試析城市橋梁結(jié)構(gòu)類型的演變及其發(fā)展趨勢

林清山

摘要本文簡要闡述了我國城市橋梁結(jié)構(gòu)類型的演變歷程,我國城市橋梁結(jié)構(gòu)的各種類型,并對今后城市橋梁結(jié)構(gòu)類型的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞城市橋梁結(jié)構(gòu)類型發(fā)展趨勢

中圖分類號:U443文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

所謂城市橋梁就是泛指城市區(qū)域內(nèi)建造的各式橋梁,它們主要分為跨江、跨河和跨線橋梁,以及高架橋和道路立交橋、人行天橋等。從改革開放至今,各城市基礎(chǔ)建設(shè)的投入都在增大,架橋鋪路、橋梁建設(shè)的蓬勃發(fā)展促進(jìn)了橋梁結(jié)構(gòu)的改良和更新。本文結(jié)合各城市橋梁結(jié)構(gòu)類型的特點(diǎn),簡要闡述這一演變歷程,并對今后結(jié)構(gòu)類型的變化趨勢進(jìn)行分析。

1 城市橋梁結(jié)構(gòu)類型的演變過程

傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)類型主要有:拱式、鋼構(gòu)、梁式、斜拉及懸索。此外,隨著社會(huì)的進(jìn)步其結(jié)構(gòu)類型也而不斷發(fā)展變化著,如橋型不斷豐富、橋梁跨徑不斷增大、結(jié)構(gòu)不斷輕型等。總之,橋梁結(jié)構(gòu)向著“安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的方向發(fā)展。

1.1拱式

在橋梁的發(fā)展史上拱式橋曾占有非常重要地位,至今已有三千余年歷史,因其造價(jià)低、形態(tài)美、承載潛力大而得到廣泛的應(yīng)用。建國初期我國修建的拱式橋大多數(shù)是上承式的,而比較常見的拱式橋是施工方便、橋形輕巧的雙曲拱橋。但由于其整體性較差,所以橋梁結(jié)構(gòu)因交通負(fù)荷的不斷增加而破壞嚴(yán)重,而在平原及地質(zhì)條件不良地區(qū)的發(fā)展受到明顯限制?，F(xiàn)在由于新型橋梁結(jié)構(gòu)類型的普及,這類拱橋已很少采用了。尤其是改革開放后中、下承式拱橋開始大量興建,其屬于外部靜定結(jié)構(gòu),一般是把拱和梁結(jié)合起來,用拱作為橋身主要承重結(jié)構(gòu)的橋,其橋跨的承載結(jié)構(gòu)以拱圈或拱肋為主,這種橋不但跨越能力比較強(qiáng),對地基適應(yīng)性比較好,而且還可以減省大量原料,免除建造巨大的墩臺。

1.2梁式

以受彎為主的主梁作為主要承重構(gòu)件的橋梁稱作梁式橋。其主梁可以是桁架梁(空腹梁)或?qū)嵏沽?。因?qū)嵏沽和庑魏唵?制作、安裝、維修都較方便,廣泛用于中、小跨徑橋梁。梁式橋根據(jù)實(shí)腹梁的截面形式可分為口形梁、板梁、箱形梁或T形梁等。按照主梁的靜力圖式,梁橋又可分為連續(xù)梁橋、簡支梁橋、懸臂梁橋。以前,梁式橋中應(yīng)用最為廣泛的是簡支梁,但因其接縫較多,結(jié)構(gòu)不連續(xù),跨越能力有限,故目前在城市多跨橋梁中,簡支梁已漸漸被現(xiàn)澆連續(xù)梁所替代。連續(xù)梁橋主梁構(gòu)造比較復(fù)雜,內(nèi)有正彎矩和負(fù)彎矩,屬于超靜定結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)鋼度大、伸縮縫少、變形小、耐久性能好,在結(jié)構(gòu)上不斷拓展。而懸臂梁橋又稱伸臂梁橋在上世紀(jì)五十年代后才發(fā)展起來的,是把簡支梁向一端或兩端懸伸出短臂的橋梁。

1.3剛構(gòu)

