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中國現代梁橋技術的發(fā)展
2010-06-04 來源:中國橋譜


    梁橋是以受彎為主的結構,是一種最古老、最簡單實用的橋型。在中國古代,由于石材、木材的受力特性和實用長度的限制,橋梁跨徑難以突破,因此在數量上難望拱橋之項背。梁橋真正作為一種最普遍、最常用的橋型,是在工業(yè)革命的成果傳人中國之后,鋼材和混凝土材料得以廣泛使用。鋼梁橋首先出現在鐵路橋梁中,以后鋼筋混凝土、預應力混凝土成為最常用的建橋材料,特別是預應力混凝土采用無支架的平衡懸臂施工方法,使混凝土梁橋增大了跨徑,成為一種最為經濟實用的橋型,與拱橋、斜拉橋和懸索橋形成四分天下之勢。

鋼橋

  鋼桁梁橋

  鋼橋是最早出現在中國的現代梁橋。工業(yè)革命引發(fā)材料的革命,煉鋼技術的發(fā)明和普及,改變了世界的面貌,也改變了橋梁的面貌。19 世紀八十年代,出現了鋼橋,跨徑較小的橋梁采用鋼板梁或鋼工字梁,跨徑較大的則采用鋼桁架梁。1888年,在天津同時誕生了兩座鋼桁架梁橋,一座是唐(山)胥(各莊)鐵路延伸線上的薊運河橋,另一座是天津城內的金鐘橋。到20 世紀一十年代,在中國的沿海城市和鐵路上,出現了不少鋼桁架橋,單孔的為簡支梁,多孔的以簡支梁或連續(xù)梁為最多,也有少量懸臂梁橋。天津的金湯橋、金剛橋,上海的外白渡橋、浙江路橋,蘭州的黃河鐵橋都出現在這一時期。此外,在鴨綠江、松花江、黃河上,也建成了幾座多跨鋼桁架梁長橋,最長的橋梁已超過了3000 米,最大跨徑超過了160 米。但這些橋梁均為外國人所建,直到20 世紀三十年代,才出現了中國人自己設計、監(jiān)造的錢塘江大橋,這座當時最長的公鐵兩用橋建于1937 年,全長1453 米。

  中華人民共和國成立以后,為滿足經濟建設的需要,橋梁建設得以長足的發(fā)展。1957 年建成了武漢長江大橋,為公鐵兩用橋,桁梁跨徑128 米。1968 年建成的南京長江大橋,桁梁跨徑達到160 米。1969 年建成的攀枝花三堆子鐵路橋,析架跨徑達到192 米。1992 年建成的九江長江大橋,公路橋全長4460 米,鐵路橋全長7657 米,主孔桁架為剛梁柔拱的組合體系,最大跨徑216 米。鋼桁架梁橋一直是中國大型鐵路橋梁和公鐵兩用橋梁的最優(yōu)選擇。

  鋼箱梁和鋼斜腿剛構橋

  鋼箱梁和鋼斜腿剛構橋在中國修建較少,其中臺灣省的十八王橋是鋼箱梁橋中的佼佼者,此橋位于臺北地區(qū),主跨150 米,主橋長350 米,建成于1 994 年。

  斜腿剛構這種結構體系與一般的梁橋略有不同,由于斜腿的存在,具有一定的推力,可以減小跨中的彎矩,這一點卜與拱橋有些相似。但是鑒于斜腿剛構與其他剛構極近的“血緣”,因而仍放在梁橋中敘述。
中國的斜腿剛構橋極少大型橋梁,且以預應力混凝土為多,鋼箱型斜腿剛構橋更為罕見,1982 年在陜西省安康鐵路上修建的安康漢江大橋,是一座大型的鋼斜腿剛構橋,斜腿的跨徑為176 米,其鋼箱截面上梁為3x64 米。這一橋型從數量到技術水準均可稱鳳毛麟角。

混凝土梁橋

  在中國,混凝土梁橋出現在20 世紀二十年代。鋼筋混凝土梁橋同時具備混凝土抗壓和鋼筋抗拉的綜合優(yōu)勢,混凝土比天然材料更易于成型,在同等條件下,混凝土中的鋼筋用量遠遠低于鋼橋的用鋼量,造價和維護費用也低于鋼橋,因此很快成為現代橋梁的首選材料。

