的，如简 支梁横向受载。各构件截面应力图面积最大 如果结构所有构件相对于材料截 面的应力图总面积最大，则材料将得到充分利用，如桁架杆，工字梁等。因而， 要节省材料，降低造价，势必采用合理结构和合理构件截面。按结构受力特 点选择材料 结构所用材料不同，其力学性能也就不同，有时差异甚大高强钢 耐拉、省材却容易失稳；混凝土耐压却怕拉；钢筋混凝土，预应力混凝土普适 性好，但属复合性材料，需要考虑不同材料的性能，计算也更复杂；还有些材 料性能虽好，价格却无法接受。因此，材料的力学性能与使用场合设计要求以 及技术经济指标相一致。发挥结构体系的整体功能 高次超静定结构使结构受 力范围大，有利于内力削峰和平缓变形。还应减少不必要的开口和局部承力， 使之合理受力挖掘主要受力构件的潜力 主要受力构件成本高，不宜多。合 理设计应注意发挥其在不同场合、不同结构体系中的力学性能，以达到节省材 料的目的。 ll 桩框结构体系 桩框式轻型桥台充分考虑桩框结构体系整体承载（尤其承受 水平荷载）能力，在新的计算体系中，分析在拱上部结构荷载和土抗力作用下， 桩、框架、承台梁、土的相互作用。该结构体系的主要构造如下：空间框架 由压杆（斜撑梁），拉杆（联系梁）和前后排桩组成的带三角框的平面框架是 桥台的主要部分，横向由前后承台梁和横隔板联结，前后承台梁又作为薄壁台 身和耳墙的基础，形成一个空间框架。前后承台梁 由块状承台改变成梁状承 台，大大减少了圬工数量。后承台梁作为深埋的地基梁，同时起到施加土侧压 力的后挡板作用前承台梁上设拱座，如果受桩距限制，横向桩数少于拱座， 承台梁成为斜弯曲的连续梁。显然，如果拱座与桩一对应，传力路径会更短。 承台梁的设计还要考虑薄壁台身的横向作用。柔性桩 纵向前后两排桩间距较 大，群桩效应主要考虑横向桩距而定。作为桩结构物的桩，布筋多，柔性大， 不仅具有将上部结构的荷重传递给地基基础的机能，还具有同其它结构构件完 全相同的功能桩顶与拉压杆和承台梁刚结，形成空间框架的一部分，等代固 端桩长由桩的局部分析决定。采用线弹性地基反力法计算。前挡土板 由于前 承台梁高出地面，需在桩间设置挡土板以挡住台后填上。除作台前装饰外，可 利用深埋挡土板的台前后静土压力差，抵抗拱脚的水平推力。薄壁台身 前承 台梁上的薄壁台身类似梁桥薄壁桥台的台身，用以挡住台后填土，支持两端的 耳墙，并将部分竖向荷载传递给桩基。台帽与刚架拱弦杆锚栓连结，作为对台 身的支撑，视为一次超静定。但可偏安全地取单宽悬臂梁验算。超常耳墙 为 使桥台轻型化，原 U 台的侧墙简化为两侧的超常耳墙，墙顶长度大大超过梁桥 埋置式桥台的耳墙。耳墙与台身和承台梁顶固结，协同台身挡土。在台内和锥 坡填土未到位前，墙根的应力按三角形悬臂梁（板）验算，用纯三次式应力函 数可求得弹性力学解。两侧锥坡，围挡墙作为桥台的附属结构。 ll 分析方法与构造措施 桩框式轻型台作为空间框架形式受力，发挥高次超静 定结构体系的整体力学性能。但桥台作为纵向对称的结构，且以纵向受力为主， 因此，可在纵向取半结构，甚至分片取平面框架体系分析，以简化计算。两侧 的平面框架应考虑耳墙作用，土压力和拱推力按分配荷载施加台后在前承台梁 至联系梁下 1m 范围内计算静土压力；台后在薄壁台身一段偏安全地按主动上 压力计算；台前地面以下须计反向静土压力。由于实际桥梁工程中，桩顶容许 水平位移仅为 0.51.0 cm，故为安全起见，计算中不考虑被动土压力。为确 保轻型桥台的安全，可采用一系列构造措施，留有计算外的安全储备。 由于框架的整体作用，前桩分配荷载略少于后桩，但前排桩顶水平位移却略大 与后排桩顶水平位移。对于某实际工程计算，最大水平位移为 0.76cm，均在安 全范围内。这是由于在桩框式桥台中，三角框架不仅稳定性好，传力合理，还 嵌固了桩顶，产生了反向的桩顶弯矩，减少了桩顶水平位移量。 参考文献：陈燊，陈焕景. 桩框式桥台设计的力学原理. 福州大学学报， No.2,1998 2.2. 美、英式吊桥与混凝土悬索桥（照片、说明） 现代悬索桥，国际上称吊桥（Suspension Bridge），通常由上部结构（包括钢 缆、塔、加劲梁及吊杆）和下部结构（包括支承塔的桥墩、锚固钢缆的锚碇、 锚台）组成。加劲梁（包括行车和行人的桥面系）就悬吊在钢缆（也称大缆或 主索）上，钢缆两端用锚碇固定。