进入21世纪以来大跨度桥梁的发展及索源(61页)

1、121世纪以来大跨度桥梁的发展及索源中国铁道科学研究院 2014年11月史永吉2提 纲1.进入21世纪大跨度桥梁的建设态势2.社会科学技术的进步促进了桥梁技术的发展3.钢桥制造现代化4.施工技术的发展5.关于钢桥面板疲劳损伤修复的几个问题31.21世纪大跨度桥梁的建设态势1.1 中国桥梁建设 谈到进入21世纪的桥梁建设，当数中国，近20年内，我国建成了近100座具有世界级规模的大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥等，这一桥梁建设速度和规模是世界任何国家和地区所无法相比的，一举确定了桥梁建设大国的地位。这里列举一些代表性的桥梁及其特点。4图1.1.1 苏通桥：主跨长1088m钢箱梁斜拉桥，是世界上第一座超

2、越千米的斜拉桥。2008年建成。（1）公路桥5图1.1.2 西侯门桥：主跨长1650m分离式钢箱梁悬索桥。2007年建成。6图1.1.3 卢浦桥：主跨长550m钢箱拱桥。2004年建成。7图1.1.4 闵浦桥：主跨708m全焊钢桁梁斜拉桥，边跨为混凝土桁架组合梁，中跨为钢桥面板钢桁梁，2010年建成。8图1.1.5 重庆朝天门桥：主跨552m双层公路和轨道交通两用钢桁拱桥。2009年建成。9图1.1.6 坝陵河桥：位于跨越深谷的山区，受严厉的运输条件制约，主梁采用主跨1088米钢桁加劲梁悬索桥。2009年建成。10图1.1.7 南京三桥：双向六车道，主桥为跨径648米的双塔双索面钢塔钢箱梁斜拉

3、桥，我国第一座钢塔斜拉桥，塔高215m。11图1.1.8 大胜关桥：双线高速铁路、双线货运铁路、双线轨道交通，主跨为2x336m连续钢桁拱桥。（2）铁路桥12图1.1.9 芜湖桥：公铁两用，主跨采用312m钢桁梁矮塔斜拉桥（Extrodosed Bridge）。2000年建成。（3）公铁两用桥13图1.1.10 天兴洲桥：双线高速铁路、双线货运铁路、四车道公路，主跨采用504m三索面钢桁梁斜拉桥。2010年建成。14图1.1.11 沪通桥：四线高速、货运铁路、6车道公路，主跨采用1092m钢桁梁斜拉桥，建设中。（4）在建桥梁15图1.1.12 五峰山桥：8车道公路，双线高速铁路，主跨采用112

4、0m钢桁梁悬索桥。已立项。16图1.1.13 港珠澳大桥：由海底隧道、人工岛、桥梁组成，全长约30多公里，6车道公路，深水区采用多联6110m连续钢箱梁，浅水区采用多联685m连续开口钢箱组合梁。这是当前建设规模最大的桥梁，总投资达670亿人民币。建设中。17图1.1.14 洞庭湖二桥：6车道公路桥，主跨采用1688m钢桁梁悬索桥，建设中。18图1.1.15 虎门二桥：6车道公路，主跨为1688m双塔双跨钢箱梁悬索桥，建设中。19图1.1.16 芜湖二桥：8车道公路，4线铁路，主跨为588m， 南岸受航空条件制约，采用子母塔钢桁梁公铁两用斜拉桥，建设中。201.2 存在的问题 谈到我国桥梁建设

5、取得的巨大成绩时，也应清醒地看到桥梁建设中存在的问题。（1）设计理念片面追求跨长第一，哪怕比别人仅长5m，就桥梁技术水平而言，这是没有多大意义的。许多城市的政绩工程、形象工程、标志工程，难免导致求大、求全、求快、求异。特别是某些城市桥梁，忽略桥梁的交通功能，片面追求桥梁人文理念，提出“艺术桥梁”之类的口号，如“蝴蝶拱桥”、“月牙式拱”、“小河上建大桥”、小河上建“桥梁博览会”、“贝壳塔斜拉桥”、“天圆地方桥塔悬索桥”、“人门合一”斜拉桥、“旱地上造大桥”等等，其中许多是国际招标，外国人做概念设计，国内做结构设计，传播了一些求怪求异的错误概念。21（2）建设费用高、资源浪费大 目前一些桥梁建设忽

