韩学良的桥梁结构与技术

桥梁工程与技术

08房建1班韩学良 200810701038

1、桥梁结构工程的分类

按结构分类，按结构体系分类是以桥梁结构的力学特征为基本着眼点，对桥梁进行分类，以利于把握各种桥梁的基本特点，也是桥梁工程学习的重点之一。以主要的受力构件为基本依据，可分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥五大类。

1.1、梁式桥

主梁为主要承重构件，受力特点为主梁受弯。主要材料为钢筋混凝土、预应力混凝土，多用于中小跨径桥梁。简支梁桥合理最大跨径约20米，悬臂梁桥与连续梁桥合宜的最大跨径约60-70米。优点：采用钢筋砼建造的梁桥能就地取材、工业化施工、耐久性好、适应性强、整体性好且美观；这种桥型在设计理论及施工技术上都发展得比较成熟。缺点：结构本身的自重大，约占全部设计荷载的30%至60%，且跨度越大其自重所占的比值更显著增大，大大限制了其跨越能力。

1.2、拱式桥

拱肋为主要承重构件，受力特点为拱肋承压、支承处有水平推力。主要材料是圬工、钢筋砼，适用范围视材料而定。跨径从几十米到三百多米都有，目前我国最大跨径钢筋砼拱桥为170米。优点：跨越能力较大；与钢桥及钢筋砼梁桥相比，可以节省大量钢材和水泥；能耐久，且养护、维修费用少；外型美观；构造较简单，有利于广泛采用。缺点：由于它是一种推力结构，对地基要求较高；对多孔连续拱桥，为防止一孔破坏而影响全桥，要采取特殊措施或设置单向推力墩以承受不平衡的推力，增加了工程造价；在平原区修拱桥，由于建筑高度较大，使两头的接线工程和桥面纵坡量增大，对行车极为不利。

1.3、钢架桥

钢架桥是一种桥跨结构和吨台结构整体相连的桥梁，支柱与主梁共同受力，受力特点为支柱与主梁刚性连接，在主梁端部产生负弯矩，减少了跨中截面正弯矩，而支座不仅提供竖向力还承受弯矩。主要材料为钢筋砼，适宜于中小跨度，常用于需要较大的桥下净空和建筑高度受到限制的情况，如立交桥、高架桥等。优点：外形尺寸小，桥下净空大，桥下视野开阔，混凝土用量少。缺点：基础造价较高，钢筋的用量较大，且为超静定结构，会产生次内力。

1.4、斜拉桥

梁、索、塔为主要承重构件，利用索塔上伸出的若干斜拉索在梁跨内增加了弹性支承，减小了梁内弯矩而增大了跨径。受力特点为外荷载从梁传递到索，再到索塔。主要材料为预应力钢索、混凝土、钢材。适宜于中等或大型桥梁。优点：梁体尺寸较小，使桥梁的跨越能力增大；受桥下净空和桥面标高的限制小；抗风稳定性优于悬索桥，且不需要集中锚锭构造；便于无支架施工。缺点：由于是多次超静定结构，计算复杂；索与梁或塔的连接构造比较复杂；施工中高空作业较多，且技术要求严格。

1.5、悬索桥

主缆为主要承重构件，受力特点为外荷载从梁经过系杆传递到主缆，再到两端锚锭。主要材料为预应力钢索、混凝土、钢材，适宜于大型及超大型桥梁。优点：由于主缆采用高强钢材，受力均匀，具有很大的跨越能力。缺点：整体钢度小，抗风稳定性不佳；需要极大的两端锚锭，费用高，难度大。