锚碇用大体积混凝土做成，或置于地面或深 埋于地下，有时利用桥两端的山崖锚固钢缆，也有将钢缆锚固于桥台的沉井基 础之内（称为锚台），还有将钢缆锚固于加劲桥面系（称为自锚）。通常还建 造两个高塔给钢缆提供中间支承，塔、墩多为固结，甚至融为一体。于是悬索 桥的承重主要通过钢缆及其支承锚固系统传递给大地，因此，悬索桥的跨越能 力特别大，跨径超 1000 米的桥型非悬索桥莫属，跨径在 600 米上下也颇具竞争 力。 悬索桥的发展可追溯到远古时代。根据史书记载，古代悬索桥起源于我国西部 山区深壑的溜索，利用自然高差溜索过人。虽是单索，却是以索承载的实际意 义上的桥。以后发展为多索，侧索攀扶，平行索面上铺板形成悬链线形的桥面， 即可通过人畜。山区盛产藤条、竹篾，便是初期造悬索桥的好材料，只是不耐 久。随着铁器时代的到来才逐渐被铁链索所取代而流传下来。 但悬链线形桥面不便行车，于是多索系统被古人分成两组，分置两侧再垂挂若 干吊索，悬吊起一个较为水平的桥面系（包括边梁和桥面板），发展为古代的 悬索桥。此时中国走在前面。有文献记载，早在公元前 50 年（汉宣帝甘露年） ，我国*就出现了跨长百米的铁索桥。著名的科学技术史作者李约瑟认为， 南美的古索桥是在公元前世纪的前哥伦布时代，由中国人传播到那里的。在 欧洲波兰，1734 年出现了西方第一座临时性的铁索桥，1741 年英国才建成欧洲 第一座永久性铁索桥（Tees 河桥，跨度 21.34 米，使用了 61 年），而且这一 切是受西方传教士从中国传回的两本书的启发所进行的尝试，比中国落后 1800 年。历史的成就值得中国人骄傲。 进入 19 世纪后，经历文艺复兴和资产阶级革命的欧洲，特别是英国，修建了不 少跨度稍大于中国古桥的悬索桥。独立后的美国也紧随其后修建了一批铁索桥， 并出现了铜丝、铁丝缆索桥。随着大城市的兴起，美国人在纽约市东河上花了 40 年时间完成几座跨度在 450490 米的钢缆悬索桥。这些桥梁的成功使美国 的建桥技术突飞猛进，在本世纪 30 年代，又相继建成跨度超千米的华盛顿桥 （主跨 1067 米）和金门桥（主跨 1280 米，保持跨度纪录 27 年）（照片）。但 不幸的是 1940 年 11 月日上午，位于华盛顿州刚建成不到四个月的主跨 853 米，居当时世界第三位的旧塔科马海峡（Takoma Narrows）悬索桥在 19 米秒 （相当于八级大风）的风速下，全桥进入剧烈的扭转振荡后被摧毁。在强大冲 击力作用下，吊索崩断，半跨桥面坠落水中。这座以宽 11.9 米、高 2.45 米的 中承式板梁加劲，并作了充分静力抗风设计的悬索桥在较低风速下损毁的事故， 不能不使全世界桥梁工程师震惊，也使现代悬索桥的发展暂时搁浅。 经过桥梁工程师和空气动力学专家联手调查，进行了至今长达半个世纪之久的 桥梁抗风研究，使认识不断深化，在 20 世纪后 50 年间未再发生类似塔科马桥 的风毁事故，使桥梁界恢复了信心。实际上，在初步找到问题症结所在之后， 美国的现代大跨悬索桥建设在 50 年代就又蓬勃发展起来了。1950 年重建了塔 科马桥，跨度不变，只改用气动稳定性较好的钢桁架加劲梁（高跨比为 1: 85，宽跨比为 1: 47）。1964 年在纽约市南边，建成了跨度 1298 米、设 12 条 车道的韦拉扎诺悬索桥，再一次刷新了世界跨度纪录，并形成了以钢桁架加劲 大跨悬索桥的美国风格。60 年代以后，美国较少修建悬索桥。尽管如此，当今 拥有最多悬索桥的国家仍属美国。美国悬索桥一般有如下特点：绝大部分为 三跨地锚式。铆接或栓接的钢结构主塔。竖直吊索（杆）。绝大部分采 用非连续的钢桁架加劲梁。钢筋混凝土公路桥面。主缆采用空中编缆法制 造架设。 英国在 60 年代以后引进美国技术，于 1964 年建成跨径 1006 米的福斯公路悬索 桥，并做出两点改进：钢主塔采用具有加劲肋条的大型钢板焊接而成，以减少 用钢量；桥面板采用钢正交异性板（而不是钢筋混凝土板）以减轻恒载。1966 年建成的塞文桥结合抗风研究成果，推出流线型扁平全焊连续钢箱代替美国式 悬索桥中的高大钢桁架加劲梁，减少用钢量又获取良好的抗风性能；另外还采 用斜吊索，以提高全桥刚度和结构阻尼，但给吊索、钢箱带来的疲劳损坏却是 始料不及的。尽管如此，塞文桥首创了英国式悬索桥。