大跨度桥梁

大跨度桥梁1.大跨度桥梁现状及未来发展趋势1.1斜拉桥斜拉桥是现代大跨度桥梁的重要结构形式，特别是在跨越峡谷、海湾、大江、大河等不易修筑桥墩和由于地质的原因不利于修建地锚的地方，往往选择斜拉桥的桥型。它的受力体系包括桥面体系，支承桥面体系的缆索体系，支承缆索体系的桥塔。斜拉桥不仅能充分利用钢材的抗拉性能、混凝土材料的抗压性能，而且具有良好的抗风性能和动力特性。它以其跨越能力大，结构新颖而成为现在桥梁工程中发展最快，最具有竞争力的桥型之一。斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。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。中国至今已建成各种类型的斜拉桥100多座，其中有52座跨径大于200米。20世纪80年代末，我国在总结加拿大安那西斯桥的经验基础上，1991年建成了上海南浦大桥（主跨为423米的结合梁斜拉桥），开创了中国修建400米以上大跨度斜拉桥的先河。我国已成为拥有斜拉桥最多的国家。今后斜拉桥的体系多以漂浮式或半漂浮为主。半漂浮式可用柔性墩或在塔上设水平拉索阻止桥面过分的漂浮，所有这些都是为了抵抗温度变形及地震。斜拉桥的发展趋势主要表现在如下几个方面：1）桥面继续轻型化，跨径继续增大，中小跨径也具有竞争力2）塔架构的多样化3）多跨多塔斜拉桥1.2悬索桥悬索桥是特大跨径桥梁的主要形式之一，除苏通大桥、香港昂船洲大桥这两座斜拉桥以外，其它的跨径超过1000m以上的都是悬索桥。如用自重轻、强度很大的碳纤维作主缆理论上其极限跨径可超过8000m。迄今为止世界上已出现三个悬索桥大国，即美国、英国与日本。全球各类悬索桥的总数已超过100座。美国在悬索桥的发展上花了将近100年的时间，技术上日趋成熟，为全球悬索桥的发展奠定了基础，并首先使悬索桥成为跨越千米以上的唯一桥型。美国的悬索桥由于出现较早，在风格上有与其时代相适应的特色，主要有一下各点：（1）主缆采用AS法架设。（2）加劲梁采用非连续的钢桁梁，适应双层桥面，并在桥塔处设有伸缩缝。（3）桥塔采用铆接或栓接钢结构。（4）吊索采用竖直的4股骑跨式。（5）索夹分为左右两半，在其上下采用水平高强螺栓紧固。（6）鞍座采用大型铸钢件。（7）桥面板采用RC构件。英国的悬索桥由于出现较晚些，顾自成流派。其主要特点如下：（1）采用流线型扁平钢箱梁作为加劲梁。（2）早期采用铰接斜吊索。（3）索夹分为上下两半，在其两侧采用垂直于主缆的高强螺栓紧固。（4）桥塔采用焊接钢结构或钢筋混凝土结构。（5）钢桥面板采用沥青混合料铺装。日本的悬索桥出现较晚，故也有其相应技术随时代进步的特色。其主要特点如下：（1）采用预制平行钢丝索股架设主缆，简称PWS法。（2）加劲梁主要沿袭美国流派的钢桁架梁型式，但近年来对非双层桥面的梁体已转向采用流线型扁平钢箱梁。（3）吊索沿袭美国流派的竖直4股骑跨式，不接受英国流派的斜吊索。（4）桥塔采用钢架构，主要采用焊接方式。（5）鞍座采用铸焊混合方式。（6）采用钢桥面板沥青混合料铺装桥面。（7）主缆索股与锚碇内钢构架采用预应力工艺锚固。1.3钢管混凝土拱桥钢管混凝土拱桥属于钢——混凝土组合结构中的一种。钢管混凝土拱桥是将钢管内填充混凝土，由于钢管的径向约束而限制受压混凝土的膨胀，使混凝土处于三向受压状态，从而显著提高混凝土的抗压强度。拱桥作为压弯结构，随着跨径的增大，高强材料的应用受到稳定问题的制约；而钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥由于自重较大，施工架设问题突出。高强材料的应用和无支架施工的困难，制约了拱桥的发展。梁式桥在采用预应力结构之后，由于预应力使得高强度的钢材和高标号混凝土得以应用，在施工方面有实现了节段施工，因而焕发了生机。钢管混凝土拱桥真正的发展是在20世纪90年代的中国。