盘点全球最流行桥梁结构的施工新技术

桥梁,指的是为道路跨越天然或人工障碍物而修建的建筑物。桥梁一般由上部结构、下部结构和附属构造物组成,上部结构主要指桥跨结构和支座系统;下部结构包括桥台、桥墩和基础;附属构造物则指桥头搭板、锥形护坡、护岸、导流工程等。全球最流行桥梁结构体系主要有梁桥、拱桥、刚架桥、悬索桥、斜拉桥,那么它们主要的施工新技术有哪些呢?

  梁桥

  梁桥一般建在跨度很大,水域较浅处,由桥柱和桥板组成,物体重量从桥板传向桥柱。它是我国古代最普遍、最早出现的桥梁,古时称作平桥。它的结构简单,外形平直,比较容易建造。把木头或石梁架设在沟谷河流的两岸,就成了梁桥。梁桥为桥梁的基本体系之一,使用广泛,在桥梁建筑中占有很大比例,其上部结构可以是木结构、钢结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构或钢筋混凝土桥面板和钢梁的组合结构。

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                                                                  梁桥效果图

 

梁桥(BeamBridge)以受弯为主的主梁作为承重构件的桥梁。主梁可以是实腹梁或桁架梁。实腹梁构造简单,制造、架设和维修均较方便,广泛用于中、小跨度桥梁,但在材料利用上不够经济。桁架梁的杆件承受轴向力,材料能充分利用,自重较轻,跨越能力大,多用于建造大跨度桥梁。按照主梁的静力体系,分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥。

  简支梁桥:主梁以孔为单元,两端设有支座,是静定结构。一般适用于中、小跨度,结构简单,制造、运输和架设均甚方便,多做成标准设计,以便于构件生产工艺工业化、施工机械化,提高质量,降低造价。。如洛阳黄河桥(67孔跨径50米,全长3429米,1977年建成)。郑州黄河桥(28孔跨径20米、62孔跨径50米、47孔跨径40米,全长5550米,1986年建成)、开封黄河桥(31孔跨径20米、77孔跨径50米,全长4475米,1989年建成)均为公路预应力混凝土T形简支梁桥。

  连续梁桥:主梁若干孔为一联,连续支承在几个支座上,是超静定结构。当跨度较大时,采用连续梁较省材料,更适合用悬臂拼装或悬臂灌筑、纵向拖拉或顶推法施工。如京石公路永定河桥,为预应力混凝土箱形连续梁,1988年建成;武汉长江大桥、南京长江大桥为钢桁架连续梁桥。

  悬臂梁桥:上部结构由锚固孔、悬臂和悬挂孔组成,悬挂孔支承在悬臂上,用铰相联。有单悬臂梁桥(三跨构成,中跨较大以满足通航要求)和双悬臂梁桥(可构成多跨的长大梁桥)。如陕西省咸阳渭河桥(主跨174米,全长448米,1954年建成)为钢筋混凝土悬臂梁桥。

  拱桥

  拱桥一般建在跨度较小的水域之上,桥身成拱形,一般都有几个桥洞,起到泄洪的功能,桥中间的重量传向桥两端,而两端的则传向中间。中国的拱桥始建于东汉中后期,已有一千八百余年的历史。它是由伸臂木石梁桥、撑架桥等逐步发展而成的。在形成和发展过程的外形都是曲的,所以古时常称为曲桥。

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拱桥造型优美

拱桥,造型优美,曲线圆润,富有动态感。在竖直平面内以拱作为结构主要承重构件的桥梁。arch在容器内的粉料层中如果形成能承受上方粉料的压力而不将此压力传递给下方的面,此面即称为拱桥。拱桥是向上凸起的曲面,其最大主应力沿拱桥曲面作用,沿拱桥垂直方向的最小主应力为零。在重力作用下进行的粉料流出过程中可能反复出现拱桥的形成和崩解过程,此种拱桥称为动拱桥。

  拱桥是我国最常用的一种桥梁型式,其式样之多,数量之大,为各种桥型之冠,特别是公路桥梁,据不完全统计,我国的公路桥中7%为拱桥。由于我国是一个多山的国家,石料资源丰富,因此拱桥以石料为主。我国建造的钢筋混凝土拱桥的形式更是繁花似锦,式样之多当属世界之最,其中建造得比较多的是箱形拱、双曲拱、肋拱、桁架拱、刚架拱等,它们大多数是上承式桥梁,桥面宽敞,造价低廉。