70 年代，土耳其也修建 了类似的大跨悬索桥。1981 年英国建成当时世界第一大跨度（主跨 1410 米） 的恒比尔悬索桥，把英国式悬索桥发展推向颠峰。它除了沿用流线型扁平钢箱 和斜吊索外，两边跨不对称，桥塔改用混凝土浇筑。几十年来，美、英两种悬 索桥流派相互竞争，相互促进，极大影响和推动了世界悬索桥技术的发展。 堪称现代悬索桥之乡的 ，起步虽晚，但对美英风格兼收并蓄，发展很快。 悬 索桥的发展主要是通过本州四国联络桥的修建开始的。本四联络线中有 22 座大 桥，其中 11 座是悬索桥。1962 年先建成主跨 367 米的若户桥，70 年代又建成 主跨 712 米的关门桥和主跨 465 米的平户桥，积累了丰富的建桥经验。而后， 在 80 年代的本四联络桥中继续建成座主跨为 7701100 米的悬索桥。仅 1986 年就建成主跨 940 米的下津井大桥、主跨 990 米的北备赞大桥和主跨 1100 米的南备赞大桥等座悬索桥。令世人瞩目的明石海峡大桥（主跨达 1990 米） 于 1998 年通车，写下了 20 世纪的悬索桥跨度世界纪录。 在本四联络线上， 修建大跨的公、铁两用悬索桥，接受了美国模式。因为桁架 加劲梁易于布置成双层桥面，使公、铁分层通过。改进之处在于采用连续桁架 梁，即在桥墩处不设伸缩缝，并采用正交异性板代替预应力混凝土板。在公铁 两用桥的实践中，还采用缓冲梁来解决铁路对桥面伸缩量和转角的要求。 对用钢箱梁加劲的英国模式也作过尝试性的实践，如 1987 年建成的白鸟桥（主 跨 720 米）和 1988 年建成的大岛桥（主跨 560 米）。 悬索桥还有一个共同特 点，即主缆的制造和架设基本上用预制绳股法代替空中编缆法。 20 世纪 70 年代，丹麦充分吸收美国式和英国式悬索桥的优点，形成了独特的 丹麦悬索桥风格，其主要特点是：采用竖直吊杆、流线型扁平钢箱梁加劲，既 保存了钢箱梁的抗风优点，又避免使用有争议的斜吊杆。由于结构合理，用钢 量省，造价低，丹麦式悬索桥显示了强劲的发展势头，接连建造了几座主跨上 千米的超级桥，1997 年大贝尔特桥以主跨 1624 米打破恒比尔桥保持了 16 年的 跨度世界纪录，独领风骚一年之久。但它对中国现代悬索桥的影响不可低估。 我国主跨 888 米的虎门大桥，主跨 1385 米的江阴长江公路桥和主跨 1377 米的 香港青马大桥均借鉴了丹麦式悬索桥风格。 截至解放的 1949 年，中国已建成近代悬索桥近 10 座，其进步在于开始应用静 力学理论来分析计算；并以钢索代替铁链，设高塔和加劲梁；已改索顶面上承 为悬索下承，可供轻型车辆通行。建于 1938 年跨径为 80 米、宽 4.5 米的湖南 能滩桥并无加劲梁，仅在两侧设风缆，能通行 10 吨汽车。到 1948 年建成的怒 江惠人桥，跨径已达 140 米、宽米，可通行 20 吨车。应该承认，这些成就已 大大落后于世界先进水平。 在从解放至今的“现代”里，也只是在最近 10 年内，中国的悬索桥建设才奋起 直追，跻身于现代大跨度悬索桥行列。1999 年建成通车的江阴长江公路桥主跨 达 1385 米，继明石海峡桥（日）、大贝尔特桥（丹麦）、恒比尔桥（英）之后， 位居世界第四位，连同收回的香港青马大桥在内（主跨 1377 米，公铁两用）， 我国已有两座跨度上千米的悬索桥。从 1931 年起，近 70 年过去了，全世界跨 度超过 1000 米的悬索桥仅有 20 座。这标志我国建桥技术已达到世界先进水平。 惊人的成就归功于“改革开放”，使中国得以大胆汲取国外修建现代大跨度悬 索桥的经验，此外也取决于我国的经济实力，能够投入数十亿巨资，几乎同期 建造汕头、虎门、西陵、江阴等数座大跨悬索桥，其战略上的意义远远超过桥 梁本身的作用。 当然，也不应否认在上个世纪 50 年代至 80 年代里，我国桥梁工程界在建设悬 索桥方面所作的探索与实践。 50 年代，我国在云贵、*建造了三座跨径 100 米左右、单车道加劲式悬索桥。 60 年代，悬索桥修建得更多，不少主跨已超过 150 米。如 1966 年建成的*雅 砻江桥（单孔跨径 171.83 米，宽 8.5 米，钢筋砼塔，钢加劲桁），1968 年建 成的*金沙江桥（跨径 185 米，宽 6.2 米，A 字形栓焊钢塔，钢加劲桁，钢筋 砼预制桥面板），1969 年建成的重庆朝阳桥是跨越嘉陵江的一座跨径 186 米的 宽 8.5 米的双链钢缆悬索桥，桥面采用开口栓焊钢箱与钢筋砼板相结合的组合 箱梁，钢筋砼门式塔，隧道式锚碇。