钢桥的发展史.doc

钢桥的发展史一、桥梁历史概述 桥梁，作为一种越来越重要的交通设施，从原始时期开始逐步发展，从自然倒下来的树木，自然形成的石梁或石拱，到后来的人造木桥、石桥一直到近代的钢筋混凝土桥很钢构桥，技术不断发展进步，跨度越来越大，材料也日趋先进。特别是钢桥，虽然仅有两百多年的发展历史，但由于自身的特性，在现代桥梁建设中得到了众多设计师的青睐，因而有许多著名的钢桥出现。二、国外钢桥的发展1779年英国建筑师与炼铁专家达比建成世界第一座铁铸拱桥。1840年惠普尔用铸铁和锻铁建成全铁桁梁。自1850年之后，工程界逐步掌握了静定钢桁架梁的内力分析方法。1867年，H.格贝尔哈斯富特建成了一座静定悬臂桁架桥。1890年英国便建成了跨度521.2米的福斯湾铁路桥，它是公认的铁路桥梁史上的里程碑之一，这是一座弦杆用管形杆件的双臂梁铁路桥，据说这座桥的结构系统是从中国的木伸臂梁演变而来的。19世纪60年代，炼钢技术的逐步发展，美国于1874年建成世界上第一座公路铁路两用的路易斯钢拱桥。1883年交付使用的纽约布鲁克林大桥，连接着布鲁克林区和曼哈顿岛，是当时世界上最初的悬索桥，也是世界上首次以钢材建造的大桥，落成时被认为是继世界古代七大奇迹之后的第八大奇迹，被誉为工业革命时代全世界7个划时代的建筑工程奇迹之一，至今仍被使用，它的抗风性能好，为悬索桥向更大跨度的发展开创了先例。 旧金山金门大桥，1993年1月始建，1937年5月首次建成通车。金门大桥横跨南北，将旧金山市与Marin县连结起来。花费四年多时间修建的这座桥是世界上最漂亮的结构之一。它不是世界上最长的悬索桥，但它却是最著名的。金门大桥的巨大桥塔高227米，每根钢索重6412公吨，由27000根钢丝绞成。1998年4月5日，世界上目前最长的吊桥日本明石海峡大桥正式通车。大桥坐落在日本神户市与淡路岛之间，全长3911米，主桥墩跨度1991米，直径1.12米，由290根细钢缆组成，重约5万吨。明石海峡大桥首次采用180MP级超高强钢丝，使主缆直径缩小并简化了连接构造，首创悬索桥主缆，这也是世界上第一座顶推法施工的跨谷斜拉桥。三、中国的钢桥发展历史唐朝中期，我国已发展到用铁链建造吊桥，我国保留至今的有跨长约100m的四川泸定县大渡河铁索桥（1706年）。1934-1937年，39岁的茅以升先生带领中国工程师设计并监造了钱塘江大桥（主跨65.84m,全长1453m），开创了我国自行建造钢桥的历史。1956年，苏联专家与中国技术人员合作，在沈阳桥梁厂试焊成功第一孔24米焊接板梁，此后，第一批320孔24m焊接板梁桥，架设在石太线和湛江附近支线上，这是我国第一次制造焊接桥。1957年，借助前苏联专家的技术和材料，中国建造完成了武汉长江公铁两用大桥。桥梁全长1555.5米，主跨128米，该桥的建设培养了中国第一批钢桥设计、施工、制作、研究的科学技术人员，为中国钢桥事业的发展奠定了基础。同时，武汉长江公铁两用大桥也是长江上第一座公铁两用桥。1968年，中国人靠自己的技术、材料，自行设计建造了正桥长1576m，铁路桥全长6772m，公路桥全长4588m的南京长江大桥，主跨160m首次使用国产的16Mnq钢，是长江上第一座由中国自行设计和建造的双层式铁路、公路两用桥梁。长江大桥是南京的标志性建筑、江苏的文化符号，也是中国的著名景点之一，以“天堑飞虹”列为新金陵四十八景之一。1960年以“世界最长的公铁两用桥”被载入吉尼斯世界纪录大全。