  我国在建造钢筋混凝土拱桥的实践中进行了拱轴线优化,混凝土徐变对混凝土拱内力重分布影响、连拱计算、拱桥荷载横向分布、各种形式拱桥的设计计算理论的创立与完善、组合装配式混凝土拱桥的施工控制等研究。为了适应在软土地基上建造混凝土拱桥,提出了组合桥台形式与其计算理论。在拱桥施工方法上也有所创新:如中小跨径拱桥以预制拱肋为拱架,少支架施工为主,或采用悬砌方法;大跨径拱桥则采取纵向分条,横向分段,预制拱肋,无支架吊装,组合拼装与现浇相组合的施工方法;此外,在采用无支架转体施工方法建造拱桥方面也有不少成功的经验。

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拱桥

 

我国建造拱桥的历史要比以造拱桥著称的古罗马晚好几百年,但我国的拱桥却独具一格。形式之多,造型之美,世界少有。以承受轴向压力为主的拱圈或拱肋作为主要承重构件的桥梁,拱结构由拱圈(拱肋)及其支座组成。拱桥可用砖、石、混凝土等抗压性能良好的材料建造;大跨度拱桥则用钢筋混凝土或钢材建造,以承受发生的力矩。

  按拱圈的静力体系分为无铰拱、双铰拱、三铰拱。前二者为超静定结构,后者为静定结构。无铰拱的拱圈两端固结于桥台,结构最为刚劲,变形小,比有铰拱经济,结构简单,施工方便,是普遍采用的形式,但修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础。双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承,结构虽不如无铰拱刚劲,但可减弱桥台位移等因素的不利影响,在地基条件较差和不宜修建无铰拱的地方,可采用双铰拱桥。三铰拱则是在双铰拱的拱顶再增设一铰,结构的刚度更差些,拱顶铰的构造和维护也较复杂,一般不宜作主拱圈。

  拱桥按结构形式可分为板拱、肋拱、双曲拱、箱形拱、桁架拱。拱桥为桥梁基本体系之一,一直是大跨径桥梁的主要形式。拱桥建筑历史悠久,20世纪得到迅速发展,50年代以前达到全盛时期。古今中外名桥(如赵州桥、卢沟桥、悉尼港桥、克尔克桥等)遍布各地,在桥梁建筑中占有重要地位,适用于大、中、小跨径的公路桥和铁路桥,更因其造型优美,常用于城市及风景区的桥梁建筑。

  刚架桥

  刚架桥一般用于跨径不大的城市桥或公路高架桥和立交桥,是一种介于梁与拱之间的一种结构体系,它是由受弯的上部梁(或板)结构与承压的下部柱(或墩)整体结合在一起的结构。由于梁和柱的刚性连接,梁因柱的抗弯刚度而得到卸荷作用,整个体系是压弯结构,也是有推力的结构。

 

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刚架桥

刚架桥的受国特点是:(1)梁墩柱刚性连接,梁因墩柱的抗弯而卸载,整个体系是压弯结构,也是有推力结构。(2)刚架桥的桥下净空比拱桥大,在同样净空要求下可修建较小的跨径。(3)刚架桥施工较复杂,一般用于跨度不大的城市或公路的跨线桥和立交桥。(4)采用预应力混凝土和悬臂施工的刚架桥,己成为大跨度桥梁竞争方案之一。

  带拉杆形式刚架桥为方便采用悬臂施工,并且减少跨中正弯矩和挠度值,做成两端带拉杆的结构形式,施工时可在端部临时压重。T形刚构的,桥跨结构的上部梁在墩上采用两边平衡悬臂施工,首先形成一个T字形的悬臂结构.然后相邻的两个T形悬臂在跨中可用剪力铰或跨径较小的挂梁联成一体,称为带铰或带挂孔的T形刚构。