该桥保持我国悬索桥跨径纪录竟达 13 年之 久。60 年代里，我国还为缅甸、尼泊尔设计、援建了两座跨径超百米的悬索桥。 70 年代超百米跨径的悬索桥建造已遍及山西、河南、甘肃、青海。1982 年建成 的*汉源桥（柔式无加劲，跨径 208.8 米）率先超过 200 米大关，1985 年建成 的广西邕江桥（宽 3.7 米，贝雷片加劲组合军用桥）跨径 274 米，1984 年建成 的西藏达孜桥（宽 4.2 米，加斜索的农用桥）跨径已达 415 米，稍后才为人们 所知。1986 年和 1989 年河南、湖北也相继建成跨度超过 400 米，宽米的柔 性悬索桥。 80 年代以来福建悬索桥的建造与发展却鲜为人知。福建首座悬索桥的建造始于 1983 年的跨闽江连接九峰山公园的南平九峰山桥，该桥全长 325.3 米，主跨径 为 200 米，桥面净宽米，为柔性人行桥。由于桥址位于三江交汇处，江面风、 颮线风的瞬时阵风可达 12 级以上，曾用 ADINA 程序作动力分析计算。该桥主索 每侧 由 10 根 A333 钢索组成，加劲斜拉索每侧 4 根，材料也为 A333 钢索。 抗风主索由 2 根 A333 钢索穿过桥面中央挑台下的外伸横梁的滑槽，固定于两 岸墩塔的伸臂框架上。北塔高 46.94 米，南塔高 46.27 米，塔架用钢筋砼浇筑， 塔墩及引道挡土墙则用片石砼浇筑。吊杆用 A332 钢索，每侧 65 根。桥面系 由工字钢横梁、纵梁和预制钢筋砼空心板组成，桥面设 2纵坡。本桥的结构 特点是：根据动力分析和工程实际采用简易而经济的反向交叉索来增强其动力 稳定性，由两侧斜拉加强索与反向交叉索以及垂直吊杆系组成一个空间索系， 增大结构阻尼力，不仅抑制了竖向振型的振幅，在侧向强劲阵风作用下也有主 动抑制效果。工程投入使用十几年来，经历数次大风作用，均未观测到危及桥 系安全的振动。该桥的另一个特点是工程造价低，以 98 万元投资为游客增添游 览情趣是值得的。 1989 年 9 月建成的泰宁金湖悬索桥是我国首次尝试采用钢筋砼加劲桁架的工程 范例。钢筋砼桁架加劲悬索桥与预应力砼箱梁加劲的汕头海湾大桥一样同属混 凝土悬索桥。它具有省钢材、造价低、工期短，后期维护费用低和桥梁耐久性 好的特点。施工中，人们不难选择砂石料来源近、质量好、运费低的地方分片 预制加劲桁架，运至桥址后组拼成吊装单元，逐节吊装；然后沿纵向焊接预埋 钢板成桥，再作桥面铺装。建造这类悬索桥时，上下结构可以同时施工，施工 工艺简单，一气呵成，县级施工队伍也能胜任。 金湖悬索桥主跨 286 米，桥面净宽 6 米，设计荷载：汽10 级，人群荷载 3.5kN/m，工程造价仅为 196 万元。对于中等跨径的悬索桥来说，下部结构的 工程造价一般约占总造价的 40 %左右。然而，金湖桥一端全部取消索塔，把主 索直接锚固于悬崖峭壁之上，另一端则取消索塔基础，利用地势和良好的地质， 只浇筑少量混凝土体积的墩身（照片）。因地制宜地简化甚至取消某些下部结 构是该桥造价大大降低的关键。金湖桥因建于著名的泰宁金湖风景区而得名， 因此该桥尤其注重景观设计，运用桥梁美学原理进行艺术造型设计，使得从平 面、立面上或从各个侧面来看，跟周围环境和谐协调，与远山近水融为一体， 给人以壮观、优美、流畅的感觉。 1994 年 5 月竣工的沙县悬索桥是我国首座单塔悬索桥（照片）。桥梁净跨 2112 米，全长 268 米，桥宽 7 米21.5 米人行道（市政桥梁），设计荷 载：汽15 级，人群荷载 3.5kN/m ，工程造价 625 元，工期 13 个月。该桥利 用沙溪河中的天然岩盘为基础设置桥塔，以降低造价。设计中注意桥梁自身对 称协调并与桥址周围的自然环境和谐。该桥的特色之一是：充分利用索塔周围 空间来建造五层楼层建筑。除了行车道一层外，其余四层的使用面积为 1080 米， 用于市民、游客休闲观景，设茶屋、咖啡厅、卫生间，扩展了悬索桥的使用功 能，基建投资很快得以回收。除了采用钢筋砼桁架加劲外，该桥结构上的独特 之处是将主索约三分之一长度设置在加劲桁下缘，使此段成为上承式体系。