大跨度桥梁发展方向及台湾海峡桥梁方案

大跨度桥梁发展方向及台湾海峡桥梁方案上海市政工程设计研究总院林元培一、概论

桥梁是一种跨过障碍物（河流或深谷等）的结构物。建造什么样的桥，影响因素很多大体上有：水文、气象、地质、环境、大气腐蚀、交通规划、美学、桥位、材料选择、制造工艺、施工工艺、结构分析、方案综合等。其中最主要的5个要点是：

1、桥型选择2、材料选择3、施工工艺4、结构分析5、方案综合优化1.1桥型选择

在任何体系中有一条近于水平线的构造用来走人或车辆的结构称之为桥面构造。

支承桥面构造的构造，称之为支承构造。整个桥梁体系由桥面构造和支承构造组成，用（,

）表示。,号之左表示支承构造受力，,号之右表示桥面构造受力。凡受拉为主的构造记为“－”，凡受弯为主的构造记为“0”，凡受压为主的构造记为“＋”，则桥梁体系一切可能的排列为：（＋,＋）（＋,0）（＋,－）（0,＋）

（0,0）（0,－）（－,＋）（－,0）（－,－）拱桥梁桥悬吊桥1.1.1

拱桥体系

（＋,＋）表示支承构造受压，桥面构造受压，一般称为斜腿钢架（＋,＋）（＋,0）（＋,－）（0,＋）

（0,0）（0,－）（－,＋）（－,0）（－,－）1.1.1拱桥体系

（＋,0）表示支承构造受压，桥面构造受弯，一般称为拱桥（＋,＋）（＋,0）（＋,－）（0,＋）

（0,0）（0,－）（－,＋）（－,0）（－,－）1.1.1拱桥体系

（＋,－）表示支承构造受压，桥面构造受拉，一般称为系杆拱桥

（＋,＋）（＋,0）（＋,－）（0,＋）

（0,0）（0,－）（－,＋）（－,0）（－,－）1.1.2梁桥体系

（0,＋）表示支承构造受弯，桥面构造受压，一般称为简支梁桥

（＋,＋）（＋,0）（＋,－）（0,＋）

（0,0）（0,－）（－,＋）（－,0）（－,－）1.1.2梁桥体系

（0,0）表示支承构造受弯，桥面构造受弯，一般称为连续梁桥（＋,＋）（＋,0）（＋,－）（0,＋）

（0,0）（0,－）（－,＋）（－,0）（－,－）1.1.2梁桥体系（0,－）表示支承构造造受弯，桥面面构造受拉，，一般称为悬悬臂梁桥（＋,＋）（＋,0）（＋,－）（0,＋）

（0,0）（0,－）（－,＋）（－,0）（－,－）1.1.3悬吊体系（－,+）表示支承构造造受拉，桥面面构造受压，，一般称为斜斜拉桥比如说自锚式式吊桥亦属斜斜拉桥（＋,＋）（＋,0）（＋,－）（0,＋）

（0,0）（0,－）（－,＋）（－,0）（－,－）1.1.3悬吊体系（－,0）表示支承构造造受拉，桥面面构造受弯，，一般称为悬悬索桥（＋,＋）（＋,0）（＋,－）（0,＋）