  在實踐中,鋼筋混凝土梁的局限性逐漸顯露。首先跨徑不能過大,一般在跨徑20 米時,即會出現裂縫,并隨運營而逐漸發(fā)展;其次是鋼筋混凝土結構發(fā)生開裂后,不可避免地會出現鋼筋銹蝕,耐久性降低,影響使用壽命。隨著高強鋼材與高強混凝土的研制成功,國外在20 世紀三四十年代,預應力混凝土技術付諸實用。所謂預應力混凝土技術,即預先用高強鋼材對混凝土梁施加預應力,以此提高混凝土抗拉能力,有效地控制裂縫,減小梁的截面和自重,并可增大跨徑。中國在20 世紀六十年代初,修建了第一座預應力混凝土梁橋。預應力混凝土的出現是混凝土橋梁建筑技術的一個質的飛躍,從材料上保證了混凝土梁橋的更大適用性。對于混凝土橋梁來說,材料的經濟性明顯優(yōu)于鋼橋,但在鋼筋混凝土橋梁出現的初期,施工方法一般采用搭滿堂支架現澆,只有少數采用預制吊裝,工廠化生產能力遠不如鋼橋,施工方法復雜,周期較長。20 世紀六十年代,中國引進了國外五十年代開始采用的無支架施工的平衡懸臂施工法,于1964 年建成了主跨50 米的窄軌鐵路橋― 河南省五陵橋,幾乎同時,又建成了江蘇省鹽城的明河大橋,這是一座主跨30 米的公路橋。平衡懸臂施工法的采用,為混凝土梁橋用于大跨徑以致特大跨徑,開創(chuàng)了新的局面,確保了梁橋作為最常用、最經濟的橋型,而居于各類橋梁的首位。

   混凝土簡支梁橋

  簡支梁橋是梁式橋中出現最早,結構最簡單,架設最方便的橋式,梁件搭設在兩個橋墩之間,墩梁之間以支座支承,鄰孔的梁在同一墩上分別搭設,單獨受力,互不連接。中國古代的木梁橋、石板橋大多都是簡支梁橋,與現代簡支梁橋在結構上的區(qū)別只是沒有墩梁之間的支座。

  簡支梁橋的梁斷面一般在20 米以下時,采用空心板;20 米以上時,以T 梁最為普遍,也采用工字梁,箱型梁、槽型梁等。

  20 世紀六七十年代,中國修建的鋼筋混凝土簡支梁橋,T 型梁最大跨徑為20 米,個別也有修至30 米甚至更大一些的,而且當時已有T 型梁標準圖。但使用表明,即使是20 米的簡支梁,開裂也比較嚴重。目前,一般都采用預應力混凝土結構。

  預應力混凝土簡支梁的廣泛使用,尤其是跨徑30 至50 米的T 型梁的標準圖推廣,造就了較大跨徑的簡支梁橋。在黃河上修建了幾座跨徑50 米的長橋,如洛陽黃河大橋、鄭州黃河大橋和開封黃河大橋,都是T 型簡支梁橋;1988 年建成的浙江省瑞安飛云江大橋,跨徑組合為為18 x51 + 5 x62 十14x 35 米,是中國著名的簡支梁橋;最大的公路簡支梁橋是1997 年建成的云南省昆明市南過境干線的主橋,跨徑達63 米,是目前最大的簡支箱型梁公路橋。但是,過大跨徑的簡支梁,勢必造成梁件過于粗重,既增加了造價,又加大吊裝重量,失去了簡支梁經濟實用、架設簡便的優(yōu)點,因此,不到萬不得已,簡支梁的跨徑一般都設計在40 米以內。

  隨著高速公路的發(fā)展,為了提高簡支梁橋的行車舒適性,許多橋梁采用了連續(xù)橋面,如上述的洛陽、鄭州、開封等地的黃河大橋都采取了這一措施?,F在,出于對橋梁耐久性和行車舒適的考慮,在跨徑20 米及以上者,提倡結構連續(xù)。
 

混凝土懸臂梁橋

  由于簡支梁橋在跨徑上的局限,為獲得更大的跨徑,懸臂梁橋應運而生。懸臂梁是指從橋墩或橋臺伸出懸臂,在兩個懸臂之間架設簡支梁,減小跨中的正彎矩,而在支座的梁上承受負彎矩。達到增加跨徑的目的。在中國古代的石木梁橋中有不少成功的實例。