这 样处理，除了使桥梁体系与两岸地势吻合之外，还减少锚台高度，相应降低工 程造价，也使桥型更为壮观。 1999 年国庆节正式剪彩通车的龙海市锦江悬索桥位于闽南金三角，是在九龙江 入海口跨接紫泥岛的三跨钢筋砼桁架加劲悬索桥（照片）。设计荷载：汽车 20 级，人群荷载 3.5 kN/ m，桥面净宽 10 米，中跨 208 米，桁高仅为 1.8 米，全桥长 466 米，是目前福建沿海最大的一座悬索桥。桥址的自然条件特点 是河床淤泥覆盖层厚，基岩埋于覆盖层 50 米以下，潮水涨落幅度大，而且处于 强台风区。该桥是紫泥镇为发展经济，集资筹建的。工程设计的关键之一是锚 台设计。为了节省投资，曾探索过后带平衡箱的桩框式锚台方案。由于施工条 件的限制，最后不得不采用沉井为基础的重力式锚台，主索锚固板嵌固于井壁 之间，锚台前后设加劲桁和连续弯箱梁引桥支座。为了通航，桥面系设 3%纵坡， 形成预拱度。 由于锦江悬索桥采用钢筋砼桁架加劲，重力刚度大，使该桥获得良好的使用性 能，全桥呈刚性，无人感不适。试通车时，该桥经受了车行荷载的检验。据观 察报告，超载救火车队高速行驶过桥，未引起桥身明显振动。正式通车后又遇 9914 号 12 级强台风正面袭击，在路树被吹倒 80%的情况下，桥梁再次经受了 严峻考验，仍照常使用，显示出相当大的抗风潜力。 尽管各国悬索桥发展道路各不相同，但有一点却是共同的，那就是离不开国情， 都是立足于本国工业、交通运输业及桥梁工程技术的基础，为满足实际需要， 通过工程界的不懈努力才发展起来的。建造跨径 600 米以上的桥梁，悬索桥都 作为主要方案考虑，发展跨径上千米的大跨度“超级桥梁”，那更是悬索桥的 独家优势。当前，世界范围内竞摘悬索桥跨度“皇冠”的热情依然高涨，今天， 的明石海峡桥以接近 2000 米的跨度独占鳌头，但跨度达 3300 米的意大利墨西 拿海峡桥正呼之欲出，主跨 5000 米的直布罗陀海峡悬索桥方案也有人问津。大 跨度悬索桥尽管耗资惊人，毕竟是国家综合实力和科学水平的重要标志。 然而从 1931 年超千米悬索桥问世以来，近 70 年内世界上也仅建造了 20 座。日 益繁忙的交通还需要千百座桥梁来承担，跨径 100200 米的悬索桥由于预应力 砼技术的发展已退出竞争；200300 米的中等跨径的悬索桥由于混凝土悬索桥 的出现，大大降低工程造价和后期维护费用，作为中等交通量的城市景观桥梁， 悬索桥以其雄姿和流畅线条为人们所青睐，与其它桥型比选仍具竞争力。这可 以从福建省已建成的钢筋混凝土桁架加劲悬索桥中得到证实。在 300600 米跨 径桥梁方案中，悬索桥能否占有一席之地，应从结构性能本身和技术经济方面 加以考虑。 不论是美式或是英式，或是 、丹麦的改进式悬索桥，其加劲梁无非是钢桁架和 钢箱梁，主要承重结构都是受拉的悬索，悬索无弯曲和疲劳而引起的应力折减， 可充分发挥高强钢丝束的强度，这对于混凝土悬索桥也不例外。钢悬索桥的一 大特点是跨度越大，材料耗费越少，桥的造价就越低，所以能更经济合理地修 建 600 米以上的大跨度桥梁。自从 1948 年出现了斜拉桥桥型后跨径不超过 600 米的悬索桥方案常被混凝土斜拉桥所取代。实际上，用低廉的混凝土材料 代替钢材，在使悬索桥的用钢量大大降低后，只要锚固条件好，在构造、材料、 体系上采取改进措施，悬索桥在材料用量上和造价上与斜拉桥比仍有优势。 近几年，我国曾对中小跨径混凝土薄壁箱梁加劲悬索桥作过许多尝试，也完成 了结构体系堪称世界第一的三跨两铰预应力钢筋砼扁箱梁加劲的广东汕头海湾 悬索桥（主跨 452 米），该桥在初步设计时曾与若干桥型进行深入比较，其造 价最低。当然预应力混凝土薄壁结构的若干缺陷还有待解决。钢筋砼桁架加劲 的锦江悬索桥也曾与钢管砼拱桥、斜拉桥作过造价方面的比较，只是后来由于 施工条件所限，改用沉井基础锚固，才使造价骤增。 混凝土桁架加劲与混凝土箱梁加劲的悬索桥都有很好的抗风性能。由于主索重 力刚度大，在同跨径、同荷载作用下变形比钢悬索桥小，能改善钢悬索桥刚度 小的缺点。除了重力刚度外，钢筋混凝土加劲梁横向抗弯和抗扭惯性矩也大， 其抗风稳定性比钢悬索桥要好。特别是混凝土桁架加劲梁透气性好，结点刚性 大，容易在桥面开孔，减少桥面上下压力差，也可以加风嘴或做成箱式桁架， 因此在浅加劲的情况下就可获得良好的气动稳定性，增加了桥型的竞争力。 