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刚架桥图示

门式刚架桥:简称门架桥,其腿和梁垂直相交呈门架形。腿所受的弯矩将随腿和梁的刚度比率的提高而增大。用钢或钢筋混凝土制造的门架桥,多用于跨线桥。至于T形刚构桥(特点是在跨中有铰),及将腿做成V形两撑杆与梁刚性相连的连续梁桥,其外形均与多跨的门架桥相近,但内力分布规律则不同(见预应力混凝土桥)。门架桥可分:①单跨门架桥。用钢制造时,腿脚常设铰,形成两铰门架(图a)。用钢筋混凝土制造时,腿脚可设铰;也可和基础固结,形成固端单跨门架桥(图b),主要用于地质良好处。②双悬臂单跨门架桥。将梁的两端悬伸至门腿之外,在悬伸端加平衡重(图c)或在悬伸端和腿脚间设置预应力拉杆(图d),可使梁的支承截面产生较大的负弯矩,以降低梁的跨中正弯矩,相应地降低梁高,有利于修建跨线桥。③多跨门架桥(图e)。多用于跨度不大的跨线桥。④三跨两腿门架桥(图f)。这种桥在两端设有桥台,采用预应力混凝土时,可将跨度做得较大。例如,美国1981年在休斯敦航道上修建的公路桥。

  斜腿刚架桥:刚架腿是斜置的,两腿和梁中部的轴线大致呈拱形(图g),这样,腿和梁所受的弯矩比同跨度的门式刚架显著减小,而轴向压力有所增加。同上承式拱桥相比,这种桥不需要拱上结构,构件数目较少;当桥面较窄(如单线铁路桥)而跨度较大时,可将其斜腿在桥的横向放坡,以保证桥的横向稳定。著名的预应力混凝土斜腿刚架桥有:联邦德国霍雷姆铁路桥(1953年,腿铰跨度85.5米),中国邯(郸)长(治)铁路浊漳河桥(1981年,脚铰跨度82.0米),法国圣米歇尔公路桥(1957年,按墩的中心距计的分跨为1×60+5×65.2米)等。著名的钢斜腿刚架桥有:卢森堡阿尔泽特公路桥(1965年,脚铰跨度234.1米),南斯拉夫内雷特瓦铁路桥(1966年,100米),法国马蒂格公路桥(1972年,210米),意大利斯法拉沙(Sfalasha)公路桥(1972年,376米),及中国安康汉江铁路桥等。

 

悬索桥

  悬索桥是如今最实用的一种桥,桥可以建在跨度大、水深的地方,由桥柱、铁索与桥面组成,早期的悬索桥就已经可以经住风吹雨打,不会断掉,吊桥基本上可以在暴风来临时岿然不动。

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悬索桥

悬索桥,又名吊桥(suspensionbridge)指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索(或钢链)作为上部结构主要承重构件的桥梁。其缆索几何形状由力的平衡条件决定,一般接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆,把桥面吊住,在桥面和吊杆之间常设置加劲梁,同缆索形成组合体系,以减小活载所引起的挠度变形。悬索桥的构造方式是19世纪初被发明的,许多桥梁使用这种结构方式。现代悬索桥,是由索桥演变而来。

  悬索桥中最大的力是悬索中的张力和塔架中的压力。由于塔架基本上不受侧向的力,它的结构可以做得相当纤细,此外悬索对塔架还有一定的稳定作用。假如在计算时忽视悬索的重量的话,那么悬索形成一个双曲线。这样计算悬索桥的过程就变得非常简单了。老的悬索桥的悬索一般是铁链或联在一起的铁棍。现代的悬索一般是多股的高强钢丝。

  假如塔架要建在水上的话,在塔架要站立的地方首先要使用沉箱来排挤软的地层,来建立一个固定的地基。假如下面的岩石层非常深无法用沉箱达到的话那么要使用深钻的方式达到岩石层或建立非常大的人造的混凝土地基。这个地基一直要延伸出水面。假如塔架要建在陆地上,它的地基必须非常深,在地基上用混凝土、巨石和钢结构建立桥墩。有些桥的桥墩是桥面的一部分,在这种情况下桥墩的高度至少要达到桥面的高度。