2014年7月，南京长江大桥入选不可移动文物。2008年6月30日建成通车的苏通大桥工程规模浩大：其主跨跨径达到1088米，是世界位居第二大跨径的斜拉桥，其主跨1104米，主塔高度达到300.4米，为世界第二高的桥塔；苏通大桥在国际上首创了静力限位与动力阻尼组合的新型桥梁结构体系及关键装置与设计方法，使得千米级斜拉桥在世界上首次得以实现；在国际上首创了大型深水群桩基础施工控制技术；并且在国际上首次提出了千米级斜拉桥的施工控制目标、总体方法、过程与内容以及控制精度标准，基于几何控制法原理在国际上首次系统地建立了多构件三维无应力几何形态和设计制造安装全过程控制方法，应用该方法苏通大桥实现的控制精度高于国际同类标准，攻克了千米级斜拉桥施工控制技术难题。以上这些技术的革新和应用有力地支撑了苏通大桥的建设，实现了千米级斜拉桥关键技术的突破，为世界斜拉桥技术的发展做出了重要贡献。上海卢浦大桥是当今世界跨度第二长的钢结拱桥。它也是世界上首座完全采用焊接工艺连接的大型拱桥（除合拢接口采用栓接外），卢浦大桥是世界上跨度最大的拱形桥。大桥主桥为全钢结构，大桥直线引桥全长3900米，其中主桥长750米，宽28.75米，采用一跨过江，由于主跨直径达550米，居世界同类桥梁之首，被誉为“世界第一钢拱桥”。入选世界纪录协会世界最大跨度钢拱桥，创造了新的世界纪录。它也是世界上首座完全采用焊接工艺连接的大型拱桥。桥身呈优美的弧型，如长虹卧波，飞架在浦江之上。卢浦大桥在设计上融入了斜拉桥、拱桥和悬索桥三种不同类型桥梁设计工艺，是目前世界上单座桥梁建造中施工工艺最复杂、用钢量最多的大桥。重庆朝天门长江大桥主跨长552米，全长1741米，若含前后引桥段则长达4881米，主跨为世界跨径最大的拱桥，超越上海的卢浦大桥。该桥采用组合式系杆，减少了钢的使用量，此外这座桥打破了国际惯例一座桥梁用一种钢材的做法，而是使用了三种钢材。由于桥的各个连接点之间承受的力量存在悬殊，大的几千上万吨，小的不到百吨，所以此桥使用了强度不一的Q420、Q370和Q345QD钢材。通过上述对国内外钢桥建筑的简述，我们可以了解到，钢桥的发展是伴随着技术的革新以及材料的改进。新的技术、材料以及新的构件连接方式大大地增加了桥梁的跨度和强度及稳定性。接下来我们介绍下在钢桥发展历程上的重要的技术创新。4、 国外新建钢桥的技术创新 1995年，法国诺曼底斜拉桥的混合桥面，超长悬臂施工控制、施工控制、新型平行钢绞线拉索及其防护雨振的螺旋线表面处理和阻尼器等。 1998年，主跨1991米的日本明石海峡大桥首次采用180MP级超高强钢丝，使主缆直径缩小并简化了连接构造，首创的悬索桥主缆除湿系统、水深达50米的预制混凝土沉井基础以及在钢桥塔中设置了多层减震阻尼器以抵抗桥位处的强烈地震等。 1999年，主跨890米的日本多多罗斜拉桥采用平行钢丝、热挤防腐索套外的凹点表面处理以防止雨振、超长悬臂拼装的施工拼装控制技术等。 2000年丹麦和瑞典联合建设的长达16公里的欧勒松海峡桥采用高度整体的预制吊装，140米跨度公铁两用钢桁架梁，重8700t一次吊运安装就位以及严格的质量管理体系等。以上四座桥梁被公认为是代表20世纪最高水平的杰作。进入21世纪后国外又建造了几座具有创意的大桥，现分述如下：1.美国旧金山新海湾大桥（2007）原有的旧金山海湾大桥东桥在1989年的黑山地震中损坏，市政府决定建造一座满足抗震要求的新桥。