6、略了合理性和经济性，往往导致投资过大，例如： 某城市桥，河面宽不足300m，建成了跨长300m的蝴蝶拱桥，预算6.7亿。上游不远处已建成了连续梁桥，投资仅8000多万。22 五峰山桥与日本南备灒濑户大桥主桁用钢量的比较表1.2.123 由表1.2.1可见，两座桥的主跨长度和公、铁总活载大体相当，由于以下原因及设计合理化的问题，主桁用钢当量相差1.7倍。再者，南备灒濑户大桥至今已运营26年，状态良好。 五峰山桥过大地预测了公路交通流量，设定8车道公路，桥面全宽约45m，而长江中下游已建约20余座公路桥，均为6车道，距五峰山桥上下游约二、三十公里的润扬大桥和泰州大桥，现在交通流量较少。 桥南出桥即

7、是弯道，很快就进入丹徒车站，没有必要把桥上行车速度与全线速度一致，均取250km/h。24 对于悬索桥，吊索间距（一般1216m）是主梁的跨距，本不需要有很大的抗弯刚度，相反，由于主缆变形大，主梁抗弯刚度越大反而引起次弯曲应力越大。另外，影响悬索桥列车走行安全性和乘员舒适性的是梁端转角和跨中区段挠曲线切线的纵向坡度的变化，前者影响更大。日本根据车桥动力响应分析，本四连络桥规范设定为活载竖向挠跨比限值为1/350，我国高铁暂行规范中限值设定为1/550。这就要求较大的主桁刚度，进而需要加大桁高和用钢量来满足刚度要求。25（3）病害严重 这里仅列举几类常见病害。 钢桥面板疲劳裂纹具有普遍性、早发性

8、、多发性等特点。我国钢桥面板从开始应用至今已有近20年了，仍未看到收敛的趋势，相反裂纹类别和数量仍在不断扩大。 桥面铺装病害。经常乘车过桥的人会发现，钢桥面铺装常常处于修补施工中，严重影响了交通运营。 缆索防腐问题。缆索的腐蚀已使一些桥梁成为“危桥”。261.3 世界各国桥梁建设 当前，正谋求世界经济一体化、建立多国和区域自由贸易区、发展中国家的经济崛起，已是不可逆转的趋势。习近平在2014年北京APEC峰会上提出的“一带一路”经济发展大格局顺应了这一总的形势，很显然这是由交通通道串连的经济发展带。为此，各国都在纷纷规化或实施经济发展带上的海湾桥或跨海联络桥的工程项目，举例如下：27 连接欧亚

9、非的土耳其正建设第三Bosprus海峡桥（主跨1460m公铁两用悬索桥）。伊兹尹尔海湾桥。 连接欧洲大陆与北欧的第二Oresend海峡桥,由海底隧道、人工岛和桥梁组成，公铁两用。 连接俄罗斯与克里米亚半岛的亚速海峡大桥，正进行可行性方案研究。28 连接意大利本土与西西里岛的墨西拿（Messina）海峡桥,主跨3300m公铁两用悬索桥，主梁由3个分离式钢箱和横梁连接而成，全宽64m，主塔为386m高钢塔，4根主缆，采用2000MPa级高强度钢丝。因经费问题暂未开工。 图1.3.1 Messina 桥29连接欧非大陆的直布罗陀海峡大桥（主跨拟用5000m的悬索桥）的可行性研究。 图1.3.2 直布

10、罗陀海峡大桥30 日本东京港临海大桥，又称恐龙桥，主梁采用桁板式箱的复式结构，主跨为440m。 图1.3.3 东京港临海大桥311.4 复合结构桥梁的发展 组合结构的发展也经历过严重挫折，以法国为例，上世纪5060年代按过去的设计理论建设的组合梁，由于混凝土裂纹和剪力键因剪应力集中而产生疲劳裂纹，逐渐失去承载力，一度降至“冰点”，组合梁建设跌至桥梁总量的2.5%。经过10多年的研究，建立了新的设计理论，使组合梁建设重新崛起。目前世界上组合桥梁应用最多的国家是法国，公路桥组合梁已达桥梁总量的85%，高速铁路组合梁已达80%，其次是德国和日本，我国组合梁的应用才刚刚起步。 上世纪末，世界各国桥梁专

11、家们认为：由于组合结构充分利用了混凝土材料的抗压强度和钢材的抗拉强度高的特点，21世纪将是组合结构发展的时代。321.4.1 复合结构的类型图1.4.1 复合结构的类型复合结构桥梁类型如图1.4.1所示。331.4.2 组合结构新的设计理论 过去的组合梁桥设计是依据弹性理论用两种材料的弹性模量比换算成一种连续体材料，按完全平面变形假定进行计算分析。显然，这与组合梁的受力行为不相符。 新的设计理论是基于混凝土板和钢梁之间的非连续界面这一实际情况，考虑剪力键的承载力、抗剪刚度及界面间的纵向微小滑移，按不完全平截面变形假定进行计算分析。对于连续梁负弯矩区，采用不导入预应力限制裂纹宽度的设计方法。34