（0,0）（0,－）（－,＋）（－,0）（－,－）综述上述讨论论：尽管桥梁可能能有千姿百态态，但从力学学观点来看只只有三大体系系：即拱桥体体系，梁桥体体系，悬吊体体系。而每种种体系中其桥桥面构造只有有三种可能受受力即或受压压力，或受弯弯曲，或受拉拉力。所以桥桥型一切可能能的排列只有有九种，除第第九种桥型（－,－），表示支承构造造受拉，桥面面构造受拉，，正在探索中中，其他八种种桥型都已变变为现实。在在具体的桥梁梁设计中可根根据当地情况况，适当地挑挑选几种桥型型（或其组合合）进行方案案比较即可。。不必沉思冥想想。1.2材料的选择当前桥梁工程程中所用的材材料为石、木木、混凝土、、钢筋、低合合金钢、钢材材、高强钢丝丝、高碳纤维维。钢筋与混混凝土相结合合成钢筋混凝凝土构件克服服了抗拉能力力差的缺点，，成了很好的的梁柱构件。。高强钢丝与与钢筋混凝土土相结合克服服了钢筋混凝凝土有徐变收收缩的缺点可可以制造出与与钢构件相竞竞争的构件。。钢材杆件由由于其重量轻轻，强度高，，施工简单，，在土建工程程中一向有很很大市场。最最新一种材料料是高碳纤维维其应用正在在发展中，其其有强度高，，重量轻的优优点但价格十十分昂贵，在在工程中未能能大量推广，，多应用于混混凝土构件的的修补和维护护。随着生产产工艺改进，，工程中不断断推广，加大大需求量，其其价格会逐步步降下来。在桥梁中随着着跨度的增大大。混凝土材材料，钢材的的强度渐渐不不够使用，例例如混凝土预预应力梁桥当当跨度超过300m后应力几乎用用足，只有提提高标号或改改变材料才能能把跨度继续续做大。又如如在斜拉桥中中如果用碳纤纤维取代钢索索则跨度更大大，最有利于于同悬索桥的的竞争。要推推动桥梁跨度度发展、材料料的发展是一一根本问题。。1.3施工工艺施工工艺分制制造工艺和安安装工艺二部部分，制造工工艺大多在工工厂完成，工工艺一般都比比较成熟。而安装工艺同同桥梁结构性性质有关，应应由设计单位位与施工单位位共同协商制制定。在桥梁跨度不不大时，起重重能力不大时时容易安装，，即使是混凝凝土构件在支支架上现场浇浇筑也可建成成。但当在大大江大河上建建筑桥梁时，，就不可能搭搭支架去浇筑筑，也没有那那么大的起吊吊设备去吊装装，必须要提提出一套可操操作的安装工工艺，在不妨妨碍河道上的的船舶通行情情况下，一段段段安装制造造直至合龙。。这一套安装装工艺往往归归结为一套设设备或措施，，其费用称之之为施工措施施费。整个桥桥的造价大体体上就是材料料费加制作费费加施工措施施费等等。一一套好的施工工工艺将占有有较小的施工工措施费。桥桥梁的尺寸个个性很强，这这一套措施设设备施工完了了以后在下一一座桥梁中往往往难于重复复利用，所以以深入地研究究施工工艺及及其设备，降降低施工措施施费是设计施施工中重大的的课题。比如说在有些些场合建拱桥桥就比斜拉桥桥要贵，从材材料费来看相相差不多，而而是施工措施施费拱桥比斜斜拉桥贵，这这是因为斜拉拉桥在该施工工阶段所发生生的应力同斜斜拉桥处在该该阶段时所能能承受的应力力大体上是协协调的，所以以只要添置少少量施工设备备即可完成全全桥的施工；；而拱桥在该该施工阶段所所发生的应力力同拱桥在该该施工阶段结结构所能承受受的应力不太太协调，即导导致添置较多多的构造和设设备去解决上上述的不太协协调问题。所所以施工措施施费就增加了了，以至拱桥桥就显得贵了了。作为设计计不仅要设计计出其桥型与与构造，而且且要设计出一一套在各阶段段施工应力能能与桥型在该该阶段所能提提供的承受应应力相协调的的施工图式，，使之添置尽尽可能少的设设备去完成全全桥的施工。。