2、现代桥梁工程的主要创新技术

2.1、新材料及连接技术

（1）高性能钢材HRS-460-700-1100（中国Q345-370-420），德、美等国20世纪50一90年代；

（2）高性能混凝土HPC-80-100-130-150（中国C40-50-60）, 法、德、美等国,20世纪50-90年代；

（3）高强螺栓连接, 美、德等国, 金门大桥的加固中首次采用,1951年；

（4）粗钢筋锚Dywidag,德国DSL公司,Worms桥,1953年

（5）封闭索(Lock-coil),德国Tiessen公司,早期斜拉桥使用Stronsdund,桥,1955年（6）VSL夹片锚,瑞士VSL公司,1958年

（7）钢绞线群锚, 法国Muller,Brottone桥,1977年

（8）HiAm冷铸徽头锚,德国Leonhardt,Flehe桥,1979年

（9）PE护套平行钢丝成品索,日本新日铁公司,名港西大桥,1983年

（10）FRP复合材料, 瑞士、德、美、日,20世纪70-90年代

（11）大行程伸缩缝,瑞士、德国,日本明石海峡桥,20世纪70-90年代

（12）碳纤维拉索,瑞士、日本,20世纪90年代

（13）组合结构新型剪力器（PBL）,德国Leonhardt，日本鹤见航道桥,1994年

（14）超高强钢丝,1860-2000（中国1600-1770），日本新日铁公司,明石海峡大桥,1998年。

2.3、创新结构构造及附属设备

（1）各向异性钢桥面,德国Leonhardt,Koeln-Mannheim桥,1948

（2）大直径钻孔灌注桩基础,意大利Morandi,委内瑞拉桥Maracaibo,1962年

（3）软土地基摩擦锚旋, 丹麦,小海带桥,1970年

（4）分体箱桥面抗风构造,英国Brown,20世纪80年代

（5）桥梁纵向缓冲装置, 美、英,20世纪90年代

（6）悬索桥主缆除湿装置,日本,明石海峡大桥,1998年

（7）全装配式三向预应力桥,法国Muller,JMI国际公司,泰国曼谷机场高架路,1999年（8）加筋土隔震基础,法国Combault,希腊Rion-Antirion桥,2003年

（9）剪力键抗震塔柱,美国T.Y.Lin国际公司邓文中,旧金山新海湾大桥,2007年。

2.3、创新方法及装备

（1）挂篮悬浇工法,德国Finsterwalder,Worms 莱茵河桥,1953年

（2）斜拉桥施工控制的“倒退分析法”,德国Leonhardt,Theodor Heuss 桥,1957年（3）顺推法, 德国Leonhardt, 奥地利阿格尔桥,1959年

（4）移动模架现浇法, 德国勒沃库森（Lever Ku Sen）桥,1959年

（5）移动托架拼装法, 德国Wittfoht,Krahnenberg桥,1961年

（6）预制节段架桥机拼装法, 法国Muller,Oleron高架桥,1964年

（7）前置式轻型挂篮悬浇法, 美国邓文中,Danes Point桥,1988年

（8）悬索桥主缆PPWS法, 日本, 南备赞桥, 1988年

（9）整体化大型浮吊安装,9000t大天鹅号浮吊, 丹麦瑞典联合建造厄勒松海峡大桥,2000年

（10）连续斜拉桥顶推施工, 法国Virlogeux,Millau桥,2004年。

2.4、创新理论及分析方法

（1）计算机技术和有限元分析理论

1946年世界上第一台电子计算机“埃尼阿克”诞生,1981年世界上第一台个人电脑问世,

电子计算机的应用大大促进了人类文明的进步。1943年,Courant首先用了单元概念;1945-1955年,Argyris发展了结构矩阵分析,1956年Clough将结构矩阵分析思路引人弹性力学分析,并于1960年首先提出“有限元法”的名称,并在20世纪60年代逐步形成和完善。一大批数学家、力学家和工程师在这一领域内作出了重要贡献。

（2）抗震理论

20世纪初,旧金山和关东大地震两次灾难引起了工程界对结构抗震研究的重视。工程界在地震基础理论、强震记录、模型试验、分析理论方面开展了基础性研究工作。1940年后,结构抗震研究进人迅速发展时期。1943年,Biot发表了以实际地震记录求得的加速度反应谱;20世纪50-70年代,以美国Housner、Newmark、Clough和日本武藤清为代表的一批学者进行了结构弹性和弹塑性动力反应时程分析方面的研究工作,奠定了现代反应谱抗震设计理论的基础;20世纪70年代Newmark、Park、Paulay等提出抗震结构延性设计概念;20世纪90年代中期, 美国、日本学者先后提出了基于性能的抗震设计方法。

（3）抗风理论

1940年塔科马悬索桥在低风速下发生的风毁事故开启了全面研究大跨度桥梁风致振动和气动弹性理论的序幕, 美国T.Von Karman等开展了桥梁模型风洞试验。抗风理论研究从20世纪60年代逐步形成和完善。Davenport提出采用统计数学的方法来进行风工程研究,创造性地解决了随机抖振问题,并将风效应表示成等效风荷载形式;Scanlan建立了桥梁颤振理论和考虑颤振作用力的颤抖振理论;20世纪90年代计算流体力学有了显著进步,目前已能解决均匀流、简单形体、低雷诺数下的数值模拟计算问题。

（4）非线性及稳定理论

十九世纪末, 科学家发现固体力学线性理论在许多情况下并不适用,开始了对非线性力学问题的研究。1988年,Melan首次提出挠度理论并应用于悬索桥分析;二十世纪中,奠定了非线性力学的理论基础;1959年,Newmark咖首先提出了求解非线性动力问题的Newmark-β法；20世纪60年代初,Turner、Brotton等开始发表求解结构大位移、初应力间题的研究成果，20世纪60年代末,有限元法与计算机相结合, 使工程中的非线性伺题逐步得以解决。