  在塔架的顶部有一个被称为鞍的光滑的结构。桥完成后这个鞍可能要被固定住。锚锭被固定在岩石中,沿着未来悬索的路径纤起一根或一组暂时的绳或线。另一股绳被悬挂在第一股绳的上方,在这股绳上一个滑车可以运行。这个滑车可以从一端的锚碇运行到另一端的锚碇。每股悬索需要一个这样的滑车,一股一般直径小于1厘米的高强度钢丝的一段被固定在一个锚碇中,另一端被固定在滑车上并被这样牵引到另一端的锚碇,然后被固定在这个锚碇上,然后滑车回到它开始的锚碇上去牵引下一股高强度钢丝或从它正所在的方向开始牵引下一股高强度钢丝。

 

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悬索桥跨径可以达到1000米以上

 

 钢丝被牵引后要进行防锈处理,这样多股高强度钢丝被牵引,连接两端的锚碇。一般这些钢丝的横截面是六角形的,它们被暂时地绑在一起,所有钢丝被牵引后它们被一个高压液压机构和其它钢丝挤压到一起,这样形成的悬索的横截面是圆形的。

  在悬索上在等距离的位置上要加上索夹,事先计算好长度的悬挂索被架在索夹上。这些悬挂索的另一端将来要固定桥面,使用专门的起重机,桥面被一块接着一块地挂在悬挂索上。这个起重机可以自己挂在悬索上或挂在特别的临时的索上。桥面可以从桥下的船上吊起或从桥的两端运到它们应该放到的地方。当所有桥面被挂上后,通过调节悬索可以使桥面达到计划的曲线。一般水面上的桥的桥面呈拱形,以便桥下船只通行。陆上的悬索桥的桥面一般是平的。桥面完成后可以进行其它细节工作,比如排水防水系统、伸缩缝、装灯、栏杆、涂漆、铺路等等。

  由于悬索桥可以充分利用材料的强度,并具有用料省、自重轻的特点,因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大,跨径可以达到1000米以上。1998年建成的日本明石海峡桥的跨径为1991米,是目前世界上跨径最大的桥梁。悬索桥的主要缺点是刚度小,在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动,需注意采取相应的措施。

  斜拉桥

  斜拉桥又称斜张桥,是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。其可使梁体内弯矩减小,降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。斜拉桥(cablestayedbridge)作为一种拉索体系,比梁式桥的跨越能力更大,是大跨度桥梁的最主要桥型。

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斜拉桥

斜拉桥是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。斜拉桥是一种自锚式体系,斜拉索的水平力由梁承受。梁除支承在墩台上外,还支承在由塔柱引出的斜拉索上。按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。

  第一座现代斜拉桥是1955年德国DEMAG公司在瑞典修建的主跨为182.6米的斯特伦松德(Stromsund)桥。目前世界上建成的最大跨径的斜拉桥为俄罗斯的俄罗斯岛大桥,主跨径为1104米,于2012年7月完工

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现代斜拉桥

2013年已建成的斜拉桥有独塔、双塔和三塔式。以钢筋混凝土塔为主。塔型有H形、倒Y形、A形、钻石形等。斜拉索仍以传统的平行镀锌钢丝、冷铸锚头为主。钢绞线斜拉索在汕头石大桥采用。钢绞线用于斜拉索,无疑使施工操作简单化,但外包PE的工艺还有待研究。

  斜拉桥的施工方法是,混凝土斜拉桥主要采用悬臂浇筑和预制拼装;钢箱和混合梁斜位桥的钢箱采用正交异性板,工厂焊接成段,现场吊装架设。钢箱与钢箱的连接,一是螺栓,二是全焊,三是栓焊结合。斜拉桥未来的发展趋势是,跨径会超过1000m;结构类型多样化、轻型化;加强斜拉索防腐保护的研究;注意索力调整、施工观测与控制及斜拉桥动力问题的研究。

  斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。目前为止建成或正在施工的斜拉桥共有30余座,仅次于德国、日本,而居世界第三位。而大跨径混凝土斜拉桥的数量已居世界第一。我国一直以发展混凝土斜拉桥为主,近几年我国开始修建钢与混凝土的混合式斜拉桥,如汕头礐石大桥,主跨518m;武汉白沙洲长江大桥,主跨618m,武汉二七长江大桥为三塔斜拉桥,两个主跨均为616米。

 

 

ailin

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