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中国大跨径桥梁的分类与特点

2016-11-01  又一本

对桥梁按结构体系分类是以力学特征为基本着眼点,以主要的受力构件为基本依据,可分为梁式桥、拱式桥、斜拉桥、悬索桥、刚构桥五大类。

1 梁式桥

       梁式桥种类很多,也是公路桥梁中最常用的桥型,其跨越能力可从20m直到300m之间。公路桥梁最常用的大跨径梁式桥主要为预应力混凝土连续箱形梁桥,70年代我国公路上开始修建连续箱梁桥,到目前为止我国已建成了多座连续箱梁桥,如一联长度1340m的钱塘江第二大桥和跨越高集海峡全长2070m的厦门大桥等。目前,我国预应力混凝土连续梁最大跨径为165m(南京二桥北汊主桥)。由于预应力混凝土连续箱梁它具有桥面接缝少、梁高小、刚度大、整体性强,外形美观,便于养护等在构造、施工和使用上的优点,近年来已成为建成较多的桥梁。其发展趋势为:减轻结构自重,采用高标号混凝土。随着建筑材料和预应力技术发展,其跨径增大,葡萄牙已建成250m的连续箱梁桥,超过这一跨径,也不是太经济的。大跨径梁桥的上部结构大多采用箱形截面,是因为箱形截面有较大的抗扭刚度,箱梁允许有最大细长度,同T形梁相比徐变变形较小。由于嵌固在箱梁上的悬臂板,其长度可以较大幅度变化,并且腹板间距也能放大,能适应各种使用条件,特别适合于预应力混凝土连续梁桥、变宽度桥,因此,箱梁能在独柱支墩上建成弯斜桥。

连续箱梁桥的施工方法多种多样,只能因时因地,根据安全经济、保证质量、降低造价、缩短工期等方面因素综合考虑选择。一般常用的方法有:立支架就地现浇、预制拼装(可以整孔、分段串联)、悬臂浇筑、顶推、用滑模逐跨现浇施工等。预应力钢束采用钢绞线,可以分段或连续配束,一般采用大吨位群锚。为了减轻箱梁自重,可以采用体外预应力钢束。虽然连续箱梁桥采用预应力混凝土建造,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。但由于结构本身的自重大(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。还有大跨径连续箱梁要采用大吨位支座,如南京二桥北汊桥165m变截面连续箱梁,盆式橡胶支座吨位达65O0kN。这种样大吨位支座性能如何、将来如何更换等一系列问题有待研究。 

[专题]梁式桥施工技术

2 拱式桥

        江界河大桥全长461米,宽13.4米,桥面至最低水面263米,主孔跨径 330米。在同类桥梁中,江界河大桥雄居世界第一,堪称天下第一桥。它的建成,宣告了桁式桥梁新的世界纪录的诞生。(大桥于1995年6月竣工)

        拱桥,在桥梁的发展史上曾经占有重要地位,迄今为止,已有三千多年的历史,当今亦因其形态美、造价低、承载潜力大而得到广泛的应用,也是大跨径桥梁形式之一,跨径从几十米到四百多米。我国大跨度混凝土拱桥的建设技术,居国际领先水平。拱桥的受力特点为拱肋承压、支承处一般有水平推力,按其建造材料来分,可分为圬工拱桥、钢筋(骨)混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥、钢拱桥等。

(1) 圬工拱桥最常见的为石拱桥,我国古代石拱桥建造就有很高的成就,如修建于公元606年的河北赵县安济桥,跨径37.4m,矢高7.23m,宽约9m,在跨度方面曾保持记录达1350年之久,且至今保存完好。圬工拱桥不便于实现工厂化施工,施工周期较长,相应的费用较高。同时,圬工材料尽管适合承压,但其自重相对于许用应力而言较大,因而不适于用作大跨度桥梁。

(2) 钢筋混凝土拱桥为拱桥的主要形式,它分箱形拱、肋拱、桁架拱。根据近年的实践,常用的拱桥施工方法有主支架现浇、预制梁段缆索吊装、预制块件悬臂安装、半拱转体法、刚性或半刚性骨架法。我国钢筋混凝土拱桥的发展趋势为拱圈轻型化,长大化以及施工方法多样化。刚建成的万县长江大桥为劲性骨架箱拱,跨径420m,居世界第一。