例如DYWIDAG公司发明的挂挂兰悬臂浇筑筑工艺，它的的施工图式在在该阶段施工工应力与在该该阶段结构所所能提供的承承载应力大体体上是协调的的，结果用很很小的挂兰代代价去施工，，其施工措施施费很低，最最后总造价也也很低。再比如用顶推推法施工砼连连续梁桥，虽虽然梁高要设设计得稍高一一点，但是它它的施工阶段段应力与该阶阶段梁体所能能提供的承受受应力大体上上协调。最后后只化了一些些制作平台，，千斤顶及梁梁的代价，施施工措施费大大为降低，总总造价也随之之下降。梁桥体系如此此，悬臂梁桥桥也是如此，，唯独拱桥系系统不大协调调，如何以最最少的设备把把各施工阶段段的应力与该该阶段结构能能提供的承受受应力相协调调是拱桥系统统技术进步的的方向。1.4结构分析当桥型选定，，材料选定，，施工工艺选选定后，就要要根据外在的的条件进行结结构分析，自自从电子计算算机出现后，，有限单元的的应用，对大大多数的弹性性力学计算问问题已迎刃而而解，即使一一些非线性问问题亦可通过过线性的选代代而解决。目目前在结构分分析方面除少少数特殊问题题外，多数问问题可用商业业化程序可预预解决。例如Ansys程序等等。利用这些程序可算算出恒载、活载、、冲击、预应力、、收缩、徐变、温温度、地震、风力力、支座沉降、施施工误差等引起的的应力及变形，检检算结构的总体稳稳定及局部稳定。。检算是否符合规规范要求，特别是是一些现代结构要要检查是否会引起起人体的不适的感感觉。例如不久前前国外有一座桥，，结构的刚度没有有设计好，人群上上挤后，桥发生晃晃动，使许多人发发生惊慌。从而对对结构进行加固。。在大跨度结构中，，施工阶段的内力力分析，线形控制制，局部构造应力力分析，地基沉降降分析，都是必要要的，只是有的结结构分析在初步设设计阶段完成，有有的在施工阶段完完成。1.5方案综合优化任何桥梁方案要受受到体系的选择，，材料的选择，施施工工艺的选择，，结构分析等等的的影响，会作出很很多的方案，从中中去选择合适的造造价合适的工期，，造型相对美观的的桥梁。以上我们是从造价价、工期、美观的的角度来选方案的的，还有一个重要要角度就是对方案案的风险进行评估估，凭当事人自身身的经验判断哪一一个方案最有把握握。当然不同的当当事人会对同一方方案的把握性会作作不同判断，这是是难免的，只能是是谁设计谁负责。。风险大致来源于三三方面：（1）当事人经验不足足不应该出问题的的地方出了问题。。这是第一种风险险；（2）理论与实际之间间有差距，这是常常有的事，比如地地基基础对上部构构造引起的内力重重分配研究了一百百多年，论文不下下几十万篇，仍然然不能做到理论指指导实际，然而也也不能因为没有正正确的理论就可以以不做工程，工程程师还是要用前人人成功的经验去对对现有的工程作出出正确的判断，但但经验又不是放之之四海皆准，有时时还会出问题，这这是第二种风险。。（3）所设计的工程某某些方面超越了世世界水平（比如跨跨度），这时设计计工程师一定会设设想若干预案，在在工程中采取措施施以防止意外，但但最危险的事往往往发生在预案之外外，眼看事故发生生，束然无策而造造成重大事故，这这是第三种风险。。以上三种风险常有有发生，但风险常常会带来利益，当当事人要正确认识识自己，正确认识识工程，正确评估估风险，最后选定定方案。2.拱桥体系优化即（＋,＋）（＋,0）（＋,－）体系优化2000年前世界已建成跨跨径200m以上混凝土拱桥20余座。到目前为止止世界已建成300m以上混凝土共5座，我国占3座。2.1万县长江大桥跨度420m，为混凝土拱桥世世界之最，属国际际

