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1、现代大跨度桥梁理念与实践 谈上海地区大跨度桥梁设计与建造 林元培,1.理念 现代桥梁工程总是与若干基本理念息息相关，并相互影响。即桥型结构；材料的进展；现代结构分析；施工工艺；大跨度桥的推进。,1.1 桥型结构 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：,（,）表示支承构造受压，桥面构造受压，一般称为斜腿刚架。,1.1.1
2、 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。,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,1.1.1 拱桥体系,（0,）表示支承构造受弯，桥面构造受压，一般称为简支梁桥,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,1.1.2 梁桥体系,（0,）表示支承构造受弯，桥面构造受拉，一般称为悬臂梁桥,1.1.2 梁桥体系,（,+）表示支承构造受拉，桥面构造受压，一般称为斜拉桥 比如说自锚式吊桥亦属斜拉桥,1.1.3 悬吊体系,（,0）表示支承构造受拉，桥面构造受弯，一般称为悬索桥,1.1.3 悬吊体系,尽管桥
3、梁可能有千姿百态，但从力学观点来看只有三大体系：即拱桥体系，梁桥体系，悬吊体系。而每种体系中其桥面构造只有三种可能受力即或受压力，或受弯曲，或受拉力。所以桥型一切可能的排列只有九种，除第九种桥型（,），表示支承构造受拉，桥面构造受拉，正在探索中，尚未变成可使用的实际桥梁。其他八种桥型都已变为现实。,当前桥梁工程中所用的材料为石、木、混凝土、钢筋、低合金钢、钢材、高强钢丝、高碳纤维。钢筋与混凝土相结合成钢筋混凝土构件克服了抗拉能力差的缺点，成了很好的梁柱构件。高强钢丝与钢筋混凝土相结合克服了钢筋混凝土有徐变收缩的缺点可以制造出与钢构件相竞争的构件。钢材杆件由于其重量轻，强度高，施工简单，在土建工
4、程中一向有很大市场。最新一种材料是高碳纤维其应用正在发展中，其有强度高，重量轻的优点但价格十分昂贵，在工程中未能大量推广，多应用于混凝土构件的修补和维护。随着生产工艺改进，工程中不断推广，加大需求量，其价格会逐步降下来。由上述材料可构成前面八种桥型，但构不成第九种桥型，犹如没有高强钢丝就构不成斜拉桥一样。,1.2 材料的进展,用计算机和有限单元法可算出任何结构在考虑P-影响后的最大应力和最大位移。近代大跨度桥梁计算结构表明，这最大位移往往不能满足使用要求，这只能通过新的桥型和新的材料去解决。,1.3 现代结构分析,在桥梁跨度不大时，起重能力不大时容易安装，即使是混凝土构件在支架上现场浇筑也可建
5、成。但当在大江大河上建筑桥梁时，就不可能搭支架去浇筑，也没有那么大的起吊设备去吊装，必须要提出一套可操作的安装工艺，在不妨碍河道上的船舶通行情况下，一段段安装制造直至合龙。这一套安装工艺往往归结为一套设备或措施，其费用称之为施工措施费。,1.4 施工工艺,整个桥的造价大体上就是材料费加制作费加施工措施费等等。一套好的施工工艺将占有较小的施工措施费。桥梁的尺寸个性很强，这一套措施设备施工完了以后在下一座桥梁中往往难于重复利用，所以深入地研究施工工艺及其设备，降低施工措施费是设计施工中重大的课题。挂兰悬臂浇筑工艺，它的施工图式在该阶段施工应力与在该阶段结构所能提供的承载应力大体上是协调的，结果用很
6、小的挂兰代价去施工，其施工措施费很低，最后总造价也很低。,1.4 施工工艺,再比如用顶推法施工砼连续梁桥，虽然梁高要设计得稍高一点，但是它的施工阶段应力与该阶段梁体所能提供的承受应力大体上协调。最后只化了一些制作平台，千斤顶及梁的代价，施工措施费大为降低，总造价也随之下降。梁桥体系如此，悬吊体系也是如此，唯独拱桥系统不大协调，如何以最少的设备把各施工阶段的应力与该阶段结构能提供的承受应力相协调是拱桥系统技术进步的方向。,1.4 施工工艺,每一种桥型与相应的材料相结合可形成大跨度桥梁，但跨度必有极限。例如预应力混凝土连续梁跨度到300米左右，几乎到了极限，然而许多桥型跨度目前还远未达到极限，需要
7、我们在构造、施工工艺方面再创新，去走向极限，去取得巨大的经济利益（切注意风险与利益共存）。在未达到极限之前，总是用当前该桥型的世界纪录跨度作为方案比较的根据。跨度推进的原动力是经济利益的需要，斜拉桥在努力追赶悬索桥就是一个例子。,1.5 大跨度桥的推进,理念与具体工程相结合，在上海实践了斜拉桥、拱桥与梁桥。2.1 斜拉桥的实践2.1.1 斜拉桥设计建造的准备工作 在建造南浦大桥之前已经设计建造了若干斜拉桥,2实践,2.1.1.1 泖港大桥，跨度200米,泖港大桥,锚头试验,其工作要点为：A.建立了斜拉桥结构分析，设计施工一体化及施工控制整套程序。B.建立悬臂施工工艺过程。C.锚头及钢索制造。泖
8、港大桥建成于1981年。,2.1.1.1 泖港大桥，跨度200米,吊梁施工,悬臂施工,2.1.1.2 上海恒丰北路立交桥，跨度76米,恒丰北路立交桥,锚头试验,其工作要点为：A.锚头改进及张拉设备制造。B.钢管桩基础设计与加载试验。恒丰北路立交桥建成于1989年。,2.1.1.2 上海恒丰北路立交桥，跨度76米,钢索张拉,其工作要点为：A.提出品字型施工方法，解决大型箱型断面的混凝土悬臂浇筑工艺。B.钢索工厂化生产集中力量攻关，于1989年建成。,2.1.1.3 石门大桥,石门大桥,品字型施工工艺,石门大桥为单塔单索面斜拉桥，跨度为220m230m，若能建成，意味着能建成460m斜拉桥。,2.