(3) 在我国自90年代以来,钢管混凝土拱桥迅速发展,现已建成跨径大于200m的十几座,最大跨径为2005年建成的重庆巫山长江大桥(主跨460m)中承式钢管混凝土双肋拱桥,为世界第一钢管混凝土拱桥。钢管混凝土钢管混凝土是在钢管内填充混凝土,使钢管和混凝土在受压方面实现优势互补:钢管借助于其内部的混凝土其抗压性能和稳定性得以增强;而内部的混凝土由于处于三向受压状态而使自身的强度得以提高。钢管混凝土更接近于一种新材料,具有强度高、塑性好、耐高温、耐腐蚀、抗冲击性能好等优点。它不仅在力学方面性能优越,而且在施工方面也有许多优点。例如钢管本身可以兼作模板骨架,不用拆模、支模,混凝土可以泵灌;钢管本身可以兼作纵筋和箍筋,卷制钢管较制作、绑扎钢筋骨架容易。

由于钢管混凝土本身的优点决定了它的经济指标:在自重和承载能力相近的情况下,同钢结构相比,可以节约钢材50%左右。在用钢量相近、承载能力相同的情况下,构件的横截面积可以减小一半,自重减少近50%。钢管混凝土在桥梁工程中的应用钢管混凝土的上述优点,一直受到桥梁工程专家的重视,并不遗余力地在工程实践中加以推广和应用。

(4) 我国大跨径钢拱桥起步较晚,但发展迅速。己建成的上海芦浦大桥(主跨550m)为中承式钢箱拱桥,比原世界第一的美国新河桥还长31.8m,而重庆朝天门长江大桥(钢桁架拱桥)将以主跨552m创世界第一。拱桥相对于梁桥而言,跨越能力大,结构自重小,外型美观,有利于广泛采用,但由于它是一种推力结构,对地基要求较高。在大跨度桥梁造型,拱桥的竞争性明显弱于斜拉桥和悬索桥。

参考资料大型钢管混凝土拱桥实施性施工组织设计(82米高墩 翻升模板)


3 斜拉桥

 苏通大桥主跨跨径为1088米,是当今世界跨径最大斜拉桥。 主桥采用 100+100+300+1088+300+100+100(其中主桥长约1088米)=2088米的双塔双索面钢箱梁斜拉桥。斜拉桥主孔跨度1088米,列世界第一;主塔高度300.4米,列世界第一;斜拉索的长度577米,列世界第一;群桩基础平面尺寸113.75米 X 48.1米,列世界第一。
         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40余座。大跨径混凝土斜拉桥的数量已居世界第一。整体来说,我国斜拉桥设计施工水平已迈入国际先进行列,部分成果达到国际领先水平。目前,我国建设的香港昂船洲大桥、江苏苏通大桥,其主跨均达到1000m以上。我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200m,数量占世界第一。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成主要承重构件,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,受力特点为外荷载从梁传递到索,再到索塔。选择不同的结构外形和材料可以组合成多彩多姿、新颖别致的各种形式。索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱,材料有钢、混凝土的。主梁有混凝土梁、钢箱梁、结合梁、混合式梁。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面,拉索材料有热挤PE防护平行钢丝索、PE外套防护钢绞线索。斜拉桥的施工方法主要采用悬臂浇筑和预制拼装。

斜拉桥优点: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。斜拉桥缺点: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。斜拉桥作为一种拉索体系,比梁式桥有更大的跨越能力。由于拉索的自锚特性而不需要悬索桥那样巨大锚碇,加之斜拉桥有良好的力学性能和经济指标,已成为大跨度桥梁最主要桥型,在跨径200~800m的范围内占据着优势。

相关资料:苏通大桥工程总体施工方案(含详细的结构设计)

                    苏通大桥工程边主墩墩身施工方案(中港)