最初的方案是一座独塔斜拉桥和连续梁的协作体系，主跨275米，边跨215米。采用独塔的造型。一方面是抗震的需要，由相近的两根RC塔柱和钢剪力键形组成独塔结构，比起传统的门式塔具有更好的抗震性能。剪力键是强震时的牺牲构件，通过它的剪切屈服而吸收能量，并在震后可以方便地更换以恢复其承载性能。这是一种完全创新的“强柱弱梁”式抗震塔柱设计，在经济上也优于全钢或全钢筋混凝土的桥塔。东桥的桥面宽度达70米，是迄今大跨度斜拉桥中最大桥宽。由于存在较大的剪力滞效应，在由钢筋混凝土桥面板和钢桁架组成的结合梁桥面中布置了后张预应力，以调整横向的压应力差。最后的实施方案改为“自锚式悬索桥”体系，这是为了和周围已有的几座悬索桥向协调，同时将跨度调整为主跨385米和边跨180米。新的桥型保留了原有的采用钢剪力键的抗震独塔设计，而两条空间大缆所形成的自锚式悬索桥更具有独特的造型和美感。为了在主梁上连接具有强大拉力的大缆，在梁端设计了特别的锚固构造以代替传统的地锚式悬索桥的锚固，与原方案斜拉桥的拉索锚固相比，这又是一项具有挑战性的创新设计。五国内新建桥梁中的主要技术创新 中国在1991年自主建成上海南浦大桥的鼓舞下迎来了20世纪最后十年中大规模建设大桥的高潮。在整个九十年代，中国建成了数以百计的大桥，其中比较著名的钢桥有以下几座： 第一座钢箱梁悬索桥，主跨长900米的西陵长江大桥，1996 香港青马大桥，主跨长1377米，双层公铁两用，1997 江阴长江大桥，主跨长1385米。单跨扁平全焊箱梁，1999 南京长江二桥，主跨长628米，三跨连续钢箱梁，2005 苏通长江大桥，主跨长1088米，双塔双索面钢箱梁，2007 香港昂船洲，主跨长1018米，双箱结构，2009 通过这些大桥的建设，中国桥梁界基本掌握了国外的先进桥梁技术，并在运用中结合国情，有所改进和局部的创新，取得长足的进步，缩小了和发达国家的差距，为21世纪更大规模的桥梁建设计划奠定了基础。进入21世纪后，沿长江的江苏省、湖北省和重庆市为发展经济建成了许多跨江大桥，其中包括一些破纪录跨度的大桥。下面将分述几座具有代表性的桥梁： 1.南京长江二桥（2001） 南京长江二桥是目前中国最大跨度的斜拉桥。最大跨度带来的最大塔高、最大拉索以及最大桥面宽度被公认为是巨大的挑战。然而，尺度大突破如果没有达到现有及时的适用限度，就不一定要通过技术创新来克服障碍，通过认真的施工实践也能获得优质的成果。 南京二桥的塔墩采用“复合式基础”，即把双壁钢围堰，承台和钻孔桩群组成整体来抵抗船撞力，实际上采用过分大的跨度已经大大减少了船撞的机率。由于桥下通航净高较小，和首创平行上塔柱的日本多多罗大桥相比。使塔的桥下高度和桥面以上的塔高之间的比例过小，造成“矮腿”的效果。影响了塔型的美观。 长拉索在全桥合拢后出现了强烈的风雨激振，临时决定在拉索上加绕螺旋线后抑制了振动，这一经验为此后直接生产带螺旋条的成品索提供了重要的依据。 南京二桥的长臂施工控制，采用较先进的“神经网络控制技术”进行索力和标高的双控，取得了较高的合拢精度。钢箱梁的正交异性桥面板工地接头采用钢面板焊接和U形纵肋栓接形式，是一次新的尝试，具有推广价值。最后钢桥面的铺装是长期没有解决的难题。南京二桥引进了美国的环氧沥青混凝土的铺装技术，通过力学分析和实验研究，实现了国产化配方的改进和设备研发，工程质量优良填补了国内空白。经过多年的寒暑交替考验，在限制超载车辆条件下桥面运行情况良好，已在此后的多座大桥中推广应用。2. 