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四平我國公路橋梁的發(fā)展趨勢及橡膠支座的應(yīng)用
改革開放以來,我國公路建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展,尤其是高速公路建設(shè),從無到有,現(xiàn)已建成8700km。作為公路建設(shè)重要組成部分的橋梁建設(shè)也得到相應(yīng)發(fā)展,跨越大江(河)、海峽(灣)的長大橋梁建設(shè)也相繼修建,一般公路和高等級公路上的中、小橋、立交橋,形式多樣,工程質(zhì)量不斷提高,為公路運輸提供了安全、舒適的服務(wù)。
隨著經(jīng)濟的發(fā)展、綜合國力增強,我國的建筑材料、設(shè)備、建筑技術(shù)都有了較快發(fā)展。特別是電子計算技術(shù)的廣泛應(yīng)用,為廣大工程技術(shù)人員提供了方便、快捷的計算分析手段。更重要的是我國的經(jīng)濟政策為公路事業(yè)發(fā)展提供多元化的籌資渠道,保證了建設(shè)資金來源。
我國廣大橋梁工作者,充分認識到這一可貴、難得的機遇,竭盡全力,發(fā)揮自己的聰明才智,為我國公路橋梁建設(shè)事業(yè),積極工作,多做貢獻。
結(jié)合常用的橋型談?wù)剬窐蛄喊l(fā)展趨勢的看法,不當之處,請同行指正。
一、板式橋
板式橋是公路橋梁中量大、面廣的常用橋型,它構(gòu)造簡單、受力明確,可以采用鋼筋混凝土和預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu);可做成實心和空心,就地現(xiàn)澆為適應(yīng)各種形狀的彎、坡、斜橋,因此,一般公路、高等級公路和城市道路橋梁中,廣泛采用。尤其是建筑高度受到限制和平原區(qū)高速公路上的中、小跨徑橋梁,特別受到歡迎,從而可以減低路堤填土高度,少占耕地和節(jié)省土方工程量。
實心板一般用于跨徑13m以下的板橋。因為板高較矮,挖空量很小,空心折模不便,可做成鋼筋混凝土實心板,立,F(xiàn)澆或預制拼裝均可。
空心板用于等于或大于13m跨徑,一般采用先張或后張預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。先張法用鋼絞線和冷拔鋼絲;后張法可用單根鋼絞線、多根鋼絞線群錨或扁錨,立模現(xiàn)澆或預制拼裝。成孔采用膠囊、折裝式模板或一次性成孔材料如預制薄壁混凝土管或其他材料。
鋼筋混凝土和預應(yīng)力混凝土板橋,其發(fā)展趨勢為:采用高標號混凝土,為了保證使用性能盡可能采用預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu);預應(yīng)力方式和錨具多樣化;預應(yīng)力鋼材一般采用鋼絞線。板橋跨徑可做到25m,目前有建成35~40m跨徑的橋梁。在我看來跨徑太大,用材料不省,板高矮、剛度小,預應(yīng)力度偏大,上拱高,預應(yīng)力度偏小,可能出現(xiàn)下?lián)?若采用預制安裝,橫向連接不強,使用時容易出現(xiàn)橋面縱向開裂等問題。由于吊裝能力增大,預制空心板幅寬有加大趨勢,1.5m左右板寬是合適的。
預制裝配式板應(yīng)特別注意加強板的橫向連接,保證板的整體性,如接縫處采用“剪力鍵”。為了保證橫向剪力傳遞,至少在跨中處要施加橫向預應(yīng)力。