悬索桥刚柔相济，容易与周围自然环境协调。只要索系具备承载能力，在施工 过程依托主索分段吊装加劲梁后焊接拼装，安装工期短；在沿海风口处比斜拉 桥、拱桥的长悬臂施工或转体施工来得安全可靠，即使遇强台风也不会造成全 桥破坏。钢绞线成束不需要复杂的调索工序，有时甚至可以节省猫道；缆索集 中，也便于防护。在 600 米跨径以下，悬索桥桥塔比斜拉桥桥塔低，能够既保 证通航净空高度，又不超过附近机场的航空限制，同时结构构造简单，给施工 带来方便。 桁架内力以轴力为主，应力分布较均匀，材料的利用率很高。上下弦杆中容易 施加预应力，如在分片预制时可用“先张法”，在横联拼装时可用“后张法”， 不必象薄壁箱梁那样布置“体外索”而出现工作裂缝和维护困难等问题。混凝 土桁架加劲悬索桥的上部结构由两片砼加劲桁梁、砼桥面板、砼平纵联（抗风 桁）、砼横联组合预制而成，自重大，在提供重力刚度的同时也增加主索钢缆 的用量。但若应用高效预应力和高强度轻骨料混凝土后的，完全可以在更大跨 径（300600 米）、更宽桥面、更大交通量、更轻型、更经济合理等方面寻找 一个汇合点。对新型材料轻质高强碳纤维缆的研究和高分子塑料纤维混凝土的 使用，将解决主缆用钢量和抗腐蚀问题，并改善混凝土桁架的使用性能，决定 悬索桥的跨越能力。在向大中跨度发展过程中，预应力混凝土桁架加劲悬索桥 是钢筋砼桁架加劲悬索桥发展的必然结果。 混凝土悬索桥存在恒重过大的缺点，巨大的缆力对地锚的地质条件提出较高的 要求，若岩层深埋而不得不采用沉箱、沉井等重力式锚碇时将使造价大幅攀升。 由于地锚式混凝土悬索桥需要强大的锚碇，又不能利用缆力作加劲梁的预应力， 因此有必要考虑改“地锚”为“自锚”，混凝土桥面为自锚提供了这种可能。 或者采用双锚体系，布置高低链主缆。高链适用于地锚索，选用较大垂跨比， 以减少地锚受力；低链用于自锚，取较小的垂跨比时，可向加劲梁施加较大预 应力。 但最好的方法还是在桥塔上布置斜拉索，将桥塔两侧连续长度内的桥身恒载和 其它荷载传给桥塔而不传到锚碇。仅主跨中间一段桥身仍悬吊于主缆，这样不 但可以减小主缆断面，而且锚碇受力小，处理也简单了。实际上，这是一种斜 拉与悬吊组合的三跨连续预应力混凝土桁架加劲悬索桥体系。已建成的乌江大 桥在吊拉体系方面作了尝试。它与增设边段斜拉索不同，由于省去桥塔附近的 诸多长吊索（杆），因此并未增加斜拉索的用钢量。桥塔处负弯矩区的上弦拉 杆由斜拉索自然施加了预应力，而对增加了竖向承载的桥塔基础处理并不困难。 由于降低了桥塔高度，节省主缆和预应力钢索，获得可观的经济效益，也使混 凝土悬索桥在中大跨度范围立于不败之地。当然，混凝土加劲梁还可以与钢加 劲梁混合，以增大跨越能力。 建造双层两用桥节省基础和下部结构，是低投入、高收益的方案。在这方面， 桁架加劲悬索桥比箱梁加劲悬索桥更容易分层布置，斜拉桥对此望尘莫及。除 了公铁两用之外，使用更多的将是高普双层公路桥，即上层为高速公路桥，下 层为普通公路、新式交通系统和人行道等。可以相信，在中大跨度桥梁中，混 凝土桁架加劲悬索桥以其应用前景将成为不可替代的桥型。 近年随交通量增大和环境侵蚀性增加，混凝土的碳化作用和氯化物的渗透，导 致钢筋的腐蚀而严重损害结构物的情况已不容忽视。因此，混凝土桁架加劲悬 索桥欲发展为有竞争力的桥型，还需要对混凝土结构物的强度和耐久性给予足 够的关注。 参考文献： 1 黄文机，漆光荣，梁天锡福建省悬索桥工程中国土木工程学会桥梁及结 构工程学会第 11 届年会论文集 , 1994.12，汕头 2 广东汕头海湾大桥公司等桥梁明珠北京：科学出版社，1998. 3 林长川混凝土悬索桥的适用范围与合理型式中国公路学报，1993，(4)： 39-44. 4 徐君兰，郑玉书混凝土悬索桥桥梁及结构工程学会第 11 届年会论文集， 1994.12 5 梁立农混凝土悬索桥的若干问题同上：161166. 3.3. 闭合环形结构与分离立交 在现代城市交通中存在自行车与汽车争路，形成了人、车混合行驶，相互干扰， 造成交通阻滞、事故频繁的严重局面，迫使道路从平面向立体发展，以保证城 市的快速交通和非机动车辆及行人的安全。但在全国诸多城市中修建完全互通 式的立交桥，规模大、投资高，我国目前的经济实力还无法承受，因而常选择 分离式立交来解决城市交通问题。