上海卢浦大桥（2003） 主跨达550米的上海卢浦大桥是一座世界纪录跨度的钢拱桥。300米以上拱桥一般都采用桁架拱以减小拼装重量以利悬拼施工。上海卢浦大桥大胆地采用了倾斜的箱型拱以获得“提篮拱”的美学造型。从侧倾稳定性的分析来看，平行拱面也可获得足够的稳定安全系数，而在倾斜的拱面上进行重量达480顿的拱肋节段悬拼，确实是巨大的挑战。卢浦大桥的施工单位采用巨型临时塔吊和扣索系统，并通过大量压重措施，同时引进国外的吊装设备克服了困难，使拱肋得以合拢。在上海的软土地基上修建大跨度拱桥必须采用强大的系杆平衡拱的推力。在施工中将由多次体系转换，将临时扣索的拉力转移到水平的系杆拉索中去。施工全过程的控制技术应当是一项非常具有特色的创造性工作。 拱肋是一个钝体断面，虽然拱的空气动力稳定性是十分安全的，但在均匀流状态的风洞试验中观察到拱肋的强烈涡振。虽然城区的湍流强度较大可能会抑制涡振的发生，但通过计算流体力学方法选择了一种效果最好，又不影响美学的“隔离膜”气动抑振措施，在拱肋上预设了今后视需要安装隔离膜的连接装置。而且，在拱顶处的观光平台已部分地起到了对涡流的抑制作用。3. 南京长江三桥（2005） 南京长江三桥采用人字形弧线的新颖塔型。应当承认这是从香港昂船洲大桥国际竞赛的第二奖方案中得到的启示。为了加快施工速度，桥面以上的塔柱采用钢结构，以便于在工厂精确制造，同时也带来了上下塔柱连接处钢混结合段的构造难题 。经过研究，选择了在钢塔柱上开孔，与穿过的钢筋和现浇混凝土形成PBL剪力键，作为传递荷载的主要构件。矩形钢塔柱截面经过风洞试验选择了最佳的切角处理以抑制可能的驰振和涡振。可以说，南京三桥的钢桥塔是一项有创意的设计。 塔位处的水深超过40米，进行传统的钢套箱施工由较大的风险，通过精心组织顺利完成了基础施工。高215米的钢塔柱的空中安装，邀请了有经验的法国公司承担，顺利实现了封顶。虽然钢塔柱较一般混凝土塔顶费用高，但获得了施工速度快的回报。 技术以发明和创造为核心，并通过发明和创造使某一专业技术推陈出新，不断向前发展和进步。国外的一些著名设计公司都在国际设计竞赛中获奖或中标，而这些品牌企业则掌握了许多技术发明专利，并主持重大国际工程建设。这些品牌企业的技术领导人都在国际学术组织或重要国际会议中发挥主导的作用，这也是强国的标志。我国在改革开放二十余年来虽然取得了令世人瞩目的进步和成绩，但在国际化和国际竞争力方面仍有明显的差距。我们仍需在这方面不懈的努力！6 面向21世纪我国钢桥法阵需要注意的几个问题 处于世纪之交的今天，各国桥梁工作者都在总结本世纪桥梁发展的经验，探讨21世纪桥梁的发展方向。随着社会额发展，对交通运输的服务质量要求越来越高。就桥梁而言，在确保桥梁的机能、使用性和安全性的基础上，应具有良好的结构性、施工性、景观性、维修性、使用性以及综合经济性。这就要求桥梁在设计、制造、施工和维修管理方面的技术水平提高到新的高度。6.1桥梁建设市场的管理需进一步完善 我国正处于从计划经济向市场经济转化阶段，桥梁等建筑领域虽然较早地采用了招股标制，契约合同制等，但是仍然遗留了计划经济时期的色彩，以及某些献礼工程、政绩工程、地方保护、部门保护、不合理的管理和技术人员素质，通过技术革新提高桥梁设计、制造、施工等方面的技术水平，降低成本来增强企业的竞争力。6.2 全面提高桥梁建设的技术水平，降低桥梁造价，是我国21世纪发展的迫切任务 1.开发适合于不同跨度和不同功能的桥梁结构形式。