所謂剛構(gòu)橋,是指橋跨結(jié)構(gòu)與橋墩式橋臺連為一體的橋梁,梁和腿或墩(臺)身構(gòu)成剛性連接,主要承重結(jié)構(gòu)采用剛構(gòu)的橋梁。其主要類型有門式、T形、斜腿及連續(xù)剛構(gòu)橋。T形剛構(gòu)橋雖跨越能力較強(qiáng),但因其結(jié)合處容易引起車輛跳車并加劇結(jié)合處損壞逐漸被淘汰。門式剛構(gòu)橋因其構(gòu)造簡單、建筑高度也較小,應(yīng)用則較為廣泛。斜腿剛構(gòu)橋不僅造型輕巧,而且具有較大的跨越能力,但因斜腿與主梁結(jié)合處施工難度比較大,構(gòu)造復(fù)雜,故進(jìn)一步推廣應(yīng)用受到了極大限制。連續(xù)剛構(gòu)橋是一種多次超靜定結(jié)構(gòu)體,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是連續(xù)梁橋與T形剛構(gòu)橋的組合類型,跨越能力較大,不但節(jié)省了支座和伸縮縫裝置的設(shè)置、維護(hù)及更換,而且也大大消除了跳車問題,應(yīng)用廣泛,在大跨度城市橋梁方案比選中極具競爭力。

1.4斜拉和懸索

此二類型均屬于大跨度橋型。斜拉橋又稱斜張橋,它是把主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁,是由承壓的塔,受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。其可使梁體內(nèi)彎矩減小,減輕結(jié)構(gòu)重量,降低建筑高度,斜拉式結(jié)構(gòu)剛度較大,抗風(fēng)能力較強(qiáng),但斜拉索水平分力使主梁承受很大的軸向壓力。懸索橋是橋面支承在懸索(通常稱大攬)上的橋梁,可以說是跨千米以上橋梁的唯一橋型,屬于特大跨徑橋梁的主要形式之一。懸索式受力形式很合理,施工風(fēng)險(xiǎn)也較小,特別適合建造大跨度橋梁,但其屬柔性結(jié)構(gòu),剛度較小,造價(jià)昂貴。斜拉橋在城市橋梁中發(fā)展趨勢上來看具有明顯優(yōu)勢,所以斜拉式比懸索式更為多見一些。

2 城市橋梁結(jié)構(gòu)類型的發(fā)展趨勢

我國城市的橋梁建設(shè),在大跨徑及大規(guī)模的橋梁建造方面,已達(dá)到世界領(lǐng)先水平,并不斷有刷新世界同類橋梁的記錄出現(xiàn)。但是,在城市中小跨徑橋梁中技術(shù)較為落后,橋型還不夠豐富。尤其是我國國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)中存在著問題和盲點(diǎn),在原創(chuàng)、環(huán)保、自主知識產(chǎn)權(quán)、可持續(xù)發(fā)展等方面,還是相對欠缺的。因此,在保留優(yōu)良傳統(tǒng)橋型的基礎(chǔ)上,亟須研究建造符合時(shí)代要求的新型城市橋梁。筆者認(rèn)為,新型城市橋梁的發(fā)展有以下幾點(diǎn)發(fā)展趨勢。

