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中国现代梁桥技术的发展
2010-06-04 来源:中国桥谱


    梁桥是以受弯为主的结构,是一种最古老、最简单实用的桥型。在中国古代,由于石材、木材的受力特性和实用长度的限制,桥梁跨径难以突破,因此在数量上难望拱桥之项背。梁桥真正作为一种最普遍、最常用的桥型,是在工业革命的成果传人中国之后,钢材和混凝土材料得以广泛使用。钢梁桥首先出现在铁路桥梁中,以后钢筋混凝土、预应力混凝土成为最常用的建桥材料,特别是预应力混凝土采用无支架的平衡悬臂施工方法,使混凝土梁桥增大了跨径,成为一种最为经济实用的桥型,与拱桥、斜拉桥和悬索桥形成四分天下之势。

钢桥

  钢桁梁桥

  钢桥是最早出现在中国的现代梁桥。工业革命引发材料的革命,炼钢技术的发明和普及,改变了世界的面貌,也改变了桥梁的面貌。19 世纪八十年代,出现了钢桥,跨径较小的桥梁采用钢板梁或钢工字梁,跨径较大的则采用钢桁架梁。1888年,在天津同时诞生了两座钢桁架梁桥,一座是唐(山)胥(各庄)铁路延伸线上的蓟运河桥,另一座是天津城内的金钟桥。到20 世纪一十年代,在中国的沿海城市和铁路上,出现了不少钢桁架桥,单孔的为简支梁,多孔的以简支梁或连续梁为最多,也有少量悬臂梁桥。天津的金汤桥、金刚桥,上海的外白渡桥、浙江路桥,兰州的黄河铁桥都出现在这一时期。此外,在鸭绿江、松花江、黄河上,也建成了几座多跨钢桁架梁长桥,最长的桥梁已超过了3000 米,最大跨径超过了160 米。但这些桥梁均为外国人所建,直到20 世纪三十年代,才出现了中国人自己设计、监造的钱塘江大桥,这座当时最长的公铁两用桥建于1937 年,全长1453 米。

  中华人民共和国成立以后,为满足经济建设的需要,桥梁建设得以长足的发展。1957 年建成了武汉长江大桥,为公铁两用桥,桁梁跨径128 米。1968 年建成的南京长江大桥,桁梁跨径达到160 米。1969 年建成的攀枝花三堆子铁路桥,析架跨径达到192 米。1992 年建成的九江长江大桥,公路桥全长4460 米,铁路桥全长7657 米,主孔桁架为刚梁柔拱的组合体系,最大跨径216 米。钢桁架梁桥一直是中国大型铁路桥梁和公铁两用桥梁的最优选择。

  钢箱梁和钢斜腿刚构桥

  钢箱梁和钢斜腿刚构桥在中国修建较少,其中台湾省的十八王桥是钢箱梁桥中的佼佼者,此桥位于台北地区,主跨150 米,主桥长350 米,建成于1 994 年。

  斜腿刚构这种结构体系与一般的梁桥略有不同,由于斜腿的存在,具有一定的推力,可以减小跨中的弯矩,这一点卜与拱桥有些相似。但是鉴于斜腿刚构与其他刚构极近的“血缘”,因而仍放在梁桥中叙述。
中国的斜腿刚构桥极少大型桥梁,且以预应力混凝土为多,钢箱型斜腿刚构桥更为罕见,1982 年在陕西省安康铁路上修建的安康汉江大桥,是一座大型的钢斜腿刚构桥,斜腿的跨径为176 米,其钢箱截面上梁为3x64 米。这一桥型从数量到技术水准均可称凤毛麟角。

混凝土梁桥

  在中国,混凝土梁桥出现在20 世纪二十年代。钢筋混凝土梁桥同时具备混凝土抗压和钢筋抗拉的综合优势,混凝土比天然材料更易于成型,在同等条件下,混凝土中的钢筋用量远远低于钢桥的用钢量,造价和维护费用也低于钢桥,因此很快成为现代桥梁的首选材料。

