土木工程学术前沿讲座(作业)

桥梁工程历史概况、发展现状

一、桥梁工程发展背景

七十年代以来,由于科学技术的进步,工业水平的提高,人类社会文明的发展,桥梁工程日新月异。随着时代前进的步伐,人们对桥梁建筑提出了更高的要求,对“适用、安全、经济、美观”的桥梁设计原则赋以更新的内容。例如,现在对土建结构的美学要求愈来愈高,结构物不再单纯作为满足使用要求的工程实体,而要作为一种空间艺术存在于人类社会之中,又如对环境保护的要求也愈来愈高,如防噪音、防振动、防污染等。在城市高架道路和迁回交叉建立的桥梁、几公里长的山谷桥或在山区高速公路建立的桥梁、甚至在几十公里宽的海湾和海峡建造的桥梁、以及城市郊区的高速铁路桥与导轨运输高架桥(Transit Guide way) 等,这些新型的桥梁已不再是一个单一的工程实体,而是一个宽阔的行车带,有如地上的彩虹。这些桥梁对设计、施工、艺术又提出了不同的要求。世界上各国的桥梁工作者致力寻求桥梁结构的功能和经济、美学的辨证统一,创造出不少典型桥例,推动了桥梁工程的发展。

二、从以下若千典型桥例,可看到桥梁工程的现状和发展概况。

1.英国东北海岸上的恒比尔(Humber)桥,是目前世界上跨度最大的悬索桥,在19 81 年建成,桥的主跨14 10 米,全宽28.5米。桥塔采用钢筋混凝土结构,高15 米。加劲梁为正交异性板组成的尖扁形的全焊钢箱梁,梁高仅4.5米,加劲梁的高跨比为1/313.3,而著名的美国金门大桥则为1/167.3。吊索采用双斜向布置。

在十九世纪末,美国已建成主跨为486 米的布鲁克林悬索桥。到二十世纪三十年代,悬索桥的跨度纪录就突破千米以上,如主跨为1280.2米的美国旧金山金门大桥。自1940 年达科码桥(主跨853.4米)遭受风害破坏后,对悬索桥结构的恒比尔桥气动力稳定理论作了广泛研究。在六十年代后，英国通过理论分析和风洞试验研究,提出了采用两头尖的扁平流线型的箱形断面梁代替传统的析架式加劲梁。196 年建成的塞文河桥(主跨987.6米),以后建立的丹麦小贝尔特桥(主跨60 米)、土耳其博斯普鲁斯海峡桥(主跨1074米) 以及恒比尔桥都采用此种流线型钢箱形加劲梁。这种结构不但具有良好的抗风性能,而且大量节省用钢量,外形也显得更纤细、美观。至今,悬索桥还是特大跨度桥梁的唯一结构型式。

2.西德莱茵河(位于Neuwied ) 的A字独塔钢斜拉桥,1978 年建成,桥跨为邵5.2+212 米,单索面位于横桥向中央,桥全宽为35.5米。主梁采用正交异性板钢箱梁,高2.43米。

西德在二次世界大战后,为修复大量的桥梁,从古老的斜拉桥体系发展了各种型式的近代斜拉桥。这种桥在莱茵河上尤为显眼,那里几乎是斜拉桥的“家族”所在。这种结构由于钢箱形梁。正交异性板、以及钢结构栓焊连结的发展,和近代计算技术,预应力工艺,材料性能工能力的提高,更显示了它的优越性。六十年代后,还发展了预应力混凝土斜拉桥。

目前,世界上跨度最大的钢斜拉桥(主梁为钢与混凝土桥面的复合梁)是加拿大的安娜雪丝桥,主跨465 米。跨度最大的预应力混凝土斜拉桥是西班牙的鲁娜桥,跨长440 米。

3.加拿大的安娜雪丝桥(Annaics Island Bridge) 正在建造中,预期1986年完成,桥跨465 米,桥宽32 米。桥塔采用钢筋混凝土结构,高15

