桥梁结构的发展与思考

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2005-11-15

桥梁结构的发展与思考

1、前言

自20世纪80年代我国实行改革开放以来，国民经济持续稳定发展，促进了公路、铁路和城市交通体系的建设和整备，带动了桥梁建设快速发展和进步，建成了许多有特色的拱桥、斜拉桥和悬索桥。短短20多年来我国桥梁建设成绩有目共睹，无论在数量上，建设速度上和桥梁的规模上是任何国家在同一时期无法比拟的。从而，在桥梁设计、制造和施工等方面的技术水平上有了大幅度提高，拉近了与发达国家之间的差距，步入了世界先进行列，正在建设的苏通长江大桥（主跨1088m）将是世界最大跨度的斜拉桥。

然而，在这样的快速发展过程中，由于对世界桥梁技术发展历程的认识和把握不充分，某些基础性研究未及时跟上，以及其他方面的原因，不可避免地出现了一些问题和认识上的偏向，这是今后我国桥梁建设应予关注的现象。

这里仅就桥梁结构形式的发展、桥梁建设的目标、结构演变中的优胜劣汰、我国近年来桥梁建设的主流和问题等，谈一点自己的初步认识。

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2、桥梁的发展

桥梁的发展经历了漫长的演变，不同时代都取得了太多的辉煌，也经历了许多失败和教训。概略回顾这一过程，有助于我们把握今天桥梁建设的目标和今后桥梁发展的趋向。

2.1原始的“桥”

倾倒的树木横担在小河的两岸，这就是原始的“梁桥”。

在长期水流浸蚀下，岩石下形成洞穴和河流，这就是原始的“拱桥”。 森林中连系两棵大树的树藤，这就是原始的“索桥”。

2.2现代桥梁的发展

原始社会时，人类聪明地利用了天然的原始桥，作为跨越障碍的通道，拓展了自己的活动范围，增强了在自然界的竞争力。直到17世纪以后，人造材料的突破，材料力学和结构力学的逐步发展，桥梁才可能真正以结构的形式作为跨越天然障碍的通道，并向更大的跨越能力发展。到18世纪末，人们应用更好的人造材料（砖、石、铁、铸钢等）和更完善的力学知识，开始建设更大跨度的梁桥、拱桥和索桥，从而为现代桥梁奠定了基础。直到今天，桥梁从承载的结构形式看，仍保持了与原始桥的一致性。从采用材料来看，已由高性能钢材和高性能混凝土取代了砖、石、木和铸钢。20世纪中期以后，计算机的进步，使更复杂的桥梁结构精确计算分析成为可能，并促进桥梁结构向更合理的方向发展，在梁桥、拱桥、悬索桥等基本结构形式上演变出许多新的结构形式。

（1）现代桥梁的基本结构形式及其跨越能力

①梁式桥

梁桥基本形式是板梁、箱梁、桁梁。

为增大梁式桥的跨越能力，从简支梁发展到连续梁和连续刚构。通常简支

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梁跨度在100m以内，连续梁的跨度在200m以内，目前连续钢桁梁最大跨度达510m（日本港大桥），PC连续箱梁最大跨度达301m（挪威stolmasundet桥）PC连续刚构桥最大跨度达270m（中国虎门珠江辅航道桥）。

②拱桥

拱桥的基本结构形式是无铰拱，一般跨度在200m或300m以内。现已建成的钢箱拱最大跨度达550m（中国上海卢浦桥），正在建设的钢桁拱主跨跨长达552m（中国重庆朝天门桥）混凝土拱桥最大跨度达420m（中国万县长江大桥）。

③索支撑桥梁

悬索桥是索支撑桥梁最基本的结构形式，是跨越能力最大的桥式，一般情况下跨越能力在1500m以内。已建成的悬索桥最大跨长1990m（日本明石海峡桥）。正在建设的意大利Messina海峡桥，主跨长达3300m，主缆用钢量166600t，主塔为112000t，主梁仅为66500t。由此可见，当悬索桥的跨度增加到一定长度后，现有缆索材料强度（ b