这种分离式立交一般为双层或多层环形立交， 上层为机动车道，下层供非机动车辆及行人使用。事实证明，环形立交投资较 省，是行之有效的方案。 环形立交桥梁结构发展至今，可以分三代来描述，第一代是八十年代以广州区 庄立交为代表，将环形立交桥梁结构分解成几块异形板或几联弯梁桥，结构整 体性差且受力不合理，桥面设置多道伸缩缝，不仅行车不够顺畅，维护困难， 伸缩缝位置处的桥墩要进行特殊处理，方能满足结构需要。 第二代是以 1987 年 10 月建成通车的福州洋头口立交桥（照片）为代表，这是 我国首例采用大型钢筋混凝土闭合圆环和点式多向活动支承的飘浮式空间结构， 应用双样条子域法电算程序进行结构空间分析，引桥采用钢筋混凝土连续板和 点式支承的空间结构，构造美观，桥下通视好。整体闭合环形结构不仅免去了 伸缩缝和桥墩特殊处理，更主要的是整体性好、受力合理。该桥建成后，整体 闭合环形结构的优点逐渐被人们所认识，许多城市也相继出现此类结构的立交 桥，如江西南昌福山、坛子口两座立交桥以及河南郑州河医立交桥。但是钢筋 混凝土整体闭合环形结构存在的缺点是：内、外环弧长差值较大，在温差变化、 混凝土收缩、徐变作用下，结构内、外环变形量差值大，相互制约，产生较大 的轴向拉力，桥梁跨度较小。 第三代是以 1997 年 12 月建成通车的顺昌水南路立交桥为代表，该桥是我国首 例采用预应力混凝土整体闭合环形结构立交桥梁，它不仅充分发挥整体闭合环 形结构的优点，而且预应力径向力转化成环向压力，对结构产生了套箍作用 （图），有效克服了钢筋混凝土整体闭合环形结构的缺点，使结构受力更加合 理。 整体闭合环形结构在工程实践中逐步推广应用，对这种结构的温度变化、混凝 土收缩、徐变等非线性问题以及预应力套箍作用有了更深入的认识，并在立交 工程设计中得到重视。 4.4. 可拆装翼板式托架 ll 托架构造特点 当桥墩不高时，桥梁界习惯于使用带落地式支架或支墩的膺 架来现浇混凝土箱梁。但青州高架桥具有墩高（35.0741.37 米），跨大（墩 距 41 米），梁重（每孔单幅外加施工荷载计 1360 吨），孔多（共计 30 孔）， 工期紧等特点。因此，在研究膺架体系的同时采用墩顶托架方案代替原支墩 （架）方案。直接利用已完工的桥墩，比临时搭设支墩更安全可靠，且省去作 支墩的 360 吨万能杆件，节约效果明显，也避免临时墩压缩变形导致墩顶混凝 土开裂。青州高架桥位于半径为 726 米的曲线段上，托架承力点将在距墩表面 3090间移动，为了曲线内外侧各托架能够通用，便于拆装，经构思比选设 计出可拆装的翼板式托架。一个桥墩设两副托架，每副翼板式托架由两块带翼 钢板、一根下横担和一个上拉杆组成，桥墩顶部预留四个孔洞（照片）。翼板 式托架可供桥墩前后侧（即侧面图中的左右侧）同时受力使用，也常单侧承力。 图 桥墩顶部预留四个孔洞 ll 托架设计计算原则 忽略横向剪刀撑对两副托架的相互作用，取每副托架 作平面分析。墩左右侧的翼板式托架由上拉杆联系，可认为底翼固定铰支于 下横担。顶翼集中荷载经芯板压力线传至下横担及墩身，假定上拉杆对墩身的 压力可忽略，则上拉杆为二力杆。翼板与墩身之间虽用环氧砂浆填塞紧密，当 托架承载（设左侧）时试验显示内翼上部仍与墩身脱离约 3，仅右侧环氧砂 浆受力，因此可取静定的力学模型计算。求出底翼的铰支座反力后，反作用 于下横担。脱离下横担分析，桥墩孔口局部承压提供反力，但混凝土局部变形 使支承点内移，当两侧同时均匀承载时，下横担在墩孔内一段纯弯曲，孔口支 点间剪力控制设计。顶翼、底翼按钢结构设计规定，在较长的顶翼下缘和芯 板上焊接三道加劲肋。芯板压力线基本上与外翼平行（也是主压应力迹线方 向），在压力线垂直方向上选取若干 H 形变截面，按偏心受压构件验算其承载 力和局部稳定性。当桥梁处于直线段时，顶翼承受横桁传来的集中力的位置是 固定的，当处于曲线段时应按此集中力距墩表面最近（曲线内侧）和最远（曲 线外侧）两个最不利位置进行计算。墩身孔口局部承压处预埋三层钢筋网和 钢板，补强后设计偏安全。当单侧承载或平衡重不足时，可使墩身产生附加弯 矩，应在墩身两侧孔口以下增加少量补强钢筋。托架有限元计算采用板壳单 元离散化模型，模型包括托架芯板和周边翼缘，单元形状主要为四边形，过渡 单元也采用三角形，单元总数达 9990 个。