在稳定方面,欧拉1744年提出了压杆稳定的著名公式恩格塞和卡门等根据大量中长压杆在压曲前已超出弹性极限的事实,分别提出了切线模量理论和折算模量理论。20世纪50年代起, 逐渐形成空间弹塑性稳定理论。

（5）健康监测及振动控制理论

1969年,Lifshitz和Rotern所写的论文被视为阐述通过动力响应监测评估结构健康状态的现代结构健康监测理念的第一篇论文;1987年起,英国在总长522m的三跨连续钢箱梁桥桥上布设传感器监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应,该系统是最早安装的较为完整的健康监测系统之一。

20世纪60年代, 线性系统理论、现代控制理论的进展为结构主动振动控制奠定了理论基础;1972年姚治平结合现代控制理论,提出了土木工程结构振动控制的概念,开创了结构振动主动控制研究的新阶段;1973年加拿大多伦多电视塔首次安装了被动控制式的调谐质量阻尼器;1989年日本东京京桥成和大楼第一次采用了主动控制式的主动质量阻尼器。结构控制研究经历了被动控制及主动控制理论研究、主动控制装置应用研究等阶段。

（6）车桥藕合振动及船撞理论

20世纪初,克里洛夫、铁摩辛柯等人用解析法开展了移动常量力过桥时桥梁动力响应的研究, 随后夏仑开普、英格利斯、毕格斯等人进一步研究了移动质量和弹簧质量模型过桥的桥梁动力响应,这些研究可统称之为古典车桥振动理论。20世纪60年代后, 有限元理论的出现和计算机的逐步广泛应用以及西欧一些国家相继开始了高速铁路的修建使车桥祸合振动理论和试验迅速发展。现代车桥振动研究计算模型更加精细逼真,计算理论从平面转向空间

发展,车桥之间的动力相互作用和藕合关系得到较为深人的研究,分析的桥型也从过去梁桥扩展到拱桥、斜拉桥、悬索桥等复杂桥型。研究成果已开始应用于高速铁路桥梁的设计以及桥梁规范相关条文的制定。

船撞桥问题的系统研究始于20世纪80年代,IABSE、AASHTO、Eurocode等组织或规范中已经制订了专门的设计规范或指南,国内外多座大型桥梁中也设置了各式各样的防撞设施。但目前该领域研究还不成熟,研究集中在设计思想、防护策略、船撞力计算及防护设施设计等方面。

（7）耐久性分析理论

1960-1970年代,混凝土的耐久性问题被发现,成为世界瞩目的问题。Holland于1993年对耐久性给出如下定义在正常维护条件下,经过一段时间,材料和结构的承载能力和使用性能没有发生大的变化的能力。国内一般定义为结构在设计要求的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。近年来耐久性方面的研究在材料层次主要集中在大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀问题研究方面,在构件层次主要集中在锈蚀钢筋混凝土构件的受力性能研究方面,在结构层次主要集中在调查、评估等方法方面。目前该领域内的研究热点包括耐久性计算机数值模拟分析系统、耐久性基础试验、基于全寿命的混凝土桥梁设计方法等方面。

3、现代桥梁工程及技术的未来

1945年二战结束标志着以技术和计算机应用为特征的现代桥梁工程的开始,至今我们已经经历了第一个60年。从前面介绍的60年来现代桥梁工程的约60项创新技术可以看出,和战前相比,现代桥梁技术有了巨大的进步,其中高性能材料、有限元法及计算机分析软件、施工工法及大型自动化施工装备等方面的创新,显示出现代桥梁的设计更为精细,施工更为优质和高效,养护管理的监测技术也日益先进。

在20世纪的最后十年中,有许多国际桥梁会议都以展望20世纪作为主题。2006年6月,美国土木工程师学会在弗吉尼亚州兰德斯敦市举行了一次“土木工程未来峰会”,形成了一份展望“2025年的土木工程”的报告。会议文件呼吁全世界土木工程同行一起努力采取行动,为21世纪初期的土木工程创造一个更为美好的明天。

桥梁工程是土木工程的重要分支学科,我们是否也可以仿照近代土木工程的分期认为：19450-1980年是现代桥梁工程的奠基时期；1980-2010年是进步时期,20世纪50-70年代创造的许多新技术在世纪末20年的跨海工程和超大跨度桥梁的冲刺中得到了充分地应用和发展；2010年后,现代桥梁工程将进人成熟期,在这一发展的转折时刻,我们也需要展望一下桥梁工程师在今后二十年的行动目标和肩负的重要使命。