我国第一座钢管混凝土拱桥是1990年建成的四川旺苍东河大桥，跨径110m，据不完全统计，十多年来在我国己建的和在建的钢管混凝土拱桥约有200多座，其中跨径超过200m的有30多座。1995年，广东三山西大桥是第一座跨径超过200m的钢管混凝土拱桥，也是第一座飞燕式拱桥。飞燕式钢管混凝土拱桥通过张拉系杆来平衡主拱所产生的大部分水平推力，大大降低了平原或软基地区拱桥下部与基础的工程量与造价，且造型美观在我国得到了迅速发展，相继建成的有武汉市江汉五桥、江苏徐州京杭运河特大桥、南昌市生米特大桥等。尤其是建成于2000年跨径组合76+360+76的丫髻沙大桥，把这一桥型，也可以说把钢管混凝土拱桥的跨径推上了一个新的台阶。2.大跨度桥梁的结构、构造以及施工2.1斜拉桥2.1.1结构斜拉桥由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。斜拉桥结构受力特点：斜拉桥是由主梁、索塔，斜拉索及基础等组成的组合体系，在边跨内可根据需要设置辅助墩。在竖向荷载作用下，主梁受压、弯作用，索塔以受压为主，而斜拉索承受拉力。斜拉索相当于增大了偏心距的体外索，充分发挥抵抗负弯矩的能力，节约钢材。斜拉索的水平分力相当于混凝土的预压力。斜拉桥主梁受力模式上可以理解为弹性支撑连续梁，高跨比小，自重轻，提高跨径，可以实现较大的跨越能力。斜拉桥是具有较高超静定次数的复杂结构。2.1.2构造1.斜拉索斜拉索包括索体和两端的锚具两部分，索体是承受拉力，锚具是将拉力传递给主梁和索塔。斜拉索是斜拉桥的主要构件之一，因此选用良好的材料以及精心制造是非常重要的。对斜拉索有以下一些要求：（1）承载能力高（2）稳定的高弹性模量，增加结构刚度（3）紧密的横截面，易于使端部穿过预埋管道，便于防腐处理，并减小风阻力（4）高疲劳强度（5）容易防腐（6）容易操纵和安装，要求便于弯曲成盘（7）价格便宜斜拉索的种类包括：平行粗钢筋索、螺旋形钢丝绳、封闭式旋钮钢缆、平行钢丝股索与平行钢丝索，半平行钢丝索等。2.主梁斜拉桥的主梁宜在全长范围内布置成连续体系。斜拉桥的主梁形式包括：混凝土梁、钢箱梁、结合梁等。混凝土斜拉桥主梁截面有实心板截面、边箱梁截面、箱形截面、带斜撑箱形截面和肋板式截面。钢梁斜拉桥主梁截面有箱形截面、板式截面、分离式边箱截面和钢板梁截面。组合梁一般只适用于双索面斜拉桥。组合梁斜拉桥主梁截面宜采用工字形钢主梁其中加小纵梁截面形式，跨径较大时也可采用边钢箱梁截面形式。3.索塔索塔用以锚固拉索，并将其索力可靠地传递给下部结构，其形状对斜拉桥的景观至关重要。索塔施工精度要求很高，其轴线与轮廓尺寸对施工要求严格。索塔内部钢筋密集，预应力束纵横。索塔均绝大部分采用混凝土塔，也有部分采用刚塔柱。斜拉桥的混凝土塔柱可分为实体柱与空心柱。混凝土索塔应根据施工需要在索塔内配置型钢作为劲性骨架。桥塔采用钢结构的塔柱以日本最多，大多数刚塔柱的界面作成矩形空心箱式，箱式四周的各主壁板上均布置有竖向加劲梁。钢索塔国内设计较少，但已开始采用。斜拉桥钢索塔纵桥向结构形式，一般可设计成单柱形，在需要将索塔的纵向刚度设计得较大时，也可将其设计成倒V形与倒Y形。4.附属工程包括桥面铺装、支座、抽湿系统、防雷放空航道等。桥面铺装可采用沥青混凝土或水泥混凝土铺装，并应设置防水层。钢梁桥面铺装宜采用沥青混凝土铺设。桥面铺装层应与钢梁顶面有效粘结。斜拉桥应结合支座的设置方式合理选择其支座类型和限位装置。边跨端支点支座或辅助墩承受正负反力的支座应进行特殊设计。支座处应预留支座更换时放置千斤顶的空间，并对该部位加强配筋。斜拉桥主梁、索塔为钢箱梁结构时，为防止闭口钢箱结构每部发生锈蚀，宜设置内部抽湿系统。2.1.3施工斜拉桥由桥塔、主梁和斜拉索三大部分组成。各部分的结构可采用的材料和形式多种多样。因此其施工的方法也有很多种。斜拉桥的施工可以采用传统的施工方法，如支架法，还能借助斜拉索的联合作用采用悬臂法和顶推法来简化和减轻施工机具，特殊条件下跨线施工可采用平转法。大跨度全斜拉桥比较适用的事悬臂法，有时也辅以支架法。1.