  上海市早在1922 年建成廠中國第一座鋼筋混凝土懸臂梁橋― 西藏路橋,最大跨徑36 . 58 米。1927 年又修建了河南路橋,最大跨徑37 . 64 米。20 世紀五六十年代,又參照蘇聯圖紙,建造了一批鋼筋混凝土懸臂梁橋,最大的跨徑33 米。1964 年廣西壯族自治區(qū)建成的南寧邕江橋,主橋7 孔跨徑達55 米,顯然大大超過了同時代的簡支梁橋,是中國最大的鋼筋混凝土懸臂梁橋。

  但是,鋼筋混凝土懸臂梁橋,開裂較嚴重,懸臂部分與支承掛梁的牛腿也較易開裂。預應力混凝土材料出現后,也有少量預應力混凝土懸臂梁的實例,如成昆鐵路孫水河5 號橋,跨徑32.3 + 64 . 6 + 32 . 3 米,天津市獅子林橋,跨徑24 + 45 + 24 米。但即使是預應力混凝土技術的介人也沒能改變懸臂梁橋被T 型剛構橋代替的命運,從歷史的角度來看,它是一種簡支梁和T 型剛構之間的過渡橋型。
 

鋼筋混凝土連續(xù)梁橋

  鋼筋混凝土連續(xù)梁是指梁體在數孔內均為連續(xù)構件,即將簡支梁梁體在橋墩支點處連成一體,以支座支承梁體。數個橋墩與一個連續(xù)梁體的組合稱“一聯”,長橋可以由多聯組成。

  鋼筋混凝土連續(xù)梁的采用,是為了加大跨徑,減小梁的高度,一般用在地基較好的場合,避免因墩臺沉降不均而產生很大的附加內力。

  預應力混凝上連續(xù)梁的采用,可以保持橋面平整,無伸縮縫,可以采用無支架懸臂方法施工。1978 年建成的河北省灤縣灤河大橋,是第一座設計抗震烈度為10 度的連續(xù)梁橋。八十年代后,預應力技術從單向預應力發(fā)展到雙向、三向,并采用大噸位預應力體系,推動了梁橋的迅速發(fā)展,跨徑逐步增大,1985 年建成的湖北省沙洋漢江大橋,主跨首次突破100 米,達到111 米。以后相繼修建了很多跨徑100 米以上的特大橋。2000 年建成的南京長江第二大橋北汊橋,主跨為3 x 165 米,是中國最大跨徑的預應力混凝土連續(xù)梁橋。

  20 世紀七十年代起,中國開始用頂推法修建混凝土連續(xù)梁橋,在臺后設制梁平臺,澆筑一段,即用千斤頂往前頂推一段,直至建成。為減小最大懸臂時的彎矩,梁前端設導梁。頂推法施工的連續(xù)梁橋,跨徑一般在50 米及以下。福建省丘墩大橋采用永久性撐架墩,已把頂推跨徑增大至67 米。如設臨時墩,跨徑更可增大,湖南省的湘潭二橋采用這一方法,將跨徑增大至90 米。頂推法只需較小的施工場地,可以全天候施工并確保質量。

  首次運用逐孔澆筑法修建連續(xù)箱梁橋的是福建省的廈門大橋,全長為46 x45 米,分成5 聯。用可在墩上滑移的整孔鋼模架,一次澆筑一孔,其結合部位一般選在彎矩較小處。澆筑完一孔,達到強度后,張拉預應力鋼束,模架前移,再澆筑下一孔。連續(xù)梁橋克服了簡支梁橋整體性差,橋面接縫多,跨徑小的缺點,為混凝土梁橋在現代橋梁中爭得了一席重要地位。
 

混凝土剛構橋

  剛構橋是指橋墩與主梁完全固結的一種結構體系,是梁橋的一個重要分支。它與梁橋最大的區(qū)別在于墩和梁的連接方式。剛構橋一般都采用預應力混凝土結構,少數也有鋼結構,如前文提到的安康漢江鐵路橋。
 