在确保桥梁的机能的前提下，要求结构简单，能缩短施工周期，减少维修工量，桥梁寿命延长到200-300年以上。特别硬大力开发钢混凝土复合结构桥梁。 2.钢桥结构开发的根本因素是钢材，开发高性能钢材乃是当务之急，如TMCP钢，耐候钢，大线能量焊接和低预热高强度厚钢板等。 3.制造和施工方面应提高机械化和自动化程度，以利于提高敢接质量、控制焊接变形，进而提高效率缩短工期。 4.设计理论方面，在极限状态设计理论基础上，建立LCC（Life Cycle Cost)设计概念，即开展最小维修量的长寿面的桥梁设计方法。在结构和构造设计方面要逐步形成我国自己的各种桥梁体系，这有利于降低制造、架设和维修的成本。 5.桥梁技术开发环境方面，由谁来投资？由谁来实施开发？笔者认为从事桥梁建设的设计、制造、施工及维修管理等企业，钢铁公司等应做出更多的努力。七21世纪桥梁展望 中国桥梁在20世纪取得伟大成就的基础上正在和世界发达国家一起面向21世纪更大更宏伟的跨海大桥工程建设。8.1洲际跨海工程欧非两洲之间的直布罗陀海峡是地中海进人大西洋的通道, 位于欧洲的西班牙和非洲的摩洛哥之间。西、摩两国政府自19 79 年起就组成联合委员会进行规划工作。海峡长87 km, 有两条规划路线: 东线峡宽14 km, 最大水深95 Om ; 西线峡宽26 km, 最大水深30 m。经过多次国际会议征集方案,有各种多孔桥梁方案, 最大跨度达5000m 隧道也有半潜式、沉管式和海底深埋隧道等多种方案, 它可能是世界最为艰巨的跨海工程。 欧亚之间的博斯普鲁斯海峡位于土耳其境内,海峡宽度仅I km。1973 年就建成了第一座主跨为1074 m的悬索桥。随着交通量的增加,1988年又建成了第二座主跨1090m的悬索桥。由于交通需求, 目前正在规划建造第三座主跨1 16 8 m 的悬索桥。 白令海峡位于亚洲的俄国和美洲的美国之间。早在1894 年美国人就提出过跨海工程建议,50 年代苏联工程师又建议在白令海峡修建水坝, 利用水位差发电, 坝上可通车。1950年美籍华人林同炎提出用公铁两用的预应力多孔梁桥跨越总长达75 km 的海峡。1991年美国成立了白令海峡铁路隧道集团, 规划用高速铁路连接美洲和亚洲的铁路网。这一“ 和平之桥” 的梦想有望在21 世纪成为现实。.8.2 欧洲的跨海工程欧洲是世界经济较发达的地区, 一些岛国如英国以及拥有较多沿海岛屿和曲折海岸线的国家, 如挪威和瑞典, 也想仿效日本的本州一四国联络线工程, 用桥梁把领土的各部分连接起来。还有一些跨海湾的工程也在规划之中, 以缩短沿海岸公路干线的距离。英国和法国于19 3 年12 月建成了跨越英吉利海峡的隧道后, 英国还计划在英格兰和爱尔兰之间的圣乔治海峡以及苏格兰和爱尔兰之间、苏格兰和赫布里底群岛和奥克尼群岛之间建设跨海工程。丹麦和瑞典之间的厄勒松海峡是北海的主航道。1991年丹一瑞两国决定共建主跨490m的斜拉桥 厄勒松大桥, 并于2000年建成通车。1998年丹麦大海带桥建成后, 德国通过丹麦和北欧的联络线可以走小海带桥一大海带桥一厄勒松桥, 但更为便捷的通道应是自汉堡向北跨越费曼带海峡到丹麦西伦岛, 德国和丹麦政府正在合作规划这一跨海工程。 此外, 还应提到早在50 年代就开始规划的意大利墨西拿海峡桥。这一从意大利半岛到西西里岛的跨海工程经历了40 余年的漫长准备, 多次修改方案, 最后考虑到水文、地质和地震等因素,已确定采用主跨为30 m 的单孔悬索桥, 它将是世界跨海大桥工程的一座丰碑。