國外橋樑發展的動向和趨勢論文

國外橋樑發展的動向和趨勢論文

  摘要: 隨著公路建設的高潮,我國橋樑的技術也得到了飛速發展,但是不可否認,很多發達國家橋樑技術的發展比我們早幾十年,瞭解那些發達國家橋樑發展的動向和趨勢,對於指導我國目前橋樑的發展有很重要的意義。

  關鍵詞:橋樑

  1、跨徑不斷增大

  目前,鋼樑、鋼拱的最大跨徑已超過500m,鋼斜拉橋為890m,而鋼懸索橋達1990m。隨著跨江跨海的需要,鋼斜拉橋的跨徑將突破1000m,鋼懸索橋將超過3000m。至於混凝土橋,梁橋的最大跨徑為270m,拱橋已達420m,斜拉橋為530m。

  2、橋型不斷豐富

  本世紀50~60年代,橋樑技術經歷了一次飛躍:混凝土梁橋懸臂平衡施工法、頂推法和拱橋無支架方法的出現,極大地提高了混凝土橋樑的競爭能力;斜拉橋的湧現和崛起,展示了豐富多彩的內容和極大的生命力;懸索橋採用鋼箱加勁梁,技術上出現新的突破。所有這一切,使橋樑技術得到空前的發展。

  3、結構不斷輕型化

  懸索橋採用鋼箱加勁梁,斜拉橋在密索體系的基礎上採用開口截面甚至是板,使梁的高跨比大大減少,非常輕穎;拱橋採用少箱甚至拱肋或桁架體系;梁橋採用長懸臂、板件減薄等,這些都使橋樑上部結構越來越輕型化。

  以下分別就各種橋型,進行簡述。

  梁橋

  梁橋仍然是最常用的一種橋型,目前,國外跨徑在15m以下,用鋼筋混凝土梁橋;以上則用預應力混凝土梁橋;跨徑25-40m,往往用結合梁橋或預彎預應力梁橋。從50年代德國首次採用平衡懸臂施工法修建跨徑114.2m的Worms橋以後,混凝土梁橋也用於大跨徑橋樑。最大的混凝土梁橋,國外是跨徑270m的巴拉圭Asuncion橋。

  鋼樑橋一般用於大跨徑,尤其是桁架樑,用於特大跨徑。最大的鋼桁梁橋,是跨徑549m的加拿大魁北克橋,為懸臂樑橋,公鐵兩用。

  1、混凝土連續梁和連續剛構橋有了快速發展。

  交通運輸的迅速發展,要求行車平順舒適,多伸縮縫的T型剛構已經不能滿足要求,因而連續梁和連續剛構得到了迅速發展。

  連續梁的不足之處是需用大噸位的盆式橡膠支座,養護工作量大。連續剛構的結構特點是梁保持連續,梁墩固結。既保持了連續梁行車平順舒適的優點,又保持了T型剛構不設支座減少養護工作量的優點。

  2、預應力應用更加豐富和靈活

  部分預應力在公路橋樑中得到較廣泛的採用。不僅允許出現拉應力,而且允許在極端荷載時出現開裂。其優點是,可以避免全預應力時易出現的沿鋼束縱向開裂及拱度過大;剛度較全預應力為小,有利於抗震;並可充分利用鋼筋骨架,減少鋼束,節省用鋼量。

  體外預應力得到了應用與發展。體外預應力早在本世界20年代末就開始應用,70年代後應用多了起來。體外配索,可以減小截面尺寸,減輕結構恆載,提高構件的施工質量;力筋的線型更適合設計要求,其更換維修也較方便。加固橋樑時用體外索更是方便。著名的美國Longkey橋,跨徑36m,即是採用了體外索。

  大噸位預應力應用增加。現在不少橋樑中已採用每束500t的預應力索。預應力索一般平彎,錨固於箱梁腋上,可以減小板件的厚度,減輕自重,區域性應力也易於解決。

  無粘結預應力得到了應用與發展。無粘結預應力在國外50年代中期廣泛用於建築業,美國目前樓板中,99%採用現澆無粘結預應力。無粘結預應力結構施工方便,無需孔道壓漿,修復容易,可以減小截面高度;荷載作用下應力幅度比有粘結的預應力小,有利於抗疲勞和耐久效能。

  雙預應力,即除用預張拉預應力外,還採用了預壓力筋,使梁的載面在預拉及預壓力筋作用下工作。簡支梁雙預應力梁端部的區域性應力較大,後來日本將預壓力筋設在離端部一定距離的上緣預留槽中,而不是錨在梁端部,使區域性應力問題趨於緩和。

