1、跨径不断增大
目前,钢梁、钢拱的最大跨径已超过500m,钢斜拉桥为890m,而钢悬索桥达1990m。随着跨江跨海的需要,钢斜拉桥的跨径将突破1000m,钢悬索桥将超过3000m。至于混凝土桥,梁桥的最大跨径为270m,拱桥已达420m,斜拉桥为530m。
2、桥型不断丰富
本世纪50~60年代,桥梁技术经历了一次飞跃:混凝土梁桥悬臂平衡施工法、顶推法和拱桥无支架方法的出现,极大地提高了混凝土桥梁的竞争能力;斜拉桥的涌现和崛起,展示了丰富多彩的内容和极大的生命力;悬索桥采用钢箱加劲梁,技术上出现新的突破。所有这一切,使桥梁技术得到空前的发展。
3、结构不断轻型化
悬索桥采用钢箱加劲梁,斜拉桥在密索体系的基础上采用开口截面甚至是板,使梁的高跨比大大减少,非常轻颖;拱桥采用少箱甚至拱肋或桁架体系;梁桥采用长悬臂、板件减薄等,这些都使桥梁上部结构越来越轻型化。
以下分别就各种桥型,进行简述。
梁桥
梁桥仍然是最常用的一种桥型,目前,国外跨径在15m以下,用钢筋混凝土梁桥;以上则用预应力混凝土梁桥;跨径25-40m,往往用结合梁桥或预弯预应力梁桥。从50年代德国首次采用平衡悬臂施工法修建跨径114.2m的Worms桥以后,混凝土梁桥也用于大跨径桥梁。最大的混凝土梁桥,国外是跨径270m的巴拉圭Asuncion桥。
钢梁桥一般用于大跨径,尤其是桁架梁,用于特大跨径。最大的钢桁梁桥,是跨径549m的加拿大魁北克桥,为悬臂梁桥,公铁两用。
1、混凝土连续梁和连续刚构桥有了快速发展。
交通运输的迅速发展,要求行车平顺舒适,多伸缩缝的T型刚构已经不能满足要求,因而连续梁和连续刚构得到了迅速发展。
连续梁的不足之处是需用大吨位的盆式橡胶支座,养护工作量大。连续刚构的结构特点是梁保持连续,梁墩固结。既保持了连续梁行车平顺舒适的优点,又保持了T型刚构不设支座减少养护工作量的优点。
2、预应力应用更加丰富和灵活
部分预应力在公路桥梁中得到较广泛的采用。不仅允许出现拉应力,而且允许在极端荷载时出现开裂。其优点是,可以避免全预应力时易出现的沿钢束纵向开裂及拱度过大;刚度较全预应力为小,有利于抗震;并可充分利用钢筋骨架,减少钢束,节省用钢量。
体外预应力得到了应用与发展。体外预应力早在本世界20年代末就开始应用,70年代后应用多了起来。体外配索,可以减小截面尺寸,减轻结构恒载,提高构件的施工质量;力筋的线型更适合设计要求,其更换维修也较方便。加固桥梁时用体外索更是方便。著名的美国Longkey桥,跨径36m,即是采用了体外索。
大吨位预应力应用增加。现在不少桥梁中已采用每束500t的预应力索。预应力索一般平弯,锚固于箱梁腋上,可以减小板件的厚度,减轻自重,局部应力也易于解决。
无粘结预应力得到了应用与发展。无粘结预应力在国外50年代中期广泛用于建筑业,美国目前楼板中,99%采用现浇无粘结预应力。无粘结预应力结构施工方便,无需孔道压浆,修复容易,可以减小截面高度;荷载作用下应力幅度比有粘结的预应力小,有利于抗疲劳和耐久性能。
双预应力,即除用预张拉预应力外,还采用了预压力筋,使梁的载面在预拉及预压力筋作用下工作。简支梁双预应力梁端部的局部应力较大,后来日本将预压力筋设在离端部一定距离的上缘预留槽中,而不是锚在梁端部,使局部应力问题趋于缓和。
国外还较多应用预弯预应力梁。预弯预应力梁是在钢工字梁上,对称加两集中力,浇筑混凝土底板,卸除集中力,这样底板混凝土受到预压,然后再浇筑腹板和顶板混凝土。有的国家如日本已有浇筑好底板的梁体作为商品供应。
3、箱梁内力计算更切合实际