T型剛構

  T 型剛構是最接近梁橋,確切地說是最接近簡支梁和懸臂梁的剛構體系。它的懸臂部分與橋墩固結,兩個橋墩的懸臂之間設剪力鉸將兩懸臂連接,或搭設掛梁,在美國,干脆將掛梁的T 型剛構稱為錘頭墩簡支梁,不僅形象而且也道出了T 型剛構與梁橋的淵源。

  T 型剛構是與平衡懸臂施工法結合而出現的,跨徑比簡支梁橋大得多。1968 年建成的廣西壯族自治區(qū)柳州大橋,主跨達124 米;1971 年建成的福建省福州烏龍江大橋,主跨達144 米;1977 年臺灣省也建成主跨150 米的帶鉸T 型剛構橋― 臺北圓山橋。20 世紀八十年代以后,T 型剛構的跨徑進一步攀升;1980 年建成的重慶長江大橋,主跨174 米。

  T 型剛構在施工中,除需懸臂施工的掛籃外,還需要吊裝掛梁的設備。在構造上,掛梁處需設伸縮縫,不利于高速行車的舒順。運營中發(fā)現,剪力鉸或掛梁處易下凹成折線,加大沖擊;剪力鉸或掛梁支承的牛腿,如懸臂梁橋的牛腿一樣易于損壞。由于這些缺點的存在,現已較少采用T 型剛構,而讓位給連續(xù)梁及連續(xù)剛構。

  T 型剛構一般采用箱形斷面。也修建了一些桁式T 型剛構。第一座預應力混凝土上承桁式T 型剛構,是河南省篙縣吳村大橋,主跨70 米。以后湖北省漢陽黃陵磯大橋和福建省福州洪山大橋,又將上承桁式T 形剛構的跨徑分別提高到90 米和110 米。下承式三角形桁式T 型剛構,橋型新穎別致,最著名的是福建省福州洪塘大橋,主跨為120 米。

  連續(xù)剛構

  T 型剛構由于存在的缺陷,先讓位于連續(xù)梁。連續(xù)梁橋面平整,但施工時須將墩梁臨時固結,完成后再解除固結,設放支座,即需作結構體系轉換。同時大噸位支座的養(yǎng)護特別是更換非常困難。20 世紀八十年代后期,逐步被連續(xù)剛構所取代。連續(xù)剛構是在T 型剛構基礎上,中跨完全保持連續(xù),不用掛梁或剪力鉸。既保持了橋面平順的優(yōu)點,又避免了連續(xù)梁需改變結構體系與設大噸位支座的缺點,在中國得到了很快的發(fā)展。

  中國第一座大跨徑連續(xù)剛構橋,是1988 年建成的廣東省洛溪大橋,跨徑65 + 125 + 180 + 110 米,為了減少溫度變化對整體剛性結構的影響,采用了柔性較大的雙壁墩身,墩外設有用沉井制作的人工島,以防止船舶撞擊。在這座橋上,還采用了大噸位預應力體系,張拉力達4275 千牛。像T 型剛構一樣,連續(xù)剛構除箱型斷面外,也采用桁式結構,1996 年建成了福建省水口閩江大橋,是下承桁式連續(xù)剛構,跨徑達160 米,是最大的桁式連續(xù)剛構橋。

  1997 年建成的廣東省虎門大橋輔航道橋,為主跨270 米的連續(xù)剛構,而且在半徑7000 米的平曲線上。該橋的截面、板厚都比類似跨徑的國外連續(xù)剛構要小,顯示了設計水平的提高。其跨徑創(chuàng)造了當時的世界紀錄。
 

連續(xù)剛構需保持一定的墩身高度,以避免溫度內力過大。廣東省的華南大橋,主跨190 米,墩身僅高11 米,采用了懸臂端施加豎向力以后再合龍,然后卸去豎向力,預存與最大控制內力方向相反的內力,以調整內力,順利建成并安全運營。降低墩身的另一個有效方法,是將墩作成V 型,與梁固結,以減少梁的跨徑和彎矩,使結構尺寸大大減少;同時斜撐以受壓為主,可充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能,既降低了墩身高度,又提高了結構剛度。

  在橋梁很長時,為防止溫度內力過大,可采用連續(xù)剛構與連續(xù)梁的組合體系。如1993 年建成的山東省東明黃河大橋,跨徑75 十7x120 + 75 米,中間4 個墩上,墩、梁固結,其他墩上設支座。