建議中、小跨徑板橋,應(yīng)由交通行業(yè)主管部門組織編制標準圖,這樣對推動公路橋梁建設(shè),提高質(zhì)量,加快設(shè)計速度都會帶來明顯的好處。
二、梁式橋
梁式橋種類很多,也是公路橋梁中最常用的橋型,其跨越能力可從20m直到300m之間。
公路橋梁常用的梁式橋形式有:
按結(jié)構(gòu)體系分為:簡支梁、懸臂梁、連續(xù)梁、T型剛構(gòu)、連續(xù)剛構(gòu)等。
按截面型式分為:T型梁、箱型梁(或槽型梁)、衍架梁等。
梁式橋跨徑大小是技術(shù)水平的重要指標,一定程度上反映一個國家的工業(yè)、交通、橋梁設(shè)計和施工各方面的成就。
現(xiàn)從以下幾種常用的結(jié)構(gòu)形式介紹梁式橋在公路橋梁上的使用和發(fā)展趨勢。
(一)簡支T型梁橋
T型梁橋在我國公路上修建最多,早在50、60年代,我國就建造了許多T型梁橋,這種橋型對改善我國公路交通起到了重要作用。
80年代以來,我國公路上修建了幾座具有代表性的預應(yīng)力混凝上簡支T型梁橋(或橋面連續(xù)),如河南的鄭州、開封黃河公路橋,浙江省的飛云江大橋等,其跨徑達到62m,吊裝重220t。
T形梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的已經(jīng)很少了,從16m到5Om跨徑,都是采用預制拼裝后張法預應(yīng)力混凝土T形梁。預應(yīng)力體系采用鋼絞線群錨,在工地預制,吊裝架設(shè)。其發(fā)展趨勢為:采用高強、低松弛鋼絞線群錨:混凝土標號40~60號;T形梁的翼緣板加寬,25m是合適的;吊裝重量增加;為了減少接縫,改善行車,采用工型梁,現(xiàn)澆梁端橫梁濕接頭和橋面,在橋面現(xiàn)澆混凝土中布置負彎矩鋼束,形成比橋面連續(xù)更進一步的“準連續(xù)”結(jié)構(gòu)。
預應(yīng)力混凝土T形梁有結(jié)構(gòu)簡單,受力明確、節(jié)省材料、架設(shè)安裝方便,跨越能力較大等優(yōu)點。其最大跨徑以不超過50m為宜,再加大跨徑不論從受力、構(gòu)造、經(jīng)濟上都不合理了。大于50m跨徑以選擇箱形截面為宜。
目前的預應(yīng)力混凝土T形梁采用全預應(yīng)力結(jié)構(gòu),預應(yīng)力張拉后上拱偏大,影響橋面線形,帶來橋面鋪裝加厚。為了改善這些缺點,建議預制時在臺座上設(shè)反拱,反拱值可采用預施應(yīng)力后裸梁上拱值的1/2~2/3。
預應(yīng)力混凝土簡支或“準連續(xù)”T形梁,建議由交通行業(yè)主管部門組織編制一套適用的標準圖。
(二)連續(xù)箱形梁橋
箱形截面能適應(yīng)各種使用條件,特別適合于預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、變寬度橋。因為嵌固在箱梁上的懸臂板,其長度可以較大幅度變化,并且腹板間距也能放大;箱梁有較大的抗扭剛度,因此,箱梁能在獨柱支墩上建成彎斜橋;箱梁容許有最大細長度;應(yīng)力值σg+p較低,重心軸不偏一邊,同T形梁相比徐變變形較小。
箱梁截面有單箱單室、單箱雙室(或多室),早期為矩形箱,逐漸發(fā)展成斜腰板的梯形箱。
箱梁橋可以是變高度,也可以是等高度。從美觀上看,有較大主孔和邊孔的三跨箱梁橋,用變高度箱梁是較美觀的;多跨橋(三跨以上)用等高箱梁具有較好的外觀效果。
隨著交通量的快速增長,車速提高,人們出行希望有快速、舒適的交通條件,預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋能適應(yīng)這一需要。它具有橋面接縫少、梁高小、剛度大、整體性強,外形美觀,便于養(yǎng)護等。