  在实践中,钢筋混凝土梁的局限性逐渐显露。首先跨径不能过大,一般在跨径20 米时,即会出现裂缝,并随运营而逐渐发展;其次是钢筋混凝土结构发生开裂后,不可避免地会出现钢筋锈蚀,耐久性降低,影响使用寿命。随着高强钢材与高强混凝土的研制成功,国外在20 世纪三四十年代,预应力混凝土技术付诸实用。所谓预应力混凝土技术,即预先用高强钢材对混凝土梁施加预应力,以此提高混凝土抗拉能力,有效地控制裂缝,减小梁的截面和自重,并可增大跨径。中国在20 世纪六十年代初,修建了第一座预应力混凝土梁桥。预应力混凝土的出现是混凝土桥梁建筑技术的一个质的飞跃,从材料上保证了混凝土梁桥的更大适用性。对于混凝土桥梁来说,材料的经济性明显优于钢桥,但在钢筋混凝土桥梁出现的初期,施工方法一般采用搭满堂支架现浇,只有少数采用预制吊装,工厂化生产能力远不如钢桥,施工方法复杂,周期较长。20 世纪六十年代,中国引进了国外五十年代开始采用的无支架施工的平衡悬臂施工法,于1964 年建成了主跨50 米的窄轨铁路桥― 河南省五陵桥,几乎同时,又建成了江苏省盐城的明河大桥,这是一座主跨30 米的公路桥。平衡悬臂施工法的采用,为混凝土梁桥用于大跨径以致特大跨径,开创了新的局面,确保了梁桥作为最常用、最经济的桥型,而居于各类桥梁的首位。

   混凝土简支梁桥

  简支梁桥是梁式桥中出现最早,结构最简单,架设最方便的桥式,梁件搭设在两个桥墩之间,墩梁之间以支座支承,邻孔的梁在同一墩上分别搭设,单独受力,互不连接。中国古代的木梁桥、石板桥大多都是简支梁桥,与现代简支梁桥在结构上的区别只是没有墩梁之间的支座。

  简支梁桥的梁断面一般在20 米以下时,采用空心板;20 米以上时,以T 梁最为普遍,也采用工字梁,箱型梁、槽型梁等。

  20 世纪六七十年代,中国修建的钢筋混凝土简支梁桥,T 型梁最大跨径为20 米,个别也有修至30 米甚至更大一些的,而且当时已有T 型梁标准图。但使用表明,即使是20 米的简支梁,开裂也比较严重。目前,一般都采用预应力混凝土结构。

  预应力混凝土简支梁的广泛使用,尤其是跨径30 至50 米的T 型梁的标准图推广,造就了较大跨径的简支梁桥。在黄河上修建了几座跨径50 米的长桥,如洛阳黄河大桥、郑州黄河大桥和开封黄河大桥,都是T 型简支梁桥;1988 年建成的浙江省瑞安飞云江大桥,跨径组合为为18 x51 + 5 x62 十14x 35 米,是中国著名的简支梁桥;最大的公路简支梁桥是1997 年建成的云南省昆明市南过境干线的主桥,跨径达63 米,是目前最大的简支箱型梁公路桥。但是,过大跨径的简支梁,势必造成梁件过于粗重,既增加了造价,又加大吊装重量,失去了简支梁经济实用、架设简便的优点,因此,不到万不得已,简支梁的跨径一般都设计在40 米以内。

  随着高速公路的发展,为了提高简支梁桥的行车舒适性,许多桥梁采用了连续桥面,如上述的洛阳、郑州、开封等地的黄河大桥都采取了这一措施。现在,出于对桥梁耐久性和行车舒适的考虑,在跨径20 米及以上者,提倡结构连续。
 