对于箱梁,必要时需考虑约束扭转、翘曲、畸度、剪滞的内力。由于剪滞的影响,箱梁顶底板在受弯情况下,其纵向应力是不均匀的,靠箱肋处大,横向跨中处小。配筋时要用有效宽度。目前已按试验结果,将纵向应力按多次抛物线分布,得出实用结果。
箱梁温差应力的计算。箱梁由于架设方向及环境的不同,会承受不同的温差。温差应力必须考虑,在特定的情况下,温差应力很大,甚至超过荷载应力。因此,必须按照现场可能出现的温差,计算内力,加以组合,进行配筋。
按施工步骤计算恒载内力。按结构的最终体系计算恒载内力,往往并不是实际的内力。必须按照施工顺序,逐阶段地进行计算,在计算中考虑混凝土龄期不同的徐变收缩影响。这样,既得到了各施工阶段的控制内力,又得到了结构形成时的内力和将来的内力。
同样,也必须考虑施工顺序步骤计算挠度,并反算得到预拱度。
4、施工方法丰富先进
近年来悬臂施工法中悬拼的应用有所增加。各节段间带有齿槛,涂环氧,使连接良好,并增大抗剪能力。可以缩短工期,特别是利用吊装能力大的浮吊时,可加大节段长度,则更能加快施工进度。国外悬拼最大的桥为跨径182.9m的澳CaptainCook桥。顶推施工法也处在不断发展过程,一开始是集中顶推,两则各用一个千斤顶推动,而且用竖向千斤顶以使水平千斤顶回程。以后发展成为多点顶推,使顶推力与摩阻力平衡,使顶推法可用于柔性墩,同时也不使用竖向千斤顶。在这以后,又有下列发展:
(1)用环形滑道,不必喂氟板。
(2)支座设在梁上,不需顶推后重行设置。
(3)拉索锚具可自动开启或闭锁。梁前进时锚定,千斤回程时自动开启。
(4)在横向中央设一个滑道,避免两侧滑道时必须两侧同步,特别适用于平曲线梁的顶推。
目前,顶推施工法不仅用于直线梁,而且用于竖曲线上的梁,以及平曲线上的梁。香港曾把顶推法成功地使用在处在切线、缓和曲线和R=430m圆曲线的梁上,把线形用最接近的圆曲线来模拟,其差值藉调整箱顶板的悬臂长度来补偿。同时因为超高的不同,箱梁腹板的高度也是变化的;在处于3%纵坡和竖曲线的梁,则使板底保持同一个纵坡而改变箱高。因此,箱梁几何尺寸、浇筑平台的模板系统大为复杂,但胜利建成,为顶推法提供了新的经验。
80年代,逐跨拼装法在国外得到较多的应用。美国LongKey桥101孔,每孔36m,用可移动桁架,用浮吊将梁块件放在桁架上就位,一次张拉,完成整孔,每周完成三孔。
斜拉桥
自1955年瑞典建成第一座现代斜拉桥--跨径186.2m的Stromsund桥以来,至今已有40多年了,斜拉桥的发展,方兴未艾,具有强烈的势头,并开始出现多跨斜拉桥。结构不断趋于轻型化;从初期的钢斜拉桥,发展为混凝土梁、结合梁和混合式斜拉桥。跨径不断增大:已建成最大跨径斜拉桥为跨径856m法国Normandy桥,跨径890m的日本多多罗桥正在建设中,跨径1000m以上的斜拉桥在不久的将来即会出现。
1、斜拉桥的发展阶段
斜拉桥的发展,经历了以下三代:
(1)用环形滑道,不必喂氟板。
(2)支座设在梁上,不需顶推后重行设置。
(3)拉索锚具可自动开启或闭锁。梁前进时锚定,千斤回程时自动开启。
(4)在横向中央设一个滑道,避免两侧滑道时必须两侧同步,特别适用于平曲线梁的顶推。
目前,顶推施工法不仅用于直线梁,而且用于竖曲线上的梁,以及平曲线上的梁。香港曾把顶推法成功地使用在处在切线、缓和曲线和R=430m圆曲线的梁上,把线形用最接近的圆曲线来模拟,其差值藉调整箱顶板的悬臂长度来补偿。同时因为超高的不同,箱梁腹板的高度也是变化的;在处于3%纵坡和竖曲线的梁,则使板底保持同一个纵坡而改变箱高。因此,箱梁几何尺寸、浇筑平台的模板系统大为复杂,但胜利建成,为顶推法提供了新的经验。