领先水平。孔孔径布置为5×30.66+420+8×30.66大桥全长为856.12m，桥面全宽24m，矢跨比1/5。2.2上海卢浦大桥其断面采用全焊箱箱形构造。2.2上海卢浦大桥其主箱断面纵向变变截面，梁高6m～9m，宽5m，从美学上考虑，在高度度3m处有一折点以造成阴影线线面，在箱内设置加劲肋以保保证板的局部稳定。为加强侧向稳定，，简化构造、大桥呈提蓝蓝式空间结构。3.梁桥体系优化即（0,＋）（0,0）（0,－）体系优化中国的混凝土梁桥桥已达国际水平。。当前国际上混凝凝土梁跨度已达达到301m是挪威的AuetevollStalmasumdet桥建成于1998年。我国已建成成混凝土连续梁梁桥有虎门桥跨跨度是270m，最近完成的重重庆黄花园桥跨跨度250m，在重庆将建300m的组合式连续梁梁桥（300m跨中100m做钢箱梁其余做做混凝土）我国国60年代开始建造这这一类桥梁，在在不断完善中。。当前我国梁桥体体系多数是大跨跨度预应力砼结结构，主要存在在垂度过大及腹腹板开裂问题①垂度过大问题主要是泵送砼徐徐变参数不容易易掌握，没有成成熟的参数，也也来不及做试验验。建议先用已有的的经验设置预拱拱度，再留有外外露预应力构造造位置，当发现现垂度过大时再再施外露预应力力。②腹板开裂问题国外试验资料表表明砼的极限抗抗拉强度在浇铸铸方向仅是立方方体强度极限抗抗拉应力的一半半。这一现象多年来来被我们所忽略略，如果建立一一个不等式σρ＜σπσρ表示腹板主拉应应力σπ表示该腹板砼立立方体极限抗拉强度的一一半当不等式成立时时，腹板不开裂裂，否则开裂。。本人用上述不等等式检查过几座座大跨度有裂缝缝的预应力梁桥桥，证明上述不不等式是正确的的。建议用上述不等等式设计腹板。。希望再深入工作作制定适当的安安全系数，在不不久将来治好这这二个毛病。即（－,＋）（－,0）体系中国的斜拉桥正正在走向国际领领先水平。中国的悬索桥已已到达国际先进进水平。4.悬吊体系在我国国的进展（－,＋）体系1956年瑞典的Stromsand桥开创了现代斜斜拉桥序幕至今今已建成300余座，中国建成成30余座，它比悬索索桥发展得晚，，但发展十分迅迅速，曾经破过过世界纪录的斜斜拉桥。未来可能破世界界记录的是中国国香港昂船州大大桥及苏通大桥桥其跨度都在1000m以上。4.1斜拉桥国内外发发展情况4.2苏通大桥构造概概况我国在建的苏通通大桥跨度为1088m，其跨径组合为为2×100+300+1088+300+2×100的七跨连续，钢钢斜拉桥，是世世界跨度最大的的斜拉桥，结构构体系采用纵向向阻尼约束的飘飘浮体系，将于于2008年建成。其主梁梁横断断面外外形采采用底底板水水平宽宽度较较大的的流线线形扁扁平钢钢箱箱箱梁，，梁高高4m。其纵纵横隔隔板在在纵向向采用用桁架架式，，横向向采用用实腹腹式。。4.3悬索桥桥在国国内外外发展展情况况即（－,0）体系悬索桥桥在十十八世世纪就就有纽纽约的的布鲁鲁克林林桥，，发展展到今今天跨跨度已已达近近2000m的日本本明石石海峡峡大桥桥，它它的梁梁体采采用桁桁架式式。40年前梁梁的断断面发发展成成扁平平箱形形梁构构造。。例如如英国国跨度度990m的Severn桥和跨跨度1410m的Humber桥，我我国则则多采采用扁扁平箱箱形梁梁悬索索桥。。有香香港跨跨度1377m的青马马大桥桥、跨跨度1385m的江阴阴长江江大桥桥。跨跨度1490m的润扬扬大桥桥，跨跨度属属国内内第一一世界界第三三，已已到达达国际际先进进水平平。润扬大大桥构构造概概况悬索桥桥为主主缆跨跨径（（470m+1490m+470m）单跨跨双铰铰简支支悬索索桥，，采用用多层层门式式框架架型索索塔及及其基基础、、重力力式锚锚碇，，全焊焊钢箱箱加劲劲梁预预制平平行用用索股股主缆缆及销销接式式吊索索。垂垂跨比比1/10，中心心距34.3m，吊索索间距距16.1m端吊索索距索索塔中中心20.5m。5.