8.3亚洲的跨海工程 亚洲是经济发展最迅速的地区。特别是日本、韩国和中国的崛起, 令世界瞩目。日本是一个岛国, 二次世界大战后, 经过一段时间的休养生息就率先开始实施跨海工程的宏伟计划。到本世纪末, 完成了本州一四国三条联络线后将在21 世纪进一步实现第二国土轴计划。除了修建东京湾和伊势湾的主跨达25田m 的海湾大桥外, 还要在纪淡海峡(本州和四国间, 宽l km, 水深120 m ;) 丰予海峡( 四国和九州间, 宽14 km, 水深200 m ) ; 长岛海峡( 九州西部, 宽2km, 水深70 m ) 以及津轻海峡( 本州和北海道间, 宽13 km, 水深270m ) 等处修建跨海工程, 以形成沿太平洋海岸的高速公路干线。日本工程师提出了用5000m 跨度的大桥跨越海峡的方案, 并表示这是他们的21 世纪梦想。日本一家公司在1994年还设想在日本北海道和俄罗斯的萨哈林岛之间的拉普鲁斯海峡( 宽42 km、水深70m) 建造跨海工程, 并且向北再跨越7km 宽的鞑靼海峡和俄罗斯本土相连接。此外, 从日本九州的福岗跨越朝鲜海峡到韩国的釜山, 和亚洲大陆相连, 从而在东北亚形成一个环形交通, 使日本和朝鲜、中国以及俄罗斯西伯利亚连成一片。8.4中国的跨海工程 中国是一个发展中的国家, 在本世纪建成的铁路和公路网主干线( 二纵二横) 的基础上, 21世纪将全面完成全国铁路复线工程和五纵七横的骨干公路网, 其中将包括许多跨越长江、黄河的大桥工程。一些沿江的大城市, 也将建造许多越江工程把两岸的城区用多重环线连接起来。沿太平洋海岸的南北公路干线 同三线( 黑龙江省沿江至海南省三亚) 上将通过五个跨海工程( 自北向南依次为渤海海峡工程、长江口越江工程、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) 使该线实现真正的贯通, 以代替目前的轮渡连接和绕行过渡通道。 此外, 除渤海海峡和琼州海峡之外的台湾海峡为我国三大海峡之一, 海峡宽140-250km, 但平均水深仅50m, 完全有条件修建跨海工程。相信在台湾回到祖国的怀抱, 实现了统一以后, 台湾海峡将会架起大桥或修建海底隧道。上海是中国最大的城市, 又是全国经济、金融和贸易中心。位于长江口的上海港将联合长江下游沿江城市的码头, 以及杭州湾口的宁波北仑港和舟山群岛的深水泊位形成中国东方大港和上海航运中心。为此需要建造跨越长江口和杭州湾的通道以及连接舟山各岛的联岛工程。 舟山群岛拥有十分理想的深水港资源, 平均水深达80m, 但对于建造大跨度桥梁却是一个挑战。长江口航道变迁大, 河口沉积层厚, 也需要建造超千米的斜拉桥, 以便连接崇明岛和横沙岛形成上海市郊区公路环线。 位于珠江口的香港深圳、珠海和澳门将形成以香港为中心的中国南方大港和香港航运中心。为此广东省和香港特区政府己规划了香港各岛的公路网、和深圳蛇口的通道, 以及和珠海连接的伶仃洋工程。琼州海峡工程可能是中国最困难的跨海工程,20 km 的海峡宽度, 平均印m 的水深, 需要建造连续多孔的特大跨度桥梁。加上灾害性的地震和台风的频繁袭击以及复杂的地质条件, 将是21 世纪中国桥梁工程师面临的严峻挑战。9 结束语 回顾20世纪桥梁工程的成就,日本明石海峡大桥以199lm的跨度和50m深水基础的记录载人桥梁史册。利用现有的高强度钢材和技术, 我们已有可能在21 世纪