12、（1）法国组合梁桥应用举例 图1.4.2、图1.4.3和表1.4.1为公路和铁路组合梁桥截面的主要尺寸。 图1.4.2 公路桥组合梁桥 图1.4.3铁路桥组合梁桥1.4.3 组合结构桥梁举例35 表1.4.1 主梁组合梁桥截面的主要尺寸 注：*表示横梁与桥面板组合的情况。表中L：跨长 E：横梁间距 D：桥面板厚A (m)B (m)C (m)H/LD (cm)E (m)公路桥7.521612.5271/201/282030611, 46*铁路桥612.656671/1540456736 Haute-Colme高架桥是TGV北线最长的高架桥，见图1.4.4，全长1827m，共48跨，跨长25m65

13、m。全桥共设7个伸缩接缝。主跨梁高4.0m，跨长40m以下时，梁高均为3.5m，钢梁翼缘采用变厚度热轧钢板（LP）。图1.4.4 法国TGV高速铁路Haute-Colme高架桥37（2）德国组合梁桥应用举例 图1.4.5为Hannover-Wrzburg高速铁路的美茵河桥（双线铁路桥），该桥为83.2+208.0+83.2m的双层组合桁架三跨连续梁，梁高在跨中为7.66m，在主墩处为15.66m。两片主桁中心距7.0m，主桁节点距10.4m。上弦采用RC板，下弦在主跨的中间区段采用钢构件，在边跨和主墩处采用钢和混凝土的组合构件，见图1.4.5。该桥建成于1994年。38(a) 全景图 (b)

14、截面图(c) 立面图图1.4.5 德国高速铁路美茵河桥39（3）日本混合结构桥梁应用举例 木曾川桥(Extradosed Bridge，中文称矮塔斜拉桥)，由于主跨和边跨的跨长比过小，为了延伸中跨跨长，避免端支座产生负反力，边跨采用较重的PC箱梁，中跨采用较轻的钢箱梁，两者之间通过预应力筋和剪力键采用刚性连接，见图1.4.6。图1.4.6 日本木曾川桥桥跨布置图40 多多罗大桥，主跨890m斜拉桥，由于边跨与中跨跨长之比过小，主梁采用钢箱与PC箱的混合加劲梁，钢塔高224m。建成于1999。图1.4.7 日本多多罗大桥412、社会科学技术的进步促进了桥梁技术的发展2.1 材料学科的发展及其应用

15、422.2 数学、力学的发展及应用（1）促使了设计规范的演变 经验设计法容许应力设计法极限状态设计法。 设计方法的演变可以概括为如何用安全度的概念来更准确描述结构的安全性。经验设计法有很大的盲目性，是从一次次结构失效中摸索出来的；容许应力设计法是用一个特殊安全系数除以材料破坏的基准应力来保证结构具有一定的安全度，表达式为：材/计；43 极限状态设计法是把材料抗力和作用在结构上的荷载效应视为符合正态分布的随机变量，取5%失效概率作为限值，如附图2.1所示。该方法使结构失效概率有了明确的定义。表达式为：S/sRR（式中，S为材料基准抗力；R为荷载效应；s、R为材料抗力和荷载效应分项安全系数）图2.

16、1442.3 计算理论的发展举例如下： （1）用大挠度理论代替弹性理论，才使悬索桥计算分析和建设得以成功。 （2）微小变形理论和有限变位理论的建立和正确应用，使具有不同抗弯刚度的结构得以精确分析，确保其安全性。 （3）非线性（几何非线性和材料性能非线性）分析的建立，可使由不同延伸刚度和抗弯刚度的结构得以准确分析。 （4）断裂力学的发展和应用使结构脆断控制和剩余寿命计算成为可能。 （5）用不完全平截面变形理论代替完全平截面变形理论来分析受弯组合梁，使组合梁从上世纪70年代的“冰点”走向21世纪的繁荣。452.4 计算工具及计算方法的发展及其应用 （1）计算工具的演变 解放了人力，提高了正确性和计

17、算精度。 46（2）计算方法的发展数值分析法：难免做一些简化假定，影响计算精度。 FEM分析法：使三维、多维空间结构和多次超静定结构的整体结构和局部节点的受力行为分析变得简单易行。前提条件是，应建立正确的计算模型（包括边界约束条件，加载工况等），选用合适的计算理论、合理划分单元类型和尺寸。473、钢桥制造的现代化 我国钢桥制造，乃至整个钢结构制造业，虽然引进了一些先进的制造设备，但从整体来看，仍然延用了传统的落后的人工控制的制造方法。 现代化钢桥制造是：生产全过程由计算机软件系统实施管理，伴随NC作业化、自动化流程、合理化工艺和先进的匹配加工设备，极大地提高生产效率和产品质量的稳定性。 南京长