70年代我國公路上開始修建連續(xù)箱梁橋,到目前為止我國已建成了多座連續(xù)箱梁橋,如一聯(lián)長度1340m的錢塘江第二大橋(公路橋)和跨高集海峽、全長2070m的廈門大橋等。
連續(xù)箱梁橋的施工方法多種多樣,只能因時因地,根據(jù)安全經(jīng)濟、保證質(zhì)量、降低造價、縮短工期等方面因素綜合考慮選擇。一般常用的方法有:立支架就地現(xiàn)澆、預制拼裝(可以整孔、分段串聯(lián))、懸臂澆筑、頂推、用滑模逐跨現(xiàn)澆施工等。
預應(yīng)力鋼束采用鋼絞線,可以分段或連續(xù)配束,一般采用大噸位群錨。為了減輕箱梁自重,可以采用體外預應(yīng)力鋼束。
由于連續(xù)箱梁在構(gòu)造、施工和使用上的優(yōu)點,近年來建成預應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋較多。其發(fā)展趨勢為:減輕結(jié)構(gòu)自重,采用高標號混凝土40~60號;隨著建筑材料和預應(yīng)力技術(shù)發(fā)展,其跨徑增大,葡萄牙已建成250m的連續(xù)箱梁橋,超過這一跨徑,也不是太經(jīng)濟的。大跨徑連續(xù)箱粱要采用大噸位支座,如南京二橋北汊橋165m變截面連續(xù)箱梁,盆式橡膠支座噸位達65O0kN。這種樣大噸位支座性能如何?將來如何更換等一系列問題有待研究。我國公路橋梁在100m以上多采用預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。
中等跨徑的預應(yīng)力連續(xù)箱梁,如跨徑40~8Om,一般用于特大型橋梁引橋、高速公路和城市道路的跨線橋以及通航凈空要求不太高的跨河橋。
(三)T形構(gòu)橋
這種結(jié)構(gòu)體系有致命弱點。從60年代起到80年代初,我國公路橋梁修建了幾座T形剛構(gòu)橋,如著名的重慶長江大橋和滬州長江大橋,80年以后這種橋型基本不再修建了,這里不贅述。
(四)連續(xù)剛構(gòu)橋
連續(xù)剛構(gòu)橋也是預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋之一,一般采用變截面箱梁。我國公路系統(tǒng)從80年中期開始設(shè)計、建造連續(xù)剛構(gòu)橋,至今方興未艾。
連續(xù)剛構(gòu)可以多跨相連,也可以將邊跨松開,采用支座,形成剛構(gòu)一連續(xù)梁體系。一聯(lián)內(nèi)無縫,改善了行車條件;梁、墩固結(jié),不設(shè)支座;合理選擇梁與墩的剛度,可以減小梁跨中彎矩,從而可以減小梁的建筑高度。所以,連續(xù)剛構(gòu)保持了T形剛構(gòu)和連續(xù)梁的優(yōu)點。
連續(xù)剛構(gòu)橋適合于大跨徑、高墩。高墩采用柔性薄壁,如同擺柱,對主梁嵌固作用減小,梁的受力接近于連續(xù)梁。柔性墩需要考慮主梁縱向變形和轉(zhuǎn)動的影響以及墩身偏壓柱的穩(wěn)定性;墩壁較厚,則作為剛性墩連續(xù)梁,如同框架,橋墩要承受較大彎矩。
由于連續(xù)剛構(gòu)受力和使用上的特點,在設(shè)計大跨徑預應(yīng)力混凝土橋時,優(yōu)先考慮這種橋形。當然,橋墩較矮時,這種橋型受到限制。
近年來,我國公路上修建了幾座著名的預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,如廣東洛溪大橋,主孔180m;湖北黃石長江大橋,主孔3×245m;廣東虎門大橋副航道橋,主孔270m,為目前世界同類橋中最大跨徑。