主塔混凝土主塔施工要点：桩基与承台→塔座施工→下塔柱施工→下横梁施工→中塔柱施工→上横梁施工→上塔柱施工→塔顶建筑施工→主塔竣工混凝土下塔柱、中塔柱、上塔柱，一般可采用支架法、滑模法、爬模法施工。钢主塔施工要点：钢主塔施工，应对垂直运输、吊装高度、起吊吨位等施工方法做充分的考虑。刚主塔应考虑工厂分段焊接加工，事先进行多段立体试拼接合格后方可出厂。主塔在现场安装，常常采用现场焊接接头、高强度螺栓连接、焊接和螺栓混合连接的方式。经过工厂加工制造和立体试拼装的钢塔，在正式安装时应予以测量控制，并及时用填板或对螺栓孔进行扩孔来调整轴线和方位，防止加工误差、受力误差、安装误差、温度误差、测量误差的积累。2.主梁斜拉桥主梁施工方法与梁式桥基本相同，大体上可分为支架法、顶推法、平转法和悬臂法。支架法有在支架上现浇、在临时支墩间设托架现浇、在临时支墩上架设预制梁段等几种施工方法。其最突出的优点是施工简单方便，能够确保结构的线型满足设计要求，但仅适用于桥下净空低、搭设支架不影响桥下的交通情况。顶推法顶推法的特点是施工时需在跨间设置若干临时支墩，顶推过程中主梁要反复承受正、负弯矩。该法较适用于桥下净空较低、修建临时支墩造价不大、支墩不影响桥下交通、抗压与抗拉能力相同能承受反复弯矩的钢斜拉桥主梁的施工。对混凝土斜拉桥主梁而言，由于拉索水平分力能对主梁提供免费预应力，如在拉索张拉前顶推主梁，临时支墩间距又超过主梁负担自重弯矩能力时，为满足施工需要，要设置临时预应力束，在经济上不合算。平转法将上部构造分别在两岸或一岸顺河流方向的矮支架上现浇，并在岸上完成所有的安装工序（落架、张拉、调索等），然后以墩、塔为圆心，整体旋转到桥位合拢。平转法适用于桥址地形平坦，墩身较矮和结构体系适合整体转动的中小跨径斜拉桥。近年来的许多跨铁路线斜拉桥，一般采用转体施工法。悬臂法悬臂施工法分为悬臂拼装法和悬臂浇筑法。悬臂拼装法是先在塔柱区现浇(对采用钢箱梁的斜拉桥为安装）一段起始梁段，主要是用于放置起吊设备，然后再用起吊设备从塔柱的两侧依次对称地拼装梁体节段。悬臂浇筑法则是在塔柱两侧用挂篮逐段对称地浇注混凝土。3.斜拉索由于伸臂架设法的开发和进步，斜拉桥可利用斜索来进行伸臂施工，索梁同时并进，甚至塔、索梁同时并进，还可利用斜索对主梁施加预应力来调整弯矩。架设后的最终状态可与成桥后所要求的线性基本吻合。斜拉索的架设包括设置锚固部件、架设斜拉索、斜拉索张拉和调整以及斜拉索防护等施工工序、斜拉索两端的锚固件应按设计要求精确定位。一般将桥塔一侧的锚固部件分批起吊就位，如为混凝土塔柱时则现在地面用钢构架作临时固定后再整体或分批起吊就位。位于主梁一侧的锚固部件，如主梁为钢架构，则在工厂内事先安装就位，可利用移动式挂篮的构架，或利用模板作支点来予以固定。2.2悬索桥2.2.1结构悬索桥正如其名称，具有从桥的一端悬挂到另一端的强大缆索。缆索“悬挂”在塔的顶部，两头由锚碇“锚固”。常规的悬索桥利用主缆及吊索组成的悬挂体系，将荷载作用传递到桥塔、锚旋。其主要组成包括加劲梁、吊杆(索）、主缆、桥塔和锚碇。加劲梁提供桥面，直接承受荷载；吊索(或称吊杆)连接主缆与加劲梁，将荷载传递给主缆；主缆以桥塔及支墩为支承，两端锚固于锚碇，将吊索传递来的荷载传递给桥塔和锚碇；桥塔支承主缆并将荷载通过基础传递给地基；锚碇锚固主缆索股，承受主缆拉力，支承于地基上，或嵌固于岩体中，分别称为重力式锚碇和隧道式锚碇。悬索桥的传力途径简洁，结构构造简单，受力明确，跨径越大，材料耗费越少，桥的造价越低。主要承载构件主缆由高强度的钢丝组成，承受拉力，材料利用效率最高。主塔主要承受压力，以及量值不大的弯矩，材料利用效率也较高。加劲梁的主要作用就是承担车辆和行人荷载，将它们传递给相邻的吊杆，因此对其刚度要求不高，可以做得相对较柔，能完成分配荷载的作用即可。一般采用竖直吊杆，加劲梁不像斜拉桥的主梁那样还要承担很大的轴向压力，因此其对悬索桥向更大跨度发展不产生制约。桥塔只有相应跨径斜拉桥桥塔高度的一半，因此稳定性更高。锚碇的大小可根据需要增加，只是工程量方面的增加，没有任