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止于至善

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学、河北工大、北京交大硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员、混凝土耐久性专业委员会委员,全国混凝土标准化技术委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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你造么?两百年来桥梁结构构成方法有哪几类?(1)  

2015-11-16 06:55:07|  分类: 桥梁工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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两百年来诞生了多少种类桥梁,在建筑学和结构力学意义上还会出现新的桥型吗?

有规律可循吗?能够预测吗?创新始终是桥梁界的热门话题,然而回顾归纳永远是创新的第一步。回归桥梁构成的历史和创新可以把桥梁的构成方法归结为“构件组合”“桥型混合”“拓扑变形”“承式变换”和 “哲学概念”几大类。


构件组合法


在《桥梁损伤诊断》一书中,曾试图找到桥梁的基本结构元素,并组合派生出许多并不陌生的桥型(表1),表中归纳出单纯型(由单一构件元素组成的)桥梁和复合型(有两种构件元素组成的)桥梁。此后确实有人实现了预测的新型桥梁,表中也留出许多空格,等待着填补。

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单纯型桥梁


主对角元是单纯性桥梁,Q11吊桥、Q22桁架桥、Q33拱桥、Q44梁桥,分别由索、杆、曲杆、梁等单一的线元素组成;Q55、Q66、Q77分别由单一的(无横向力)平板、(有横向力)弯板、壳组成的薄壁结构桥、板桥、双曲壳桥。


复合型桥梁


主对角元两侧的副元都是两种元素组合成复合型桥,表1中一目了然,仅列举两种如下。


◆ 拱与索

1.Q31 ——是在曲杆外侧张拉索,减轻拱的轴力,有“去拱”的趋势,进入了索桥的范畴,保留着拱的特征。《桥梁诊断损伤》于2002年出版以后,2007年湖南建 成了跨径400米的“湘潭湘江四桥”,就是Q31复合桥,见图1。可以称为拱式斜拉桥,或悬吊式拱桥,但是这种桥型未能显现其结构优势。

拱式斜拉桥实际上就是把悬臂节段拼装肋拱桥的临时拉索系统永久化,用以分担拱肋的负担。索尾是锚固在边跨混凝土梁上的自锚体系,梁的重量和塔的恒载弯矩接近于零,这两个约束条件决定了拉索对拱轴力影响的程度。

2.Q13——是在曲杆内侧张拉索,加大拱的轴力效应,增强拱的稳定性,曾经用在夹板拱架中。图2是苏格兰(Glasgow,Scotland)2003年的一座人行桥设计方案,利用了内侧张拉索。该方案虽然得奖,终因造价较高未予采用。


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◆ 梁与索(Q41)和杆与索(Q21)

实 际上早期的稀索斜拉桥是梁与索的复合体系,例如委内瑞拉于1962年建成的马拉开波桥就是一例Q41复合桥(图3),与现代密索斜拉桥Q21有着本质的区 别。稀索斜拉桥是以索支承梁,梁仍然是以受弯为主的构件。密索斜拉桥是压杆撑开索,梁以是作为压杆为主的构件,受弯功能已从有跨度的连续梁,转换到有长度 无跨度的弹性地基连续梁。Q41不同于Q21常规的斜拉桥,Q21梁的高度小、索密、塔高,梁分担的车道荷载作用与桥的大跨径相比较是微小的。随着索的加 密,马拉开波桥此后进化为高塔密索斜拉桥——常规斜拉桥。

马拉开波湖桥(Maracaibo Lake Bridge)是世界上第一座公路预应力混凝土斜拉桥。第二座现代斜拉桥,由意大利结构工程师莫兰第(Riecado Morandi)于1957年设计,1958年动工,1962年建成通车,其造型结构是受到英国福斯桥(图4)的启发,并改造成斜拉索体系。


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◆ 斜拉桥(Q41)和体外预应力(Q14)

Q14与Q41不同,Q14是体外预应力桥,以梁的特征为主。“矮塔”而且“拉索集中”锚在跨中三分点附近。从构件组合来看,索减小梁的弯矩,有“去梁”的趋势,进入了索桥的范畴,保留着梁的特征。此后进化为典型的矮塔斜拉桥——部分斜拉桥,见图5、图6。

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混合桥型法


在表1的基本桥型上再进一步采用“串联、并联”方式的“混合法”,构成混合型桥梁,其构成归纳在表2中。表2介绍分析如下。

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并联式混合桥


两种型式的桥型共同支撑着同一段桥梁行车道,称为并联混合法。两种支撑作用是耦合的,由变形协调条件决定着它们分摊的作用。


◆ 连续梁+系杆拱

图 7中的杭州钢河桥就是连续梁桥和系杆拱的并联混合式桥梁,连续梁和系杆拱共同支承车道系,随着拱和梁的刚度变化,协调分配承担比例。连续梁中孔L=130 米;根部梁高4米(L/32.5);跨中梁高2.5米(L/52);端部梁高2米。拱矢跨比L/4.75;吊杆间距5.8米,采用1860MPa的 GJ15—27钢绞线。全支架施工,一次落梁。

当连续梁根部梁高为L/35—L/25,边孔可为0.35L至0.45L,大大小于连续梁的合理边跨比,节约非跨河桥梁长度。这种桥型是可以根据边孔跨径长度不同,采用全悬臂或部分长度悬臂法施工。在采用部分长度悬臂法时,可以在主跨中部辅以河中临时支架。