我國的預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,幾乎都采用懸臂澆筑法施工。一般采用50~60號高標號混凝土和大噸位預應(yīng)力鋼束。
現(xiàn)在,有人正準備設(shè)計300m左右跨徑的預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),在我看來,若能采用輕質(zhì)高強混凝土材料,其跨徑有望達300m左右。由于連續(xù)剛構(gòu)跨徑加大,自重隨著加大,恒載比例已高達90%以上,故片面增大跨徑,已無實際意義。此時應(yīng)考慮選擇斜拉橋或別的橋型。
三、鋼筋混凝立拱橋
拱橋在我國有悠久歷史,屬我國傳統(tǒng)項目,也是大跨徑橋梁形式之一。
我國公路上修建拱橋數(shù)量最多。石拱橋由于自重大,在料加工費時費工,大跨石拱橋修建少了。山區(qū)道路上的中、小橋涵,因地制宜,采用石拱橋(涵)還是合適的。大跨徑拱橋多采用鋼筋混凝土箱拱、勁性骨架拱和鋼管混凝土拱。
鋼筋混凝土拱橋的跨徑,一直落后于國外,主要原因是受施工方法的限制。我國橋梁工作者都一直在探索,尋求安全、經(jīng)濟、適用的方法。根據(jù)近年的實踐,常用的拱橋施工方法有:(1)主支架現(xiàn)澆;(2)預制梁段纜索吊裝;(3)預制塊件懸臂安裝;(4)半拱轉(zhuǎn)體法;(5)剛性或半剛性骨架法。
鋼筋混凝土拱橋自重較大,跨越能力比不上鋼拱橋,但是,因為鋼筋混凝土拱橋造價低,養(yǎng)護工作量小,抗風性能好等優(yōu)點,仍被廣泛采用,特別是崇山峻嶺的我國西南地區(qū)。
鋼筋混凝土拱橋形式較多,除山區(qū)外,也適合平原地區(qū),如下承式系桿拱橋。結(jié)合環(huán)境、地形,加之拱橋的雄偉、美麗的外形,可以創(chuàng)造出天人合一的景觀。例如,貴州省跨烏江的江界河橋,地處深山、峽谷,拱橋跨徑330m,橋面離谷底263m,橋面仁立,令人嘆服橋梁設(shè)計者和建設(shè)者的匠心和偉大。還有剛建成的萬縣長江大橋,勁性骨架箱拱,跨徑420m,居世界第一。廣西邕寧縣的邕江大橋,鋼管混凝土拱,跨徑312m,都是令人稱道的拱橋。
我國鋼筋混凝土拱橋的發(fā)展趨勢:拱圈輕型化,長大化以及施工方法多樣化。
值得提醒注意的是,大跨徑拱橋施工階段及使用階段的橫向穩(wěn)定性,據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)、外拱橋垮塌事故,多發(fā)生在施工階段。
四、斜拉橋
斜拉橋是我國大跨徑橋梁最流行的橋型之一。目前為止建成或正在施工的斜拉橋共有3O余座,僅次于德國、日本,而居世界第三位。而大跨徑混凝土斜拉橋的數(shù)量已居世界第一。
50年代中期,瑞典建成第一座現(xiàn)代斜拉橋,40多年來,斜拉橋的發(fā)展,具有強勁勢頭。我國70年代中期開始修建混凝土斜拉橋,改革開放后,我國修建斜拉橋的勢頭一直呈上升趨勢。
我國一直以發(fā)展混凝土斜拉橋為主,近幾年我國開始修建鋼與混凝土的混合式斜拉橋,如汕頭石大橋,主跨518m;武漢長江第三大橋,主跨618m。鋼箱斜拉橋如南京長江第二大橋南汊橋,主跨628m;武漢軍山長江大橋,主跨460m。前幾年上海建成的南浦(主跨423m)和楊浦(主跨6O2m)大橋為鋼與混凝土的結(jié)合梁斜拉橋。
我國斜拉橋的主梁形式:混凝土以箱式、板式、邊箱中板式;鋼梁以正交異性極鋼箱為主,也有邊箱中板式。