大跨度度桥梁梁发展展方向向Ⅰ（面上上）（1）桥梁结结构刚刚度的的控制制在跨度度不大大的中中小桥桥中，，结构构变形形不大大，人人在车车上犹犹如船船在河河流中中行驶驶，十十分平平静。。但在在超大大跨度度的桥桥梁中中，结结构变变形很很大，，会上上下波波动及及左右右摆动动，人人在车车上犹犹如船船在有有大风风浪的的大海海中行行驶，，多数数人感感觉上上不能能适应应，如如上面面1/4中提到到的国国外有有座桥桥，刚刚度没没有控控制好好，致致使桥桥上的的人惊惊慌失失措。。因此有有必要要制订订一套套刚度度标准准，以以满足足大多多数人人能接接受的的感觉觉要求求。（2）大跨度度斜拉拉桥的的刚度度设计计斜拉桥桥的主主要构构件是是钢束束，钢钢束的的水平平投影影长度度较大大时将将产生生垂度度其当当量的的弹性性模量量将降降低，，其表表达式式为：：式中：：Ei＝钢束束有垂垂度时时的当当量弹弹性模模量Ee＝钢束束在直直线状状态受受力时时的弹弹性模模量γ＝钢束束密度度L＝束的的水平平投影影长度度σ＝钢束束所受受应力力目前现现有的的钢束束材料料采用用高碳碳的高高强钢钢丝，，其γ、E、σ、Ee为定值值，因因此其其Ei随跨度度增加加即L增加而而减少少，当当跨度度增到到相当当大数数值时时Ei值显得得很小小，即即刚度度很差差，因因而我我们期期待更更高强强轻质质的材材料出出现来来缓解解Ei减小的的矛盾盾。但但新材材料的的出现现并不不容易易，目目前在在新材材料未未出现现之前前设法法在设设计上上采用用使跨跨度增增大而而L不增大大的方方案，，即在在桥面面上竖竖起若若干刚刚性杆杆支撑撑钢束束达到到减少少L的方案案，当当前NORMANDIE桥钢束束与钢钢束之之间用用细钢钢束连连联着着其目目的是是减小小钢束束的振振动并并非为为了提提高钢钢束的的刚度度、所所以刚刚性杆杆的设设计是是十分分必要要的、、设计计的要要点是是刚性性杆与与钢交交叉点点的节节点构构造必必须满满足200万次以上的疲劳要要求。当前大跨度的斜拉拉桥最大跨度约1000M左右，这问题尚不不太突出，以后跨跨度继续向前推进进，这问题将愈加加突出，所以应及及早研究，及早实实践，不断完善，，工程问题不可能能一下子就很完美美。（3）各种桥型跨度的进进步跨度的进步，不仅仅有方案上的当前前利益，且有发展展上的长远利益。。从上述可知，拱桥桥在同斜拉桥竞争争，斜拉桥在同悬悬索桥竞争，即使使是斜拉桥，砼斜斜拉桥也要同钢斜斜拉桥竞争，这在在十几年前是不可可能有事，这就是是多年来，各种桥桥型跨度各自向前前推进的结果。以以上面苏通大桥跨跨度的推进为例。。这一千米左右的的跨径只有做悬索索桥才是稳当的，，但造价较高，如如果做斜拉桥则没没有先例就有风险险，然而毕竟有法法国的诺曼底桥856m和日本Tatara桥890m的成功例子在，不不需要做锚碇可省省不少钱，利益与与风险之间在犹豫豫不决，最后还是是下决心做斜拉桥桥。作者认为这个决心心是正确的，因为为不论从施工工艺艺上，或是结构分分析都是有把握的的只需再做些仔细细的工作就可以。。也为后人树立一一块成功实例，为为此后设计1400m跨度斜拉桥树立信信心，工程师总是是感到要施工工艺艺，结构分析有把把握后，还要看前前人走到什么地步步，差距不能太大大，太大以后风险险就大，出了问题题是负不起责任的的，总是会适可而而止的，到什么程程度才适可而止，，这由当事人自己己把握，所以跨度度的推进不仅为当当事人带来眼前利利益亦为后人设计计树立信心。每一种桥型都有自自己的传统的跨度度适用范围，但时时至今日，各种桥桥型的范围已开始始交叉，导致方案案上激烈竞争，从从而使得造价降低低。今后将继续推推进各种桥型跨度度的进步。（4）施工工艺的进步不论是上部构造安安装或是基础施工工其施工工艺都必必须是可靠快速、、施工措施费最少少。施工措施费是造价价中不小的费用，，有时宁可在结构构上多花一点材料料支支持施工工艺艺减少施工措施费费，求得总造价的的最低。