2010年建成的骝岗涌桥跨径为76+160+76米,见图7。

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◆ 斜拉索+悬索桥

斜拉悬索桥约有40至50余座,大多在19世纪修建,跨径不大。其中比较知名的布鲁克林大桥是用斜拉索加固悬索桥,初衷不是斜拉悬索桥。现代斜拉悬索桥以贵州乌江大桥为代表。见表3和图8。IzmitBay桥的方案未采用,最终选择了1550米跨的普通悬索桥。

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贵 州乌江大桥是1997年建成的世界第一座现代吊拉混合桥(斜拉悬索桥),跨径为 66+288+66米。它们由吊索和斜拉索共同支撑着行车道梁。吊索和斜拉索作用是耦合的,由变形协调条件决定着他们分摊的作用。吊拉混合桥还有更大跨径 的设计方案,但是由于吊—拉过渡段应力变化复杂,尚未实施。


◆ 斜拉索+中承式拱桥

图9中马来西亚跨径300米的Seri Saujana桥,就是由中承式拱和斜拉桥共同支撑着行车道梁。中承式拱吊索和斜拉索作用是耦合的,由变形协调条件决定着它们分摊的作用。

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串联式混合桥


两种型式的桥各自支撑着一段桥梁行车道称为串联混合法。两种支撑作用不一定是耦合的,它们分摊作用是明确的。


◆ T构+系杆拱桥

图10是于2007年建成的重庆菜园坝桥,主跨420米,就是在两个互相分离的三角形T构之间,安放一个系杆拱桥。T构和系杆拱各自支撑一段行车道,互不耦合。

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◆ 斜拉+自锚悬索桥

图11是于2008年建成的常州龙城桥,跨径72+114米,一跨是斜拉桥,一跨是自锚悬索桥。二者各自支撑一段行车道,虽然通过桥塔有微弱的耦合作用,但它们的荷载分摊作用是明确的。2000年西班牙也建成了一座类似的斜拉悬索桥(Vinalopó桥)。

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拓扑变形法


这种桥梁构成方法在斜拉桥和拱桥中广为应用,表4中列举了合并分蘖(分蘖一词多用于植物上)、折弯、倾斜几种变形法。其中合并分蘖是物理变形,不是纯粹的几何变形,但是在变形中互为因果,所以都列在拓扑变形法之中,或称为“物理—拓扑变形法”较为恰当。

合并与分蘖


◆ 无背索斜拉桥

图12西班牙Seville桥是第一座无背索斜拉桥(1992年),跨径200米。它可以由双跨独塔斜拉桥变化而来,当边跨主梁和塔互相靠拢直至合并,就成了无背索斜拉桥。

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◆ 树形塔斜拉桥

沈阳三好桥主桥跨径270米,与前者相反,独塔分蘖为二,再张开,斜拉索依然藕断丝连地牵在两塔之间,见图13上图。2009年贵州荔湾仿建一座,见图13下图。但是塔由受压直杆变成了曲杆,在材料利用上肯定是有所损失的。

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◆ 索系整合

把 裸露的索系包覆起来,增加稳定性,提高索系的材料利用率,是整合的初衷。第一座板拉桥,127+174+127米的瑞士甘特桥,首创了斜拉索系整合的概 念,提高了裸索的工作效率,也在山谷之中勾画出一道亮丽的风景线,但是行走在桥面上,两侧巨大的斜拉板压抑感非常强烈,只能作为远景观赏,见图14。

具有悬索整合效果的背鳍桥,始于1969年纽伦堡的通勤铁路桥,1987年美国也在巴顿河奥斯汀建成一座跨径103.5米的背鳍桥,墨西哥于2005年建成墨西哥至图斯潘的Texcapa背鳍桥,见图15。

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折弯


表4中左侧,鹿特丹的折塔斜拉桥;西班牙的跨径155米的弯曲塔Valencia桥;1992年建成的成田机场的拱形塔斜拉桥,主跨76米,拱跨101.4米。

悬 臂塔一般要求塔柱弯矩尽可能的小,恒载状态折塔的上塔柱根部弯矩可以接近零,但是上塔柱中部有不平衡力产生的弯矩,见图16左图。下塔柱可以调整折角,使 恒载状态为小偏心压杆,见图16右图。曲线悬臂塔同样可以调整曲率和斜率,使塔在恒载状态是小偏心压杆,弯矩接近为零,见图17。

表4中右侧西班牙Seville的Barqueta桥,单索面分叉肋拱也属于这种类型,但是还含有合并分蘖的因子。台湾花莲附近也有一座类似的拱桥。

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倾斜


在世纪交接之际流行倾斜结构,特别是城市桥梁,为标新立异,流行歪斜结构。表4中末行依次是迪拜即将开工的一座主跨225米的伸臂式斜塔斜拉桥、倾斜矮塔斜拉桥、主跨300米的南宁邕江桥、2004年建成的长154米的天津大沽“日月拱”桥。

国 外大量修建这种倾斜拱桥,最著名的是图18的Millennium桥,是一座开启桥。有船舶通过时,拱和弯曲主梁绕着拱足的轴竖向旋转,二者之间由拉索联 系,拱向下压、曲梁上翻,提高净空让船舶通过。全桥主跨126米,桥宽8米,钢结构用料800吨。总耗资2200万英镑,建筑师 WilkinsonEyre,结构师Gifford Graham & Partners,结构计算使用LUSAS完成。

Bedford(贝 德福德)蝶形桥是建筑师C. Wilkinson和Partners,结构工程师JanBobrowski和 Partners设计的,并且获得了1995年英国国家设计竞赛奖。评语是“在20世纪结束和21世纪开始之际,创造了一个值得记忆的地标符号”。因此, 掀起了世界上的歪拱之风。


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