現(xiàn)在已建成的斜拉橋有獨塔、雙塔和三塔式。以鋼筋混凝土塔為主。塔型有H形、倒Y形、A形、鉆石形等。
斜拉索仍以傳統(tǒng)的平行鍍鋅鋼絲、冷鑄錨頭為主。鋼絞線斜拉索目前在汕頭石大橋采用。鋼絞線用于斜拉索,無疑使施工操作簡單化,但外包PE的工藝還有待研究。
斜拉橋的鋼索一般采用自錨體系。近年來,開始出現(xiàn)自錨和部分地錨相結(jié)合的斜拉橋,如西班牙的魯納(Luna)橋,主橋440m;我國湖北鄖縣橋,主跨414m。地錨體系把懸索橋的地錨特點融于斜拉橋中,可以使斜拉橋的跨徑布置更能結(jié)合地形條件,靈活多樣,節(jié)省費用。
斜拉橋的施工方法:混凝土斜拉橋主要采用懸臂澆筑和預制拼裝;鋼箱和混合梁斜位橋的鋼箱采用正交異性板,工廠焊接成段,現(xiàn)場吊裝架設(shè)。鋼箱與鋼箱的連接,一是螺栓,二是全焊,三是栓焊結(jié)合。
一般說,斜拉橋跨徑300~1000m是合適的,在這一跨徑范圍,斜拉橋與懸索橋相比,斜拉橋有較明顯優(yōu)勢。德國著名橋梁專家F.leonhardt認為,即使跨徑14O0m的斜拉橋也比同等跨徑懸索橋的高強鋼絲節(jié)省二分之一,其造價低30%左右。
斜拉橋發(fā)展趨勢:跨徑會超過10O0m;結(jié)構(gòu)類型多樣化、輕型化;加強斜拉索防腐保護的研究;注意索力調(diào)整、施工觀測與控制及斜拉橋動力問題的研究。
五、懸索橋
懸索橋是特大跨徑橋梁的主要形式之一,可以說是跨千米以上橋梁的唯一橋型(從目前已建成橋梁來看說是唯一橋型)。但從發(fā)展趨勢上看,斜拉橋具有明顯優(yōu)勢。但根據(jù)地形、地質(zhì)條件,若能采用隧道式錨碇,懸索橋在千米以內(nèi),也可以同斜拉橋競爭。根據(jù)理論分析,就目前的建材水平,懸索橋的最大跨徑可達到3500m左右。已建成的日本明石海峽大橋,主跨已達1990m。正在計劃中的意大利墨西拿海峽大橋,設(shè)計方案之一是懸索橋,其主跨3500m。當然還有規(guī)劃中更大跨徑的懸索橋。
懸索橋跨徑增大,如上所述當跨徑達35O0m時,動力問題將是一個突出的矛盾,所以,對特大跨橋梁,已提出用懸索橋和斜拉橋相結(jié)合的“吊拉式”橋型。在國外這種橋型目前還停留在研究之中,并未諸實施。然而,在我國貴州省烏江1997年底建成了一座用預應(yīng)力鋼纖維混凝土薄壁箱梁作為加勁梁的吊拉組合橋,把橋梁工作者多年夢寐追求的橋型付諸實現(xiàn),這是貴州橋梁工作者的大膽嘗試,對推動我國乃至世界橋梁建設(shè)都有巨大作用。烏江吊拉組合橋,經(jīng)過近兩年運行和測試,結(jié)構(gòu)性能良好,特別是兩種橋型交接部位的處理,較為 理。
其實我國很早就開始修建懸索橋,究其跨徑和規(guī)模遠不能同現(xiàn)代懸索橋相比。到了90年代初,我國才開始建造大跨懸索橋,例如:廣東汕頭海灣大橋,主跨452m,加勁梁采用混凝土箱梁;廣東虎門大橋,主橋跨徑888m,鋼箱懸索橋;正在建設(shè)的鋼箱懸索橋——江陰長江大橋,主跨1385m。由此可見,現(xiàn)代懸索橋在我國已具有相當規(guī)模和水平,已進人世界懸索橋的先進行列。