  國外還較多應用預彎預應力梁。預彎預應力梁是在鋼工字樑上,對稱加兩集中力,澆築混凝土底板,卸除集中力,這樣底板混凝土受到預壓,然後再澆築腹板和頂板混凝土。有的國家如日本已有澆築好底板的梁體作為商品供應。

  3、箱梁內力計算更切合實際

  對於箱梁,必要時需考慮約束扭轉、翹曲、畸度、剪滯的內力。由於剪滯的影響,箱梁頂底板在受彎情況下,其縱向應力是不均勻的,靠箱肋處大,橫向跨中處小。配筋時要用有效寬度。目前已按試驗結果,將縱向應力按多次拋物線分佈,得出實用結果。

  箱梁溫差應力的計算。箱梁由於架設方向及環境的不同,會承受不同的溫差。溫差應力必須考慮,在特定的情況下,溫差應力很大,甚至超過荷載應力。因此,必須按照現場可能出現的溫差,計算內力,加以組合,進行配筋。

  按施工步驟計算恆載內力。按結構的最終體系計算恆載內力,往往並不是實際的內力。必須按照施工順序,逐階段地進行計算,在計算中考慮混凝土齡期不同的徐變收縮影響。這樣,既得到了各施工階段的控制內力,又得到了結構形成時的內力和將來的內力。同樣,也必須考慮施工順序步驟計算撓度,並反算得到預拱度。

  4、施工方法豐富先進

  近年來懸臂施工法中懸拼的應用有所增加。各節段間帶有齒檻,塗環氧,使連線良好,並增大抗剪能力。可以縮短工期,特別是利用吊裝能力大的浮吊時,可加大節段長度,則更能加快施工進度。國外懸拼最大的橋為跨徑182.9m的澳CaptainCook橋。頂推施工法也處在不斷髮展過程,一開始是集中頂推,兩則各用一個千斤頂推動,而且用豎向千斤頂以使水平千斤頂回程。以後發展成為多點頂推,使頂推力與摩阻力平衡,使頂推法可用於柔性墩,同時也不使用豎向千斤頂。在這以後,又有下列發展:

  (1)用環形滑道,不必喂氟板。

  (2)支座設在樑上,不需頂推後重行設定。

  (3)拉索錨具可自動開啟或閉鎖。梁前進時錨定,千斤回程時自動開啟。

  (4)在橫向中央設一個滑道,避免兩側滑道時必須兩側同步,特別適用於平曲線梁的頂推。

  目前,頂推施工法不僅用於直線梁,而且用於豎曲線上的梁,以及平曲線上的梁。香港曾把頂推法成功地使用在處在切線、緩和曲線和R=430m圓曲線的樑上,把線形用最接近的圓曲線來模擬,其差值藉調整箱頂板的懸臂長度來補償。同時因為超高的不同,箱梁腹板的高度也是變化的;在處於3%縱坡和豎曲線的梁,則使板底保持同一個縱坡而改變箱高。因此,箱梁幾何尺寸、澆築平臺的模板系統大為複雜,但勝利建成,為頂推法提供了新的經驗。

  80年代,逐跨拼裝法在國外得到較多的應用。美國LongKey橋101孔,每孔36m,用可移動桁架,用浮吊將梁塊件放在桁架上就位,一次張拉,完成整孔,每週完成三孔。

  斜拉橋

  自1955年瑞典建成第一座現代斜拉橋--跨徑186.2m的Stromsund橋以來,至今已有40多年了,斜拉橋的發展,方興未艾,具有強烈的勢頭,並開始出現多跨斜拉橋。結構不斷趨於輕型化;從初期的鋼斜拉橋,發展為混凝土梁、結合梁和混合式斜拉橋。跨徑不斷增大:已建成最大跨徑斜拉橋為跨徑856m法國Normandy橋,跨徑890m的日本多多羅橋正在建設中,跨徑1000m以上的斜拉橋在不久的將來即會出現。

  1、斜拉橋的發展階段

  斜拉橋的發展,經歷了以下三代:

  (1)用環形滑道,不必喂氟板。

  (2)支座設在樑上,不需頂推後重行設定。

  (3)拉索錨具可自動開啟或閉鎖。梁前進時錨定,千斤回程時自動開啟。

  (4)在橫向中央設一個滑道,避免兩側滑道時必須兩側同步,特別適用於平曲線梁的頂推。

  目前,頂推施工法不僅用於直線梁,而且用於豎曲線上的`梁,以及平曲線上的梁。香港曾把頂推法成功地使用在處在切線、緩和曲線和R=430m圓曲線的樑上,把線形用最接近的圓曲線來模擬,其差值藉調整箱頂板的懸臂長度來補償。同時因為超高的不同,箱梁腹板的高度也是變化的;在處於3%縱坡和豎曲線的梁,則使板底保持同一個縱坡而改變箱高。因此,箱梁幾何尺寸、澆築平臺的模板系統大為複雜,但勝利建成,為頂推法提供了新的經驗。