4.3米。主梁采用混凝土桥面板与钢梁结构,钢梁为两片工字形梁,间距28 米,中设一小纵梁,工形梁高2米,上翼饭为35(一50 )义800m m,下翼饭为50(~80)x800m m,腹饭厚12 ~ 20m m,横梁间距4.5米,亦为工形梁。桥面结构十分轻巧,并且节省钢材。

4.西德莱茵河(位于波恩南) 的全焊钢箱梁桥,19 87 年建成。桥跨为1邵+ 250+ 125 米,主梁为正交异性板的箱梁连续结构，支承上为两窄形箱柱。钢梁桥最早采用的是饭梁结构,在十九世纪后期至二十世纪,钢析梁桥得到了很大的发展,至今还是大跨钢桥所采用的主要结构型式之一。在两次世界大战后,欧洲在修复大量桥梁时,钢饭梁有了新的发展,其一是与混凝土结合而成为复合结构,其二是采用正交异性板的空间箱形结构。这种箱形结构不但发挥了结构空间受力的优势,而且因栓焊联接构造的发展使得结构可分段在工厂预制,随后在工地快速拼装,从而大大地缩短了施工期限。我们可以从近二十年来的钢桥建设中发现,此类箱形结构为各种组合体系提供了经济、合理而又美观的梁式空间构造

三、桥梁工程发展概况

从以上一些典型桥例中可看到近二十年来的沙特阿拉伯一巴林道堤工程桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展,但桥梁的载重、跨长却是不断增长。

为了适应社会生产力发展所提出的愈来愈高的要求,需要建造大量的承受更大荷载、跨越海湾,大江等跨度和总长更大的桥梁。这就推动了桥梁结构向高强、轻型、大跨度的方向发展。在结构理论上研究更符合实际受力状态的力学分析方法与新的设计理论,充分发挥结构的潜在的承载能力,充分利用建筑材料的强度,力求工程结构的安全度更为科学和可靠,在大跨度桥梁的设计中,愈来愈重视空气动力学、振动、稳定、疲劳、非线性等研究项目的应用,并广泛应用计算机辅助设计,在施工上,力求高度机械化、工厂化、自动化,在工程管理上则力争高度科学化、自动化。

桥梁的发展还与材料的改革最为密切

直至十七世纪中期,建筑材料基本上还是只限于土、石、砖、木等材料。由于材料主要适于承压,因此采用的结构一般也比较简单,究其原因,主要是受当时尚未开展的力学.所限制。

十七世纪七十年代开始使用生铁,十九世纪初开始使用熟铁建造桥梁与房屋。由于这些材料本身存在缺点,使土木工程的发展仍然受到限制。

十九世纪中期,钢材的出现,开始了土木工程的第一次飞跃。随后又产生了高强钢丝、钢索,于是钢结构得到蓬勃发展。结构跨度从砖、石、木结构的几米,几十米跃进到百米、几百米直至千米以上,并创造了在大江、海峡上修建大桥的奇迹。

本世纪初钢筋混凝土的广泛使用,以及随后预应力钢筋混凝土的诞生,实现了土木工程的第二次飞跃。

由于水泥混凝土远比钢材价廉,施工简便,因此应用很广。但是混凝土的抗拉强度很低,人们为了改进这个缺点,因此从十九世纪五十年代起出现了钢筋混凝土这种新型的复合建筑材料,其中钢筋主要承担拉力,混凝土主要承担压力,发挥各自的优点。本世纪三十年代开始兴起了预应力混凝土,大大提高了混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力,用途更为广阔,使土木工程发生了又一次飞跃。

如上所述,随着建筑材料的飞跃,不断创造出新颖的桥梁结构型式,出现新的结构连结方式。新结构的实践必然带动桥梁设计理论的发展,寻求更合理的结构构造,创造更经济、安全适用的型式。

四、桥梁工程技术发展现状：

1设计计算理论的发展