第七讲国内外现代桥梁

1、同济大学土木桥梁工程系第七讲 国内外现代桥梁一、设计与施工二、理论与分析三、当前使命与任务四、未来研究与发展五、现代桥梁工程展望一. 设计与施工近代土木工程(桥梁工程)经历了约300年 奠基时期 (1660-1765) 以文艺复兴后的理论奠基为标志 进步时期 (1765-1900) 以英国工业为标志 成熟时期 (1900-1945)以一战前后30年代大发展为标志现代桥梁工程 (1946-2006) 以计算机和为标志现代桥梁工程标志性创新技术预应力技术（法国）斜拉桥（德国）钢箱梁悬索桥（英国）3一. 设计与施工（续）1. 创新桥型和体系（5060年代）斜拉桥, 德国 Dishinger, 瑞典S

2、trmsund 桥, 1956带挂孔混凝土斜拉桥, 意大利 Morandi, Maracaibo桥, 1962提篮拱桥, 德国 Leonhardt, Fehmarnsund海峡桥, 1963流线形箱梁悬索桥,英国Gilbert Roberts , Severn桥, 1966密索体系斜拉桥, 德国 Homberg, Friedrich Ebert桥 , 1967无风撑拱桥及斜拉桥，考虑非保效应的稳定理论，德国Knie莱茵河桥，19694一. 设计与施工（续）1. 创新桥型和体系（70年代）混合桥面斜拉桥, 德国 Leonhardt，Kurt-Schumacher桥, 1971悬带桥，美国 T.Y

3、.Lin国际，哥斯达黎加，科罗拉多桥，1972脊骨，美国T.Y.Lin国际，旧金山机场高架桥，1973倾斜索面斜拉桥，德国 Khlbrand 桥，1973单索面混凝土斜拉桥，法国 Mller ，Brottone桥，1977Menn，Fegire桥，1979连续桥，5一. 设计与施工（续）1. 创新桥型和体系（8090年代）矮塔斜拉桥,Menn, Ganter桥, 1980斜拉协作体系, 德国 Svensson , E.Huntington桥, 1985用波折钢板做腹板的结合, 法国Maupre桥, 1987无背索斜拉桥, 西班牙 Galatrava, Alamillo桥, 1992斜拉悬索协作

4、体系, 英国 Flint-Neil公司, Bali海峡大桥, 19976一. 设计与施工（续）2. 新材料及连接技术高性能钢材 HPS-(中国Q345-370-420), 德、美、日等国,5090年代高性能混凝土 HPC-80-100-130-150 (中国C40-50-60), 法、德、美等国, 5090年代高强螺栓连接, 美、德等国, 金门大桥的加固中首次采用, 1951粗钢筋锚Dywidag, 德国 DSL公司, Worms桥, 1953封闭索 (Lock-coil), 德国, 早期斜拉桥使用, Strmsund 桥, 1955一. 设计与施工（续）2. 新材料及连接技术 (续)VSL夹

5、片锚,VSL公司发明, 1958钢绞线群锚,法国 Mller ，Brottone桥 , 1977HiAm冷铸镦头锚, 德国 Leonhardt, 杜塞尔多夫Flehe桥, 1979PE护套平行钢丝成品索,新日铁公司, 名港西大桥, 1983FRP复合材料，、德、美、日，7090年代8一. 设计与施工（续）2. 新材料及连接技术 (续)明石海峡桥，7090年代大行程伸缩缝，、德国，90年代(Stork桥，1996)碳，、组合结构新型剪力器(PBL)，德国 Leonhardt，鹤见航道桥，1994超高强钢丝, 1860-2000 (中国1600-1770)新日铁公司, 明石海峡大桥, 19989一

6、. 设计与施工（续）3. 创新结构构造及附属各向异性钢桥面，德国Leonhardt，Koeln Mannheim桥，1948大直径钻孔灌注桩基础，意大利Morandi，委内瑞拉Maracaibo桥，1962软土地基摩擦锚碇，丹麦，小海带桥，1970分体箱桥面抗风构造，英国Brown，80年代10一. 设计与施工（续）3. 创新结构构造及附属(续)桥梁纵向缓冲装置, 美、英, 90年代悬索桥主缆除湿装置, 明石海峡大桥, 1998全装配式三向预应力桥梁, 法国Mller, 曼谷机场高架路,1999加筋土隔震基础, 法国Combault, 希腊 Rion-Antirion桥, 2003剪力键抗震塔