  80年代,逐跨拼裝法在國外得到較多的應用。美國LongKey橋101孔,每孔36m,用可移動桁架,用浮吊將梁塊件放在桁架上就位,一次張拉,完成整孔,每週完成三孔。

  橋樑基礎

  基礎尤其是大跨徑橋樑的深水基礎,往往需要解決施工技術上的許多難點,也往往是控制整個橋樑工程進度的關鍵工程,其費用也佔橋樑造價相當大的比重。

  近年來,國外都修建了不少跨越大江大河、甚至跨越海灣的深水基礎,取得了很大的成績與不少新經驗:大直徑鋼管樁、大直徑混凝土灌注樁和空心樁、複合基礎均得到較廣泛的採用,地下連續牆已開始在橋樑基礎中採用,超大的沉井也已經出現並順利設定或下沉。這一切都標誌著,橋樑基礎工程技術已取得了很大的發展。

  下面按基礎的主要型別進行介紹。

  1、大直徑鋼管樁、柱

  具有施工工藝簡便、速度快,可沉入很深土層等優點,近年來發展很快,日本大量採用。

  大直徑鋼管樁用作摩擦樁,經歷兩個階段:初期一般在管內澆築混凝土,以防止鋼管的鏽蝕。這樣做也會帶來一些不利影響:需在管內取土,而對提高樁的承載能力作用不大;增大了樁的剛度,在地震時使樁頂受力增大;增加了施工難度與造價。

  以後逐漸傾向於管內不填混凝土,由於管內土存在閉塞效應,因此鋼管樁的承載能力比鋼管外壁土壤摩阻力要增大不少。而閉塞效應的機理目前還不很清楚,因此往往透過靜載試驗來確定其承載力。具體例項如,日本跨徑240m的濱名大橋每主墩採用49根直徑1.6m鋼管樁,組成水上承臺。 在沖刷深、覆蓋層較薄時,往往將鋼管樁沉至巖面鑽孔嵌巖,成為管柱基礎。這時往往用混凝土填實。如日本主跨為220m及185m的內海大橋,水中四個深水墩均採用直徑2m的鋼管柱基礎

  2、大直徑鑽孔灌注樁

  大直徑灌注樁具有承載力大、剛度大、施工快、造價省的優點。國外很多采用直徑2~4m的大直徑鑽孔樁;而且往往採用擴孔方法,直徑可達3~4m,而在日本橫濱港橫斷大橋-跨徑460m的鋼斜拉橋的基礎中,將多柱基礎嵌巖擴孔至直徑10m,是目前世界最大的嵌巖直徑。

  在連續結構、尤其是連拱或連續斜拉橋設計中,剛度起關鍵作用,以減少下部構造的水平位移,減少由此引起的附加內力。這時樁基水平向承載力不控制設計,而是剛度控制設計,大直徑灌注樁具有非常明顯的優勢。

  3、沉井

  沉井基礎承載能力大,剛度大,可以適用於深水,但體積龐大,隨著樁基的廣泛採用,沉井的應用範圍有所減少。不過在特大跨徑的橋樑中,沉井仍為主要基礎型式之一。

  在大跨徑橋樑的深水基礎中,底節多采用浮式鋼殼沉井,用雙壁空心結構,浮運至墩位,灌水落床,再澆築混凝土,接高下沉,直至設計標高。日本明石海峽大橋,最大施工水深60m,兩主塔分別採用直徑80m和78m、高70m和67m的浮式鋼殼沉井,壁厚12m,分為16個艙,是目前規模最大的橋樑沉井基礎。其特點是設定沉井,用大型抓鬥挖泥船開挖至海底支承地基,整平岩基,再用切削機磨平,然後設定沉井,在其周圍拋石進行沖刷防護,最後沉井內進行水下混凝土施工。日本瀨戶大橋也用同樣方法施工。

  4、複合基礎

  將樁或管柱與沉井組合的一種深水基礎。沉井下到一定深度,封底,然後鑽孔,將沉井內的樁嵌巖,沉井封底與樁或柱共同受力。

  其優點是:

  i)可以降低承臺的高度。

  ii)可提供樁的施工場地。

  iii)適應性強,尤其適應在巖面標高差異很大以及落差較大的河流。

  iv)沉井可作防撞設施,保護樁及墩身。

  日本跨徑420m的公鐵兩用斜拉橋--櫃石島橋3#墩巖面傾斜,水深近20m,採用46×29×30.5m鋼殼設定沉井與16根4m直徑的灌注樁組合的複合基礎。

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