位移实测值比计算值大，周边翼缘应 力实测值与计算值差异较小。芯板有应力集中现象。 ll 托架地面试验 高空施工前在 15 号桥墩的承台上进行了托架地面试验。在墩 下方预留孔内安装下横担，上方预留孔内安装上拉杆，然后在墩两侧各安装一 个翼板形成托架。在预埋于承台上的精轧螺纹钢上设型钢梁作为千斤顶加载的 反力架（照片）。左侧分两级加载至 240 吨后，右侧加载至 100 吨作为平衡重 （接近膺架重量）；接着左侧再分两级加载至 1.2 倍的设计荷载计 408 吨，右 侧平衡重仍保持为 100 吨。试验结果归纳如下：加载至 1.2 倍设计荷载时， 左侧下横担下移 1.86，右侧下移 0.14，在加载过程中，右侧未发现翼板 与下横担有脱离现象，而左侧环氧砂浆上端明显出现拉开现象（约 3）。因 此，按图 6 受力图计算是可靠的。下横担下墩身混凝土最大压应力达 14.5MPa,小于墩身混凝土 C30 的轴心抗压设计强度 17.5MPa（尚未计入混凝土 局部承压强度提高系数），墩身混凝土承压安全。上拉杆设计采用 15MnTi 钢， 屈服强度为 390MPa, 贴应变片测出最大换算应力为 218MPa，得安全系数 1.79，大于临时工程选用安全系数 1.5 。由 3 号钢焊制的下横担下翼处应力 最大， 两侧明显不均匀（安装不正造成偏心承压所致），腹板处平均剪应力 102.1MPa 不容忽视，经补强可以在设计荷载下安全使用。在 1.2 倍设计荷载 下，测得芯板和翼板最大应力（斜外翼压应力）为 185.4MPa,换算成设计荷载 时为 154.5MPa，仍小于临时工程容许应力 170MPa，可安全使用。地面测试及实 际应用均证明翼板式托架的可靠性。 图 翼板式托架地面试验加载装置 5.5. 钢管混凝土与桥梁结构（照片、说明） 钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的。 最早采用钢管混凝土的工程之一是 1879 年英国的塞文铁路桥的桥墩。对钢管混 凝土力学性能进行较为深入的研究以及大范围推广应用是在 20 世纪 60 年代以 后。80 年代后我国在这一领域的研究取得令人瞩目的成就，工程应用进一步推 广。90 年代初我国开始开发采用钢管混凝土拱桥。虽然在 早有用钢箱混凝土 作拱肋的工程实例，其科学道理是一样的，但方钢管对其核心混凝土的约束作 用不如圆钢管显著。 所谓钢管混凝土就是在薄壁钢管内填充混凝土，使两者共同工作的一种组合受 压材料。其优点在于核心混凝土受到钢管的约束处于三向受压状态，从而具有 比普通混凝土大得多的承载能力和变形能力，塑性和韧性性能大为改善；而薄 的钢管壁受到核心混凝土的约束，其稳定性也大为增强，可避免或延缓钢管发 生局部屈曲。此外，钢管混凝土有较好的耗能特性和延性，因而抗震性能好。 在施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板。 拱桥的发展是与高强轻质材料的应用、结构分析方法和施工工艺的发展密切相 关。将钢管混凝土用作拱桥的承压构件，在施工时空钢管不但具有模板和钢筋 的功能，还具有加工成型后空钢管骨架刚度大、承载能力高、重量轻的优点， 因而很好地解决了拱桥材料高强度化和拱圈轻型化两大问题。新材料、新结构 结合施工方法，如转体施工工艺、无支架缆索吊装和悬臂拼装工艺，使拱桥桥 型再度焕发青春。实际应用中又划分为两种桥型，一种是常见的钢管表皮外露， 与核心混凝土共同作为结构的主要受力组成部分，同时也起施工支架作用的中 承式或下承式的肋拱桥称为钢管混凝土拱桥（照片）；另一种是钢管主要作为 施工时的劲性骨架，先内灌混凝土，形成钢管混凝土后再挂模板、外包混凝土 形成箱型断面等上承式拱桥称为钢管混凝土劲性骨架拱桥，如单孔跨径 420m 的 *万县长江大桥（照片）。 钢管混凝土在我国桥梁工程的另一领域也获得应用，发展成新型的空间桁架组 合梁式结构桥（或作为斜拉桥的主梁）。由钢管混凝土空间桁架与配筋混凝土 顶板组成的组合梁式结构，是先逐段组装、平移及合拢空间钢桁架，然后在此 基础上逐步予以加强，最终形成组合承重结构。1996 年建成通车的南海市紫洞 大桥，就是采用该结构作主梁的双塔三跨单索面斜拉桥，结构体系为塔梁