7、柱, 美国 T.Y.Lin,，旧金山新海湾大桥, 200711一. 设计与施工（续）4. 创新施工工法及挂篮悬浇工法, 德国 Finsterwalder, Worms莱茵河桥, 1953分析法”, 德国 Leonhardt,斜拉桥施工的“Theodor Heuss桥, 1957顶推法, 德国 Leonhardt, 奥地利,桥, 1959移动模架现浇法, 德国(Leverkuseu) 桥, 1959移动托架拼装法, 德国 Wittfoht, Krahnenberg桥, 196112一. 设计与施工（续）4. 创新施工工法及(续)预制节段架桥机拼装法, 法国 Mller , Oleron高架桥,

8、1964，Sallingsund桥，1978前置式轻型挂篮悬浇法, 美国, Dames Point桥, 1988悬索桥主缆PPWS法,赞桥, 1988整体化大型浮吊安装, 丹麦、瑞典,松海峡大桥, 2000连续斜拉桥顶推施工, 法国 Virlogeux, Millau桥, 2004二. 理论与分析1. 计算机和有限元分析技术1946年世界上第一台电子计算机“埃尼”(ENIAC)诞生1981年世界上第一台个人电脑问世1943年，Courant首先用了单元概念19451955年，Argyris发展了结构矩阵分析1956年Clough将结构矩阵分析思路引入弹性力学分析,并于1960年首先提出“有限元

9、法”的名称有限元分析技术 在20世纪60年代逐步形成和完善14二. 理论与分析(续)2. 桥梁设计分析软件20世纪70年代，逐步出现了许多大型软件15名 称研制第一次公布时间主要最初开发者AnsysSwanson分析系统公司1970SwansonNASTRANMac-Neal Schwendler 公司1970MacNealSAP美国加州大学伯克利分校1970E. L. WilsonTDVDorian Janjic & Partner GmbH公司1970/ADINAADINA工程公司1975BatheABAQUSHibbitt, Karison公司1979HibbittLusasFinite

10、 Element Analysis公司1982/MidasMIDAS IT公司1989/二. 理论与分析(续)3. 抗震理论20世纪初, 旧金山和关东两次引起了工程界对结构抗震研究的重视1943年, Biot了以实际求得的度反应谱5070年代, 美国、的一批学者进行了结构弹性和弹塑性动力反应时程分析方面的研究。1956年Housner奠定了现代反应谱抗震设计理论的基础70年代, 抗震结构延性设计概念被提出90年代中期, 基于性能的抗震设计被提出16二. 理论与分析(续)4. 抗风理论1940年塔科马桥风毁事故, 美国T. Von Karman等第一次开展桥梁节段模型风洞试验抗风理论研究从20世

11、纪60年Davenport提出采用统计数学的始逐步形成和完善来进行风工程研究Scanlan建立了桥梁颤振理论和考虑颤振作用力的颤抖振理论90年代计算流体力学有了显著进步目前已能解决均匀流、简单形体、低雷诺数下的数值模拟计算问题17二. 理论与分析(续)5. 非线性及稳定理论19世纪未,科学家开始了对非线性力学问题的研究1888年，Melan首次提出挠度理论并应用于悬索桥分析20世纪中,奠定了非线性力学的理论基础1959年，Newmark首先提出了求解非线性动力问题的Newmark-法。20世纪60年代初,Turner, Brotton等开始初应力问题的研究成果。求解结构大位移、(L.Eular

12、) 1744年提出了压杆稳定的著名公式,塞(Engesser)和折算模量理论。(Karman)等分别提出切线模量理论和20世纪80年代起, 逐渐建立起了空间弹塑性稳定理论18二. 理论与分析(续)6. 健康监测及振动理论1969年, Lifshitz和Rotem 所写被视为通过动力响应监测评估结构健康状态的现代结构健康监测理念的第一篇1987年起, 英国在Foyle桥上布设传感器, 该系统是最早安装的较为完整的健康监测系统之一。1972年提出了土木工程结构振动的概念,开创了结构振动主动研究的新阶段1973年多伦多电视塔首次安装式的调谐质量阻尼器东京成和大楼首次采用主动式的主动质量阻尼器19二.