混凝土悬臂梁桥

  由于简支梁桥在跨径上的局限,为获得更大的跨径,悬臂梁桥应运而生。悬臂梁是指从桥墩或桥台伸出悬臂,在两个悬臂之间架设简支梁,减小跨中的正弯矩,而在支座的梁上承受负弯矩。达到增加跨径的目的。在中国古代的石木梁桥中有不少成功的实例。

  上海市早在1922 年建成厂中国第一座钢筋混凝土悬臂梁桥― 西藏路桥,最大跨径36 . 58 米。1927 年又修建了河南路桥,最大跨径37 . 64 米。20 世纪五六十年代,又参照苏联图纸,建造了一批钢筋混凝土悬臂梁桥,最大的跨径33 米。1964 年广西壮族自治区建成的南宁邕江桥,主桥7 孔跨径达55 米,显然大大超过了同时代的简支梁桥,是中国最大的钢筋混凝土悬臂梁桥。

  但是,钢筋混凝土悬臂梁桥,开裂较严重,悬臂部分与支承挂梁的牛腿也较易开裂。预应力混凝土材料出现后,也有少量预应力混凝土悬臂梁的实例,如成昆铁路孙水河5 号桥,跨径32.3 + 64 . 6 + 32 . 3 米,天津市狮子林桥,跨径24 + 45 + 24 米。但即使是预应力混凝土技术的介人也没能改变悬臂梁桥被T 型刚构桥代替的命运,从历史的角度来看,它是一种简支梁和T 型刚构之间的过渡桥型。
 

钢筋混凝土连续梁桥

  钢筋混凝土连续梁是指梁体在数孔内均为连续构件,即将简支梁梁体在桥墩支点处连成一体,以支座支承梁体。数个桥墩与一个连续梁体的组合称“一联”,长桥可以由多联组成。

  钢筋混凝土连续梁的采用,是为了加大跨径,减小梁的高度,一般用在地基较好的场合,避免因墩台沉降不均而产生很大的附加内力。

  预应力混凝上连续梁的采用,可以保持桥面平整,无伸缩缝,可以采用无支架悬臂方法施工。1978 年建成的河北省滦县滦河大桥,是第一座设计抗震烈度为10 度的连续梁桥。八十年代后,预应力技术从单向预应力发展到双向、三向,并采用大吨位预应力体系,推动了梁桥的迅速发展,跨径逐步增大,1985 年建成的湖北省沙洋汉江大桥,主跨首次突破100 米,达到111 米。以后相继修建了很多跨径100 米以上的特大桥。2000 年建成的南京长江第二大桥北汊桥,主跨为3 x 165 米,是中国最大跨径的预应力混凝土连续梁桥。

  20 世纪七十年代起,中国开始用顶推法修建混凝土连续梁桥,在台后设制梁平台,浇筑一段,即用千斤顶往前顶推一段,直至建成。为减小最大悬臂时的弯矩,梁前端设导梁。顶推法施工的连续梁桥,跨径一般在50 米及以下。福建省丘墩大桥采用永久性撑架墩,已把顶推跨径增大至67 米。如设临时墩,跨径更可增大,湖南省的湘潭二桥采用这一方法,将跨径增大至90 米。顶推法只需较小的施工场地,可以全天候施工并确保质量。

  首次运用逐孔浇筑法修建连续箱梁桥的是福建省的厦门大桥,全长为46 x45 米,分成5 联。用可在墩上滑移的整孔钢模架,一次浇筑一孔,其结合部位一般选在弯矩较小处。浇筑完一孔,达到强度后,张拉预应力钢束,模架前移,再浇筑下一孔。连续梁桥克服了简支梁桥整体性差,桥面接缝多,跨径小的缺点,为混凝土梁桥在现代桥梁中争得了一席重要地位。
 

混凝土刚构桥

  刚构桥是指桥墩与主梁完全固结的一种结构体系,是梁桥的一个重要分支。它与梁桥最大的区别在于墩和梁的连接方式。刚构桥一般都采用预应力混凝土结构,少数也有钢结构,如前文提到的安康汉江铁路桥。
 