4 悬索桥

 贵州坝陵河大桥,是跨度“国内第一,世界第六”的大跨径钢桁梁悬索桥。该座大桥规模身兼5个“第一”,建造技术采用了5个“首次”。 坝陵河大桥跨越坝陵河峡谷,是目前国内跨度最大的钢桁加劲梁悬索桥。主桥为1088米钢桁架悬索桥,桥梁全长2237米,桥面至坝陵河水面370米。(于2009年12月23日竣工)

 

悬索桥是特大跨径桥梁的主要型式之一,其造型优美,规模宏伟,常被人们称为“桥梁皇后”。从1883年美国建成布鲁克林桥(主跨486m)开始,至今已有120多年历史。20世纪80年代末,世界上修建悬索桥到了鼎盛时期,建成跨径大于1000m的悬索桥17座。日本于1998年建成了世界最大跨度的明石海峡大桥(主跨1991m),将悬索桥跨径从20世纪30年代的1000m提高到接近2000m,是世界悬索桥建设史上的一座丰碑。我国在悬索桥建设方面犹如异军突起,1995年在国内率先建成了汕头海湾大桥(主跨452m),在近五年内,相继建成西陵长江大桥(主跨900m)、虎门大桥(主跨888m)、宜昌长江大桥(主跨960m)以及名列世界第四位的江阴长江大桥(主跨1385m),名列世界第五位的(公铁两用桥名列第一位)香港青马大桥(主跨1377m)等11座大跨度悬索桥。多年来,我们积累了丰富的悬索桥设计与施工经验,已建成的润扬长江大桥(主跨1490m),标志着我国悬索桥设计和施工水平已迈入国际先进水平行列。悬索桥由索塔、锚碇、主缆、吊索(或吊杆)和主梁(加劲梁)5大部分组成。主缆为主要承重构件,受力特点为外荷载从梁通过系杆传递到主缆,再到两端锚锭。主要材料为预应力钢索。

目前我国在建的矮寨特大悬索桥位于湖南湘西。矮寨悬索桥桥距吉首市区约20公里,跨越矮寨镇附近的山谷,德夯河流经谷底,桥面设计标高与地面高差达330米左右。桥型方案为钢桁加劲梁单跨悬索桥,全1073.65m,悬索桥的主跨为1176m。该桥跨越矮寨大峡谷,主跨居世界第14、亚洲第8。工程计划投入7.2亿元,占吉茶高速公路计划总投资的15%。目前正在建设之中。
  矮寨特大悬索桥:世界上跨峡谷跨径最大的钢桁梁悬索桥,毫米粗导绳将拉通万吨钢缆据

悬索桥由于主缆采用高强钢材,受力均匀,因此具有很大的跨越能力,但亦具有整体刚度小、抗风稳定性不佳产,费用高、施工难度大等缺点。此种结构当跨径大于800m时,方具有很大的竞争力。

矮寨特大桥图纸特大钢桁梁悬索桥施工图(CAD图 345张)

5 刚构桥

八十年代以后,特别是九十年代以来,随着高速公路交通事业的迅速发展,要求行车平顺舒服,连续梁桥得到了迅速的发展,但由于此桥型在施工过程中需要梁墩临时固结和进行体系转换,同时需设置大吨位的橡胶支座,增加了工程费用及养护成本,于是预应力混凝土连续刚构桥应运而生,近年来得到较快的发展。刚架结构体系桥梁的上部结构梁(板)与下部结构墩柱(竖墙)整体结合在一起,梁与墩柱的结合处具有很大刚性。连续刚构在竖向荷载作用下,梁(多为箱型)主要受弯,而在柱脚处有水平反力,其受力状态介于梁桥与拱桥之间,梁因柱的抗弯刚度而得到卸载作用。

(1) 刚构桥的分类

T型刚构

      重庆长江大桥又名石板坡长江大桥,重庆长江大桥修建于1980年,主跨度174米,属于T型刚构桥。属国内最大跨度的预应力混凝土T构。

 早期刚构桥大多为T型刚构,它分为有跨中设挂梁(如福州乌龙江大桥,保持跨径纪录10年)和跨中带剪力铰(如福州洪塘大桥)两种基本形式。前者属静定体系,各T构单元单独作用而使受力和变形均较大,存在一定的结构缺陷;后者是一种超静定结构,该结构的特点是剪力铰起到传力(只传递竖向剪力而不传递纵向水平力和弯矩)和牵制悬臂端变形的作用。但存在跨中挠度较大、行车不顺,剪力铰不易制造安装、年久容易变形损坏等缺点,并且各种外因都能产生结构的附加应力。