13、 理论与分析(续)7. 车桥耦合振动及船撞理论20世纪初，古典理论：移动常量力、移动质量和简单的弹簧质量模型 过桥的动力响应60年代后，理论和试验迅速发展：得益于有限元、计算机、高速铁路建设现代车桥振动研究: 计算模型更精细, 车桥相互作用和耦合研究更深入, 从平面到空间, 桥型更复杂，成果开始应用于高速铁路桥梁的设计以及桥梁规范条文的制订。20世纪80年始系统研究船撞问题IABSE等组织已制定了专门设计规范或指南国内外多座大桥中实施了各种防撞设施，但尚不成熟20二. 理论与分析(续)8. 耐久性分析理论196070年代, 混凝土的耐久性问题被发现, 成为世界瞩目的问题1993年, Holla

14、nd对耐久性给出如下定义：在正常维护条件下, 经过一段时间, 材料和结构的承载能力和使用性能没有发生大的变化的能力近年来, 耐久性方面的研究成果1. 材料层次：大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀2. 构件层次：锈蚀钢筋混凝土构件的受力性能3. 结构层次：、评估等研究热点：计算机模拟、基础试验、全设计21三. 当前使命与任务2006年6月，美国土木工程师学会 （ASCE）举行“土木工程未来”峰会，形成“2025年的土木工程” 报告会议呼吁：全世界土木共同努力，创造美好明天桥梁工程是土木工程的重要分支学科，仿照近代土木工程的分期，桥梁工程可以分为：19451980年：现代桥梁工程的奠基时期；198

15、02010年：现代桥梁工程的进步时期；2010年后：现代桥梁工程将进入成熟期。为了迎接新的的历史使命，有必要展望今后二十年的行动目标和肩负22三. 当前使命与任务（续）使 命：(1) 创造可持续发展世界(2) 提高全球生活质量任 务：(1) 不仅是项目的者、设计者和建设者，还的经营者和维护者(2) 成为自然环境的保护者和节约能源和的倡导者(3) 参与基础设施建设决策，通过不断创新建造优质和耐久的工程，成为提高生活质量的积极推动者(4) 成为使人们免遭各种自然灾害、人为风险的者(5) 具有团队精神、职业道德，23四. 未来研究与发展为实现上述使命和任务，必须依靠研究和发展(R&D) 不断改进现有

16、技术，创造更先进的技术，迎接更大的1. 材料性能的提高是进步的原动力钢材 H.S 343S1100混凝土 H.C30C150各种轻质高强复合材料和智能材料的应用纳米技术和生物技术成为新一代材料的载体中国材料工业的落后是根本性的24四. 未来研究与发展（续）2. IT技术和计算机处理能力的提高结构分析软件的进步桥梁设计的精细化数值模拟和虚拟现实(VR)技术研发概念设计、结构设计、施工、健康监测和养护管理的先进理论和软件中国要摆脱对国外商品化软件的依赖25四. 未来研究与发展（续）3. 智能(传感器、监测仪)及大型智能化施工装备的创造和发明施工、管理、监测、养护、维修工作的自动化无线信号传输和我国

17、装备工程、仪表工业落后，依赖进口应大力开展和装备的研发工作，解决效率低、耐久性差，影响工程质量的问题26四. 未来研究与发展（续）4. 自然灾害和威协降低风险，保障生活安全工程的风险评估提高桥梁的耐久性“工程动力灾变”自然科学基金研究计划灾变、防止倒塌、保障求援和逃生27四. 未来研究与发展（续）5. 规范和标准反映建设水平容许应力法 (ASD，1923-1963) 四十年极限状态法 (LSD，1963-2003) 四十年基于性能的设计 (PBD，2003-)建立在全和可持续发展理念上中国21世纪初的最重要任务跟上世界潮流!28五. 现代桥梁工程展望现代桥梁工程价值源于设计中的创新精神现代桥梁工程的质量和耐久源于装备的不断创新桥梁工程师应提高美学素养，满足对美学的要求工程院宣布的“21世纪14项美国工程项目”：可持续发展、卫生健康、防灾、提高生活质量四个方面追求最合理受力性能、最的结构、最方便的施工，同时也是最美丽的桥梁29五. 现代桥梁工程展望（续）认清桥梁工程师肩负的使命可持续发展和提高生活质量在