这项工作不仅由施施工单位做而是由由设计施工联手来来做。在拱桥体系中材料料费不多而施工措措施费较多，今后后应研究较合适适的施工工艺使以以最小的代价去使使得施工阶段在结结构上，所发生的的应力与该阶段在在结构上产生承载载应力大体协调、、措施安全简单可可靠。在梁桥体系系和悬吊体系中同同样施工措施费和和工期要推进（包包括通用施工设备备的研置）。基础工程中施工工工艺也是重点，首首先是工艺安全可可靠，再就是工期期要短，施工措施施费要少。大跨度桥梁发展方方向Ⅱ（点上）台湾海峡两岸通道道桥梁方案台湾海峡通道是一一个伟大工程，今今距离工程实施尚尚需时日，在这期期间应做好工程勘勘测，关键技术开开发，开展工程可可行性研究。对风风险、造价、工期期、经济效益做全全面权衡后再对桥桥梁、隧道方案作作最后选择。一.各国海峡建设情况况1．英吉利海峡宽50.5km，水深35m~172m，隧道方案。2．直布罗陀海峡宽39km，水深300m，决定用隧道方案案。3．墨西拿海峡宽3.5km，水深60~80m，决定用桥梁方案案。4．琼州海峡宽19km~39km，水深80m，深槽处120m~160m，桥梁隧道方案未未定。5．台湾海峡北线方案：宽125km，水深40m~60m，但不超过80m，桥梁隧道方案未未定。纵观上述海峡情况况，做隧道的海峡峡水都很深，台湾湾海峡北线地区属属于浅海地区，中中国桥梁现有技术术水平建造台湾海海峡大桥，不会有有不可克服的困难难，但对若干重大大关键技术仍需认认真对待。下面从中国桥梁现现状和台湾海峡所所需要的桥梁方案案之间的差距进行行讨论。二.桥梁方案构造采用北线平潭至桃桃园线路，8车道，汽车超20，车速80km/h。平潭一侧地质为为花岗岩，桃园一一侧为砂页岩，水水深为40m~60m，但不超过80m。水深小于40m的桥为引桥，水深深40m以上为主桥。1．引桥方案引桥方案水深在40m以下，上部构造梁梁桥（跨度50m~250m），斜拉桥（跨度度200m~1000m）均可。基础从桩桩基到沉井均可，，技术上已成熟，，建议方案如图。。2．主桥方案在有把握的基础上上，海上跨径要做做尽可能的大，上上部结构选3300m悬索桥，在墨西拿拿海峡已经过工程可可行研究性研究视视为是可行的，我我国悬索桥的目前前水平是1500m，从设计理论上，，施工工艺上已成成熟。国外能做到到，中国也能做到到。况且有墨西拿拿海峡大桥的例子子在先，设计施工工不会有原则性困困难。主桥的下部基础大大多数水深是40m~60m，少数是水深80m。当前南京三桥基础础是在水深50m左右，已经建成，，距离我们目标60m至多80m已经不远。当然在在海上施工与在长长江上施工不一样样，必须认真对待待。从东海大桥海海上施工经验来看看，一年365天只有180天可以水面上施工工，只要沉箱定位位好，以后在沉箱箱内作业，则可风风浪无阻地进行。。从上面主桥的上部部构造与下部基础础的技术水平看，，我国当前的水平平与我们所需要的的桥梁水平尚有一一定差距，但也并并不遥远，今距离离开工日期尚有相相当长的时间，应应该利用这时间，，朝着我们所需的的水平迎头赶上。。三.关键技术1．80m水深基础施工工艺艺当前我国水平已达达到50m水深，无论嵌岩，，不嵌岩都需研究究。2．结构保证大震不不倒，可修复倒了一个，主桥全全部倒塌，须认真真解决。不仅计算算过关，构造上要要得到保证。3．风作用下保持车车辆高速运行跨度3300m的墨西拿海峡大桥桥采用传统的悬索索桥构造形式，尽尽管这方案已被通通过，但台湾海峡台风频频繁，必须构造上上采取措施进行改改进，使得绝大多多数情况下，车辆辆能高速行驶。（例：举塔可玛桥桥及伦敦千禧桥例例,风障及雾）4．钢缆更换技术主桥长100公里左右，钢束长长期处于海上，如如果在小范围内钢钢束由于防腐不慎慎发生锈蚀，将导导致100公里桥全部倒塌。。为此在设计上必须须像斜拉桥一样有有索可更换技术，，防止由于防腐不