连续刚构

 重庆市石板坡长江复线桥:

结构体系采用长联大跨径砼刚构-连续混合梁桥,桥跨布置为87.75+4×138+330+133.75m,梁总长1103.5m全桥除主跨330m中部有108m钢梁外,其他均为预应力混凝土结构,单向四车道,桥面全宽19m。
        T型刚构体系在设计中不断改进,逐步与连续梁体系的优点相结合,T型刚构的粗大桥墩被柔性薄壁墩所取代,形成墩梁连固的连续刚构体系,开辟了大跨桥梁向轻型结构发展的途径。预应力混凝土连续刚构桥数跨相连,跨中不设铰或挂梁,行车舒适,特别适用于大跨度、高桥墩的情况。它利用薄壁高墩的柔性来适应各种外力所引起的桥纵向位移。此外,桥墩柔性大,对梁的嵌固作用小,其受力情况接近于连续梁桥。但柔性墩需要考虑主梁纵向变形与转动的影响,以及墩身偏心受压时的稳定性。当连续长度太大时,宜设置伸缩缝,做成数座分离式的连续刚构。我国1997年建成的虎门大桥辅航道上的连续刚构桥,主孔跨度达270m,曾是世界最大跨径的预应力混凝土连续刚构桥;2006年建成的重庆市石板坡长江复线桥以主跨330m成为当今世界第一跨径梁桥。

斜腿刚构

浊漳河桥位于山西省境内浊漳河上,系我国第一座预应力混凝土斜腿刚构铁路桥,该桥桥址两岸陡峭,岩层完整坚硬,石嘴形成峡谷。桥式主跨为1孔82m预应力混凝土斜腿刚构,两腿趾设铰支座,两端伸臂各长23.5m,设水平方向无约束的活动支座,中心跨为90m,梁全长91m,桥全长171.12m。梁体及腿部均为单室箱形截面。(1981年9月竣工)

 

斜腿刚构是由刚架演变而来的,将刚架的立柱做成斜的就成为斜腿刚架。斜腿刚构桥的工作情况与拱桥更接近。其梁与腿中的弯矩比门式刚构桥要小,但支承反力却有所增加。由于桥墩置于岸坡上,有较大斜角,在主梁跨度相同的条件下,斜腿刚构桥的跨度比门式刚构桥要大得多。跨越陡峭河岸和深邃峡谷时,采用斜腿刚构桥是经济合理的方案。1982年建成的陕西安康汉江桥,是我国第一座铁路钢斜腿刚构桥,跨度达176m,在目前世界同类铁路桥中,居于首位。法国1974年建成的Bonhomme桥,是世界跨度最大的公路预应力混凝土斜腿刚构桥,两支承铰的间距为186.25m,桥高23m,主梁为单箱,基础设有支承铰。目前我国高速公路上已建有多座斜腿刚构桥,不仅造型轻巧美观,施工也较拱桥简单。

V型刚构桥

桂林雉山漓江桥是作为国内首座采用“V型”结构的跨江大桥被记入史册。

V型刚构桥也是一种连续刚构桥,所不同的是将桥墩做成V型。它具有连续刚构桥和多跨斜腿刚构桥的受力特性和共有的优点。1988年建成的广西桂林漓江桥,为三跨连续的预应力混凝土V型刚构桥,主跨95m。该桥位于漓江风景区,外形美观,别具一格。V型刚构桥在设计上与连续梁比较,跨度加长了,弯矩峰值进一步削减,梁高却可降低;与连续刚构相比,跨中和支点弯矩较小,在结构外观上更显轻巧美观。桥墩较高时,V型墩腿以下部分可连接一段竖墩,形成Y型刚构,其工作性能与V型刚构相同。

 

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