80年代,逐跨拼装法在国外得到较多的应用。美国LongKey桥101孔,每孔36m,用可移动桁架,用浮吊将梁块件放在桁架上就位,一次张拉,完成整孔,每周完成三孔。
桥梁基础
基础尤其是大跨径桥梁的深水基础,往往需要解决施工技术上的许多难点,也往往是控制整个桥梁工程进度的关键工程,其费用也占桥梁造价相当大的比重。
近年来,国外都修建了不少跨越大江大河、甚至跨越海湾的深水基础,取得了很大的成绩与不少新经验:大直径钢管桩、大直径混凝土灌注桩和空心桩、复合基础均得到较广泛的采用,地下连续墙已开始在桥梁基础中采用,超大的沉井也已经出现并顺利设置或下沉。这一切都标志着,桥梁基础工程技术已取得了很大的发展。
下面按基础的主要类型进行介绍。
1、大直径钢管桩、柱
具有施工工艺简便、速度快,可沉入很深土层等优点,近年来发展很快,日本大量采用。
大直径钢管桩用作摩擦桩,经历两个阶段:初期一般在管内浇筑混凝土,以防止钢管的锈蚀。这样做也会带来一些不利影响:需在管内取土,而对提高桩的承载能力作用不大;增大了桩的刚度,在地震时使桩顶受力增大;增加了施工难度与造价。
以后逐渐倾向于管内不填混凝土,由于管内土存在闭塞效应,因此钢管桩的承载能力比钢管外壁土壤摩阻力要增大不少。而闭塞效应的机理目前还不很清楚,因此往往通过静载试验来确定其承载力。具体实例如,日本跨径240m的滨名大桥每主墩采用49根直径1.6m钢管桩,组成水上承台。
在冲刷深、复盖层较薄时,往往将钢管桩沉至岩面钻孔嵌岩,成为管柱基础。这时往往用混凝土填实。如日本主跨为220m及185m的内海大桥,水中四个深水墩均采用直径2m的钢管柱基础
2、大直径钻孔灌注桩
大直径灌注桩具有承载力大、刚度大、施工快、造价省的优点。国外很多采用直径2~4m的大直径钻孔桩;而且往往采用扩孔方法,直径可达3~4m,而在日本横滨港横断大桥-跨径460m的钢斜拉桥的基础中,将多柱基础嵌岩扩孔至直径10m,是目前世界最大的嵌岩直径。
在连续结构、尤其是连拱或连续斜拉桥设计中,刚度起关键作用,以减少下部构造的水平位移,减少由此引起的附加内力。这时桩基水平向承载力不控制设计,而是刚度控制设计,大直径灌注桩具有非常明显的优势。
3、沉井
沉井基础承载能力大,刚度大,可以适用于深水,但体积庞大,随着桩基的广泛采用,沉井的应用范围有所减少。不过在特大跨径的桥梁中,沉井仍为主要基础型式之一。
在大跨径桥梁的深水基础中,底节多采用浮式钢壳沉井,用双壁空心结构,浮运至墩位,灌水落床,再浇筑混凝土,接高下沉,直至设计标高。日本明石海峡大桥,最大施工水深60m,两主塔分别采用直径80m和78m、高70m和67m的浮式钢壳沉井,壁厚12m,分为16个舱,是目前规模最大的桥梁沉井基础。其特点是设置沉井,用大型抓斗挖泥船开挖至海底支承地基,整平岩基,再用切削机磨平,然后设置沉井,在其周围抛石进行冲刷防护,最后沉井内进行水下混凝土施工。日本濑户大桥也用同样方法施工。
4、复合基础
将桩或管柱与沉井组合的一种深水基础。沉井下到一定深度,封底,然后钻孔,将沉井内的桩嵌岩,沉井封底与桩或柱共同受力。
其优点是:
i)可以降低承台的高度。
ii)可提供桩的施工场地。
iii)适应性强,尤其适应在岩面标高差异很大以及落差较大的河流。
iv)沉井可作防撞设施,保护桩及墩身。
日本跨径420m的公铁两用斜拉桥--柜石岛桥3#墩岩面倾斜,水深近20m,采用46×29×30.5m钢壳设置沉井与16根4m直径的灌注桩组合的复合基础。