T型刚构

  T 型刚构是最接近梁桥,确切地说是最接近简支梁和悬臂梁的刚构体系。它的悬臂部分与桥墩固结,两个桥墩的悬臂之间设剪力铰将两悬臂连接,或搭设挂梁,在美国,干脆将挂梁的T 型刚构称为锤头墩简支梁,不仅形象而且也道出了T 型刚构与梁桥的渊源。

  T 型刚构是与平衡悬臂施工法结合而出现的,跨径比简支梁桥大得多。1968 年建成的广西壮族自治区柳州大桥,主跨达124 米;1971 年建成的福建省福州乌龙江大桥,主跨达144 米;1977 年台湾省也建成主跨150 米的带铰T 型刚构桥― 台北圆山桥。20 世纪八十年代以后,T 型刚构的跨径进一步攀升;1980 年建成的重庆长江大桥,主跨174 米。

  T 型刚构在施工中,除需悬臂施工的挂篮外,还需要吊装挂梁的设备。在构造上,挂梁处需设伸缩缝,不利于高速行车的舒顺。运营中发现,剪力铰或挂梁处易下凹成折线,加大冲击;剪力铰或挂梁支承的牛腿,如悬臂梁桥的牛腿一样易于损坏。由于这些缺点的存在,现已较少采用T 型刚构,而让位给连续梁及连续刚构。

  T 型刚构一般采用箱形断面。也修建了一些桁式T 型刚构。第一座预应力混凝土上承桁式T 型刚构,是河南省篙县吴村大桥,主跨70 米。以后湖北省汉阳黄陵矶大桥和福建省福州洪山大桥,又将上承桁式T 形刚构的跨径分别提高到90 米和110 米。下承式三角形桁式T 型刚构,桥型新颖别致,最著名的是福建省福州洪塘大桥,主跨为120 米。

  连续刚构

  T 型刚构由于存在的缺陷,先让位于连续梁。连续梁桥面平整,但施工时须将墩梁临时固结,完成后再解除固结,设放支座,即需作结构体系转换。同时大吨位支座的养护特别是更换非常困难。20 世纪八十年代后期,逐步被连续刚构所取代。连续刚构是在T 型刚构基础上,中跨完全保持连续,不用挂梁或剪力铰。既保持了桥面平顺的优点,又避免了连续梁需改变结构体系与设大吨位支座的缺点,在中国得到了很快的发展。

  中国第一座大跨径连续刚构桥,是1988 年建成的广东省洛溪大桥,跨径65 + 125 + 180 + 110 米,为了减少温度变化对整体刚性结构的影响,采用了柔性较大的双壁墩身,墩外设有用沉井制作的人工岛,以防止船舶撞击。在这座桥上,还采用了大吨位预应力体系,张拉力达4275 千牛。像T 型刚构一样,连续刚构除箱型断面外,也采用桁式结构,1996 年建成了福建省水口闽江大桥,是下承桁式连续刚构,跨径达160 米,是最大的桁式连续刚构桥。

  1997 年建成的广东省虎门大桥辅航道桥,为主跨270 米的连续刚构,而且在半径7000 米的平曲线上。该桥的截面、板厚都比类似跨径的国外连续刚构要小,显示了设计水平的提高。其跨径创造了当时的世界纪录。
 

连续刚构需保持一定的墩身高度,以避免温度内力过大。广东省的华南大桥,主跨190 米,墩身仅高11 米,采用了悬臂端施加竖向力以后再合龙,然后卸去竖向力,预存与最大控制内力方向相反的内力,以调整内力,顺利建成并安全运营。降低墩身的另一个有效方法,是将墩作成V 型,与梁固结,以减少梁的跨径和弯矩,使结构尺寸大大减少;同时斜撑以受压为主,可充分发挥混凝土的抗压性能,既降低了墩身高度,又提高了结构刚度。

  在桥梁很长时,为防止温度内力过大,可采用连续刚构与连续梁的组合体系。如1993 年建成的山东省东明黄河大桥,跨径75 十7x120 + 75 米,中间4 个墩上,墩、梁固结,其他墩上设支座。