  上述實例證明,柔性高墩身、預存反向內力、連續(xù)剛構和連續(xù)梁的組合,都是防止溫度變化對剛性結構造成危害的有效方法。這一問題的解決,使連續(xù)剛構橋的技術生命力得以增強。目前,一個連續(xù)剛構橋的建設高潮仍在繼續(xù)中,重慶、四川等地-系列跨徑200 米以上的連續(xù)剛構的建造成功,堅定了人們對這一橋型的信心??梢赃@樣認為,預應力連續(xù)剛構是大跨徑梁式橋的發(fā)展方向。
 

連續(xù)剛構,一般還是采用平衡懸臂方法施工,也有部分橋梁采用轉體施工法。由于墩梁固結,為這種施工方法提供了前提條件。利用主墩處的灘地或河流較淺的特點,在順河流方向搭支架,澆筑半個T 型剛構,然后用千斤頂,使墩身下的轉盤(或用聚四氟乙烯環(huán)道,或用球形轉盤)平面轉動的90°,使兩個T 型構件在跨中合龍,封死轉盤而成為T 型剛構或連續(xù)剛構。用這種方法施工的剛構橋,跨徑已達110 米。貴州省都拉營大橋為跨徑55 + 90 + 55 米的連續(xù)剛構,即用轉體法施工。這種施工方法,可減少空中作業(yè),對橋下通航或交通的干擾減至最小。
 

混凝土門型剛構和斜腿剛構

  門型剛構由梁及柱固結組成。梁上施加荷載時,柱參與受力,使梁跨中彎矩有所減少。目前在公路橋梁中用得較少,在立交橋中有時被采用。斜腿剛構與門型剛構的不同,在于腿作斜向設置,因而在作用荷載時產生推力,減小了梁跨中的彎矩。在上跨式立交橋中采用較多。中國最大的混凝土斜腿剛構橋,為太原至長治鐵路上的濁漳河橋,斜腿間跨徑為82 米。

鋼與混凝土組合梁橋

  隨著鋼材的豐富,類鋼與混凝土組合梁橋有較多采用的趨勢。這結構自重較輕,施工方便,混凝土受壓鋼受拉,符合材料性能。
 

結合梁橋

  用鋼工字梁,上設混凝土板,梁、板間設剪力鍵,使梁、板成為一體,共同承載。一般用在跨徑20 至40 米的梁上。

   預彎預應力梁橋

  用鋼工字梁,在L / 3 左右對稱加載,在加載情況下澆筑下緣混凝土,到達強度后卸去荷載則已澆混凝土底板受壓,相當于施加了預應力,然后圍繞工字梁澆筑腹板及頂板,成為預彎預應力梁。可以不用高強鋼材,不用預應力,即可達到同樣效果。這種結構,己在湖南省的一些立交橋中被采用,跨徑一般也在20至40米范圍。

  鋼管混凝土空間桁架連續(xù)剛構橋

  1998 年建成了湖北省稊歸縣向家壩大橋,這是中國也是世界第一座鋼管混凝土空間桁架連續(xù)剛構橋,跨徑組合為43 + 72 . 2 + 43 米,主墩采用鋼筋混凝土雙壁柔性墩身,配鋼筋混凝土長方形空心嵌巖整體基礎。上部結構為鋼管混凝土空間桁架,縱、橫向節(jié)點距3 . 8 米,下弦用鋼管混凝土,上弦用槽鋼及16 厘米厚的鋼筋混凝土橋面板,腹桿用鋼管,或灌注混凝土或不灌,視受力而定,在現場焊接成桁架節(jié)段,按Ⅱ級焊縫,然后用頂推法,將桁架頂出,直到彼岸。就位后灌注管內混凝上,并用混凝土將墩與桁架相連,形成剛架。桁架采用熱噴鋅鉛防護。建成于2001 年的重慶市萬州大橋,跨徑75 + 3 X 120 + 75 米,也為同樣類型結構。

  現代梁橋與古代梁橋最大的差異是材料的不同,并以材料的進步為基礎,衍生出許多分支,豐富和充實了梁式橋的結構體系,使最古老、最質樸的梁橋變得多姿多彩。
 


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