9、1.2 南浦大桥设计建造实践,南浦大桥鸟瞰图,1989年上海开发浦东，建设南浦大桥，跨度为423m。,由于上述三座斜拉桥的建成，使得设计建造南浦大桥在技术上已成为可能。最后方案是叠合梁斜拉桥，针对当时国际上叠合梁斜拉桥出现的问题，在南浦大桥上对梁索的节点构造、预应力构造及施工工艺进行大幅度改进。1991年建成上海南浦大桥。,2.1.2 南浦大桥设计建造实践,南浦大桥夜景,2.1.3 杨浦大桥设计建造实践,杨浦大桥,杨浦大桥,杨浦大桥跨度602m，建成时为世界第一大跨度纪录的斜拉桥。,由于跨度大，桥面建筑高度小，通过理论研究计算证明，这602m斜拉桥结构总体是稳定的；为提高抗风能力，索采用空间索
10、布置，钻石型塔；索与塔锚固首次采用预应力构造，1993年建成杨浦大桥。,2.1.2 南浦大桥设计建造实践,索塔预应力锚固,钻石型塔,为降低造价，边孔采用预应力连续梁构造，中孔仍为叠合梁构造，关键是叠合梁与混凝土预应力梁交接处节点设计及沉降处理。徐浦大桥于1997年建成。,2.1.4 徐浦大桥设计建造实践,徐浦大桥,8车道桥面,徐浦大桥为跨度590m斜拉桥，8车道。,2.2 拱桥设计建造实践,卢浦大桥,卢浦大桥鸟瞰,卢浦大桥为跨度550m的全钢构造拱桥，是当今世界上第一大跨度纪录拱桥，是二十一世纪的作品。在上海黄浦江上已经有了三座斜拉桥，这第四座造什么样的桥是大家十分关切的问题。当初连续造三座斜
11、拉桥主要原因是造价最低，这新桥要不要考虑景观造型的因素，最后由投标结果决定。投标的方案有斜拉桥、悬索桥、拱桥，最后是拱桥方案中标。,2.2 拱桥设计建造实践,做什么样的拱桥也是重要的议题。在当代有两座大跨径拱桥可供参考，一是澳大利亚悉尼海湾桥，跨度为503m，建于上世纪三十年代；另一座是美国西弗吉尼亚州的新河谷桥，跨度为518m，建于上世纪70年代，这两座大桥都是桁架结构拱桥，特点是小型杆件在工厂制造，在现场采用小起重设备拼装栓接，这种工艺是上一世纪产物，在二十世纪末，施工工艺已有很大进步，有很高的焊接水平，可以焊接制造足够大断面的拱肋，这一根拱肋可以抵上几十根小型杆件的受力，会导致桥梁杆件数
12、量大幅度减少，使得桥梁外形简洁流畅。虽然巨大的断面会引起施工起吊与安装上的困难，但对当前国内水平而言，已无实质性困难。,2.2 拱桥设计建造实践,拱脚安装,拱悬臂施工,拱悬臂施工,拱悬臂施工,2.2 拱桥设计建造实践,合拢段在驳船上起吊,合拢段起吊,合拢段施工,桥面板施工,最后一块桥面板起吊,2.1.4 2.2 拱桥设计建造实践,桥面拉索,桥尾锚固端构造,此外，上海是软土地基为解决拱的巨大水平推力，必须采用中承式拱桥，在桥面上设置强大的钢索群，以平衡推力。,2.1.4 2.2 拱桥设计建造实践,卢浦大桥2003年建成。,卢浦大桥建成,东海大桥为上海洋山港与上海南汇相连接的大桥，跨外海长32km
13、，除少数斜拉桥、钢构桥外，绝大多数是70m混凝土连续梁,2.3 梁桥设计建造实践,东海大桥,2.3 梁桥设计建造实践,围堰,工作要点是：3年半内与洋山港同步建成，然而大桥常在大风大浪中施工，一年中只有180天可以施工操作，故必须大规模构件预制、大吨位船吊以及成熟的海上施工工艺，由此产生了施工工艺决定设计工作的理念，一反过去设计决定施工的理念。,桩基,2.3 梁桥设计建造实践,墩身安装,墩身预制,箱梁预制,预制箱梁,2.3 梁桥设计建造实践,箱梁安装,箱梁运出预制场,2.3 梁桥设计建造实践,斜拉桥施工,东海大桥建成,东海大桥于2005年建成。,3.展望,中国桥梁已走出黄河、长江、洞庭湖，正走向海峡，拱桥应改革施工工艺向跨度800m推进，与斜拉桥竞争，斜拉桥由于不需要锚锭，应尽力去取代悬索桥，当前苏通大桥跨度已超过千米，跨度仍应继续推进。我们有海峡大桥在期待，悬索桥应向3500m以上推进。还需要轻质、高强，高弹性模量的材料出现，推动第九种桥型的产生。,谢 谢,