  上述实例证明,柔性高墩身、预存反向内力、连续刚构和连续梁的组合,都是防止温度变化对刚性结构造成危害的有效方法。这一问题的解决,使连续刚构桥的技术生命力得以增强。目前,一个连续刚构桥的建设高潮仍在继续中,重庆、四川等地-系列跨径200 米以上的连续刚构的建造成功,坚定了人们对这一桥型的信心。可以这样认为,预应力连续刚构是大跨径梁式桥的发展方向。
 

连续刚构,一般还是采用平衡悬臂方法施工,也有部分桥梁采用转体施工法。由于墩梁固结,为这种施工方法提供了前提条件。利用主墩处的滩地或河流较浅的特点,在顺河流方向搭支架,浇筑半个T 型刚构,然后用千斤顶,使墩身下的转盘(或用聚四氟乙烯环道,或用球形转盘)平面转动的90°,使两个T 型构件在跨中合龙,封死转盘而成为T 型刚构或连续刚构。用这种方法施工的刚构桥,跨径已达110 米。贵州省都拉营大桥为跨径55 + 90 + 55 米的连续刚构,即用转体法施工。这种施工方法,可减少空中作业,对桥下通航或交通的干扰减至最小。
 

混凝土门型刚构和斜腿刚构

  门型刚构由梁及柱固结组成。梁上施加荷载时,柱参与受力,使梁跨中弯矩有所减少。目前在公路桥梁中用得较少,在立交桥中有时被采用。斜腿刚构与门型刚构的不同,在于腿作斜向设置,因而在作用荷载时产生推力,减小了梁跨中的弯矩。在上跨式立交桥中采用较多。中国最大的混凝土斜腿刚构桥,为太原至长治铁路上的浊漳河桥,斜腿间跨径为82 米。

钢与混凝土组合梁桥

  随着钢材的丰富,类钢与混凝土组合梁桥有较多采用的趋势。这结构自重较轻,施工方便,混凝土受压钢受拉,符合材料性能。
 

结合梁桥

  用钢工字梁,上设混凝土板,梁、板间设剪力键,使梁、板成为一体,共同承载。一般用在跨径20 至40 米的梁上。

   预弯预应力梁桥

  用钢工字梁,在L / 3 左右对称加载,在加载情况下浇筑下缘混凝土,到达强度后卸去荷载则已浇混凝土底板受压,相当于施加了预应力,然后围绕工字梁浇筑腹板及顶板,成为预弯预应力梁。可以不用高强钢材,不用预应力,即可达到同样效果。这种结构,己在湖南省的一些立交桥中被采用,跨径一般也在20至40米范围。

  钢管混凝土空间桁架连续刚构桥

  1998 年建成了湖北省稊归县向家坝大桥,这是中国也是世界第一座钢管混凝土空间桁架连续刚构桥,跨径组合为43 + 72 . 2 + 43 米,主墩采用钢筋混凝土双壁柔性墩身,配钢筋混凝土长方形空心嵌岩整体基础。上部结构为钢管混凝土空间桁架,纵、横向节点距3 . 8 米,下弦用钢管混凝土,上弦用槽钢及16 厘米厚的钢筋混凝土桥面板,腹杆用钢管,或灌注混凝土或不灌,视受力而定,在现场焊接成桁架节段,按Ⅱ级焊缝,然后用顶推法,将桁架顶出,直到彼岸。就位后灌注管内混凝上,并用混凝土将墩与桁架相连,形成刚架。桁架采用热喷锌铅防护。建成于2001 年的重庆市万州大桥,跨径75 + 3 X 120 + 75 米,也为同样类型结构。

  现代梁桥与古代梁桥最大的差异是材料的不同,并以材料的进步为基础,衍生出许多分支,丰富和充实了梁式桥的结构体系,使最古老、最质朴的梁桥变得多姿多彩。
 


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