懸索橋采用鋼箱作為加勁梁,在我國較為普遍。美國和日本的懸索橋的加勁梁一律用桁架。最有名的明石海峽橋,主跨1990m也是桁架加勁粱。歐洲人研究認為,正交異性板鋼箱作為加勁梁,梁高矮,如同機翼一樣,空氣動力性能好,橫向阻力小,大大減小了塔的橫向力;抗扭剛度大,頂板直接作橋面板,恒載輕,主纜截面可以減小,從而降低用鋼量和造價。我國一起步修建現(xiàn)代懸索橋,加勁梁就采用鋼箱,而對桁架梁作為加勁梁的優(yōu)劣并未作深人分析研究。在已修建的幾座懸索橋上,橋面瀝青鋪裝相繼出現(xiàn)了損壞現(xiàn)象,有的橋梁工作者反思認為,一是鋼箱作為加勁梁還有一些方面值得改進,如鋼箱橋面板的局部撓度以及箱體的通風,降低鋼箱鋪裝層的溫度;二是桁架梁作為加勁梁,還有不少優(yōu)點,如加勁梁剛度大,橋面溫度相對低,還可解決雙層交通等。用混凝土箱梁作為加勁梁的嘗試,國外有先例,在我國汕頭海灣橋也實現(xiàn)了?偨Y(jié)經(jīng)驗,也許不會再采用混凝土箱梁作為加勁梁了。
塔的材料,國外以鋼為主,我國以混凝土為主,近年來國外也有向混凝土發(fā)展的趨勢,基礎(chǔ)多為鉆孔樁或沉井。
錨碇一般以重力式和地錨為主,少數(shù)地質(zhì)條件好的采用了隧道錨。深水錨碇往往采用沉井或地下連續(xù)墻。如江陰長江大橋北錨,位于沖積層上,采用69m×51m帶有36個隔倉的沉井,下沉深度達58m;日本明石海峽大橋神戶側(cè)錨碇采用環(huán)形地下連續(xù)墻基礎(chǔ),直徑85m,高73.5,槽寬2.2m。
懸索橋結(jié)合地形、地質(zhì)、水文可采用單跨懸吊、雙跨不對稱懸吊和三跨懸吊(簡支和連續(xù)體系)。據(jù)查,世界上懸索橋多為單跨懸吊,其次是不對稱雙跨和三跨簡支懸吊。三跨懸吊連續(xù)體系最少。丹麥大帶橋,三跨懸吊連續(xù),其跨徑為535m+1624m+535m;中國的廈門海滄大橋,三跨懸吊連續(xù),其跨徑為 230m+648m+23Om,可稱世界同類橋梁的第二位。
主纜的施工方法:空中紡線法(AS);索股法(PWS)。我國幾座懸索橋均采用PWS法。索股采用φ5mm鍍鋅鋼絲,由91或127根φ5組成一根索股,根據(jù)受力鋼纜由不同數(shù)量索股組成。
我國今后還會在長江、海灣修建更大跨徑的懸索橋;一般加勁梁仍用鋼箱;塔、錨用混凝土,但應(yīng)對大體積混凝土水化熱的冷卻降溫措施加以研究;懸索橋風動穩(wěn)定還需進一步研究;鋼箱梁的橋面鋪裝,我國已建成的幾座懸索橋,都存在問題,今后應(yīng)進一步研究鋼箱梁橋面鋪裝材料、鋼箱除銹、清潔、鋪裝的粘結(jié)以及施工工藝等。
隨著我國經(jīng)濟發(fā)展,材料、機械、設(shè)備工業(yè)相應(yīng)發(fā)展,這為我國修建大跨徑斜拉橋和懸索橋提供了有力保障。再加上廣大橋梁建設(shè)者的精心設(shè)計和施工,使我國建橋水平已躍身于世界先進行列。我國幅員遼闊,經(jīng)濟發(fā)展水平參差不齊,經(jīng)濟上總體水平不高,公路橋梁發(fā)展還是要著眼于量大、面廣的一般大、中橋,這類橋梁仍以預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)為主。首先,要著重抓多樣化、標準化,編制適用經(jīng)濟的標準圖,提高施工水平和質(zhì)量,然后再抓住跨越大江(河)、海灣的特大型橋梁建設(shè),不斷總結(jié)經(jīng)驗,既體現(xiàn)公路人的建橋水平,又要保證高標準、高質(zhì)量建橋。
改革開放,黨的富民政策,改變了人們的認識,“要致富、先修路”已成共識,加快交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已變成了人們的自覺行動。國家投資重點傾斜以及集資渠道的多元化,為我國公路橋梁發(fā)展提供了資金保證。展望公路橋梁發(fā)展趨勢,珍惜時機,創(chuàng)造性勞動,為改變我國公路建設(shè)落后狀況,努力工作。