18、江三桥钢塔制造为此做了尝试，但要实现钢桥制造现代化，仍有很长的路要走。483.1 何为科学技术进步？ 工程师出身的美国经济学家布莱恩.阿瑟对技术的发展及其意义做了精辟的论述和概括，在他的著作技术的本质：它是什么和如何演变中说： “是技术让现代科学向前发展，是技术推动了经济走向繁荣”。 “技术发展是建立在对现有技术的有机和持续组合上，技术突破是现有技术重新组合的结果”。 “技术从广义上说是数以千计相对独立技术的不断组合和演变”。 “我们的财富和生活都源自技术的发展”。 “科学与技术的关系比通常人们认为的更加紧密”。 “那些被认为是天才的发明者都是对现有技术非常精通的人，而且他们有志于将现有技术以

19、全新的方式予以组合”。493.2 钢桥制造技术升级（1）要素提高管理、技术人员的知识素质和工人的技能水平；依据结构特征选定制造方案，合理分割制造单元和架设单元；生产流程全自动化；各生产工序配备先进的、合用的、配套的设备；生产全过程实现数控（NC）作业法；从设计图转化成制造图到成品验交，实现生产全过程的计算机管理系统。50（2）要点 表3.1 流程及设备流程下料制孔组装焊接检测预拼装涂装设备精密焰切数控钻床自动组装自动焊机自动跟踪激光测量仪计算机3D数值化预拼重涂装等离子切割胎架机器人焊机激光切割数码照相预拼使用机械滚动和液压元素运送工件，代替传统的天车吊运工件,实现生产流程自动化51（3）目标

20、 提高生产效率和人均产值，三、五百人的公司一班制，年生产能力达1015万吨产量。 减少材料、能源损耗，降低成本。 提高产品质量的稳定性，降低人工技能差别的影响。 伴随着制造技术的进步，不断提升员工的素质。52工法适用范围特点效果大段架设法水上大跨度连续梁，索支撑桥的钢塔和主梁，高架桥码头上组装成大节段，船运至桥位，大型浮吊大段吊装，最大为5100t。提高组装精度，减少空中工作量，缩短安装工期，安全。悬索桥承载架设法山谷大跨度悬索桥主梁架设，已应用于矮寨大桥。桥头组装成钢梁节段；利于支撑在吊索上的临时承载索和牵引索逐段架设主梁，突破了过去利用缆载吊机水上垂直起吊架设法和桥面吊机悬臂架设法。解决了

21、深谷架设时梁段运输难题。临时架梁设施少；提高了组装精度；减少空中工作量，较安全；缩短安装工期，减少架设成本。连续顶推施工法陆上或浅水区中小跨度连续梁及高架桥一般在桥头制梁，利用长行程千斤顶连续顶推就位。桥头制梁，质量高，临时施工设备少，必要时仅需少量临时排架，投资少，工期较短。地下连续墙施工法适用于岸上大型深基础施工，可向水中拓展。利用大型挖掘机挖出地下连续深槽，泥浆护壁；灌注水下钢筋混凝土，形成受三维约束的连续墙基础，具有很大的承载力。与大型沉井相比，工程量大大减少；与桩基相比，对地质挠动少。4、施工技术的发展 桥梁施工技术的发展主要体现施工方法和施工设备上，这里举例列表作一说明。535、关

22、于钢桥面板疲劳损伤修复的几个问题 这里以病害较严重的钢桥面板疲劳损伤修复为例谈几个原则性问题，供参考。5.1 疲劳损伤修复原则 钢桥面板疲劳损伤的修复（修理、加固、改造）除应恢复结构的耐久性外，还需确保结构的刚度，并提升桥面铺装的耐久性。 加固后应不使附近产生新的疲劳裂纹。 成桥处于受力状态，加固时应采取临时支撑等措施，尽可能使局部加固部位处于无应力或低应力状态。54 考虑实桥加固方案时，原则上不宜采用焊接方法修复，减少焊接收缩变形和焊接收缩力对结构的影响，不得已时应制定可靠的工艺措施。 选择加固和施工方案时，需进行投资效益分析，提高经济性，降低维修成本。 应充分认识：钢桥面板疲劳损伤修复工作的复杂性、困难性、多样性，没有通用修复方法。 尽可能减少施工对运营交通的影响，根据加固方案的不同，适时提出对交通的适度管制（限速、限载、分车道封闭），确保加固质量。 因修复加固引起恒载增加不宜超过原桥的3%。555.2 疲劳损伤修复的难度和复杂性 与德国、日本等国相比，我国目前还没有完善的钢桥面板疲劳