（2）桥梁的结构与材料

材料是所有工程发展的基础。桥梁从原始桥发展到现代桥梁，并演变成许多桥梁结构形式，同样与材料的发展密切相关。现代桥梁目前的主要用材是钢和混凝土，钢材强度高，延性、韧性好，但价格高，从而钢桥重量较轻、施工速度快、用于大跨度桥梁有无可替代性，然而钢材作为受压构件时，板件的压屈和构件的稳定性，以及受拉构件的疲劳性，使高强度钢材的应用受到一定的限制。混凝土材料价格低、抗压性好，但是脆性材料，几乎没有抗拉强度，因此，混凝土桥受重量大、混凝土易开裂等因素的影响，限制了其向更大跨度发展。

冷拔高强度钢丝的发展和进步是索支撑桥梁向更大跨度发展的必要条件，也使混凝土梁桥避免了受拉而开裂，使RC梁桥演变成PC梁桥，并增大了RC梁桥的跨长。但是高强度钢丝在腐蚀介质下引起的应力腐蚀疲劳断裂已造成一 2200MPa）已成为制约因素。

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定数量PC梁桥和索支撑桥梁的破坏或承载力降低。所以，人们又开始研究无腐蚀的高强度碳素纤维材料和树脂纤维材料（FRP）来替代高强度钢丝。

另外，从上世纪50年代起，人们把钢梁和混凝土板通过剪力键结合成组合梁，80年代把钢梁和混凝土梁通过纵向接头连成整体作为斜拉桥的加劲梁，发展成为今天的各种各样复合结构桥梁。这些复合结构（组合结构和混合结构的总称）很好地利用了钢材和混凝土材料各自性能上的优点，克服各自性能上的弱点，并互相支撑和约束，广泛地用于桥梁的上部结构和下部结构。

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3、现代桥梁建设的目标

3.1桥梁功能指标

何为现代桥梁？现代桥梁应具有满足其功能所必备的机能，应有足够的耐久性、良好的施工性（制造、安装）和维修性、优美的景观性、合理的经济性。而且桥梁的功能和机能应经受长期运营的检验。

下面对这些指标概念作一解释。

（1）桥梁的功能指标

满足行人、汽车或火车等安全通行，以及气体、液体和固体货物的安全自动运输。

（2）桥梁机能

①承载力

在静力作用下，结构不产生强度、稳定等破坏，在多次循环荷载作用下不产生疲劳脆断，并有一定的安全余度。

在动力（行车、风、地震）作用下，结构的动力响应及稳定性应满足要求，并有一定的安全余度。

②走行性

车辆走行安全性

乘客的舒适性

为此，要求结构具有一定的竖向、横向和扭转刚度。

（3）耐久性

①设计寿命：桥梁是数量庞大的社会资产，设计寿命应考虑100年以上。 ②使用寿命：正常维修情况下，使用寿命应大于设计寿命。

③物理化学寿命：包括混凝土的劣化寿命、钢材的腐蚀寿命，机械部件的磨损寿命及有机材料的劣化寿命等。

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④疲劳设计寿命：在循环应力作用下不产生疲劳裂纹的寿命。疲劳寿命应大于设计寿命。

（4）施工性，是指结构设计应利于制造和安装，以便确保制造和安装质量。

（5）维修性，桥梁在长期运营中，必须进行日常的和定期的维修管理，以便延长桥梁的使用寿命。因此结构设计应便于维修及加固或更换。

（6）景观性，是指人们的视觉印象和文化底蕴的结合。

①与周边环境想协调，可区分为城市桥梁、旷野桥梁和山地桥梁。

②反映地区、国家、民族的文化特点

③桥梁自身的协调性（近视和远视的视角效果）

主跨、引桥跨长比例的协调性。

墩高、跨长比例的协调性。

局部细节和构件比例的协调性。

S形线路布置是视觉效果。

桥梁自身“力度”的效果。

直线、曲线、连续性的结合。

④桥梁着装

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