2.1美學(xué)因素將會(huì)對橋型的選擇產(chǎn)生絕對性的影響

從歷史建筑角度來看,我國歷來比較重視橋梁美學(xué)因素。橋梁景觀里發(fā)展的一個(gè)方向,還以結(jié)構(gòu)為主來適當(dāng)?shù)乜紤]其美觀,即所謂的簡潔美。另外一個(gè)是人與自然和結(jié)構(gòu)的和諧美這樣發(fā)展的趨勢,這是主流。近些年來,決策者及設(shè)計(jì)者極大的關(guān)注著橋梁建筑的藝術(shù)造型和景觀設(shè)計(jì),也引起一批批具有時(shí)代氣息、造型美觀的新型橋梁不斷涌現(xiàn)。除傳統(tǒng)的拱橋之外,斜拉橋和懸索橋由于標(biāo)志性強(qiáng),造型優(yōu)美,迅速加盟城市橋梁建設(shè)行列。我國著名的橋梁美學(xué)專家唐寰澄先生在其文章和專著中,曾多次提橋梁的美學(xué)法則,即協(xié)調(diào)與和諧,多樣與統(tǒng)一、以及比例、對稱和韻律美。另外還有八綱:即剛?cè)?、?dòng)靜、陰陽、虛實(shí)的矛盾與統(tǒng)一。城市內(nèi)建造斜拉橋,獨(dú)塔式形成了最強(qiáng)的視覺沖擊,單索面的應(yīng)用使全橋更加簡潔壯麗,就是遵循了這樣的美學(xué)法則。從而也引起了眾多橋梁設(shè)計(jì)者對比例、韻律獨(dú)特的無背索斜塔斜拉橋、蝶形拱橋和獨(dú)塔自錨式懸索橋等新式橋梁的濃厚興趣。氣勢雄偉、美觀大方、結(jié)構(gòu)新穎的橋梁結(jié)構(gòu)在今后一段時(shí)期必將會(huì)成為城市橋梁的新寵。

2.2新材料發(fā)展帶來新設(shè)計(jì)思路

近些年來,高強(qiáng)度纖維材料(如耐候鋼、鋼管混凝土、波折鋼腹板等)以其優(yōu)良的特性開始應(yīng)用于全世界的橋梁維修加固之中,而且效果顯著,隨著成本的降低,其應(yīng)用范圍將會(huì)隨之不斷擴(kuò)大,與其他材料一起建造更為經(jīng)濟(jì)有效的城市橋梁。主要表現(xiàn)在以下三點(diǎn):一是世界各國都非常重視耐候鋼的開發(fā)應(yīng)用,美國與日本已各自擁有數(shù)千座耐候鋼橋,加拿大在新建的鋼橋中有九成采用耐候鋼。我國耐候鋼的研究和生產(chǎn)起步因相對較晚,故使用范圍有待于擴(kuò)大。二是法國工程界采用波折鋼腹板作為箱梁腹板,多跨連續(xù)梁橋或連續(xù)剛構(gòu)橋已成為各國使用的主要橋型,目前我國已有多座橋梁的設(shè)計(jì)方案,都提出了這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。三是鋼管混凝土作為一種新組合材料,其理論以及應(yīng)用技術(shù)日臻成熟,將成為未來橋梁結(jié)構(gòu)的主要材料之一。鋼管混凝土還可以做成空間組合桁架式梁,造出強(qiáng)度和剛度都很高的豎彎、橫彎、扭轉(zhuǎn),更充分地發(fā)揮鋼管混凝土全截面的承載能力,受力更為合理、均衡。而且鋼管混凝土的透孔率很高,阻力比較大,能夠提供很大的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

2.3橋型不斷豐富,橋梁橋自平衡型技術(shù)空前的發(fā)展

我國東部發(fā)達(dá)地區(qū)雖具有雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力,但建橋空間受到較大限制,地質(zhì)條件不良對橋型的選擇也具有許多限制。這樣,飛雁式拱橋、斜拉橋、自錨式懸索橋等自平衡結(jié)構(gòu)類型的中小型橋梁,就得到了較為廣泛的應(yīng)用。飛雁式提籃拱橋以其合理的結(jié)構(gòu)布置,便利的施工,美觀大方的造型,必將成為城市中跨徑拱橋的主要形式之一。以獨(dú)塔斜拉橋居多的小跨徑斜拉橋,抗震性能好,抗風(fēng)振能力強(qiáng),經(jīng)濟(jì)效益明顯。自錨式懸索橋?qū)ν庖矊儆陟o定結(jié)構(gòu),受地質(zhì)條件的影響小,而且不需要建造龐大且昂貴的錨碇,可以建造于城市之中。隨著橋型的不斷豐富,橋梁技術(shù)也經(jīng)歷了一次次的飛躍發(fā)展。混凝土梁橋的懸臂平衡施工法、頂推法的出現(xiàn),大大地提高了混凝土橋型多樣的競爭能力;斜拉橋的出現(xiàn),展示了豐富多彩的索結(jié)構(gòu)所帶來的剛勁橋型和適應(yīng)環(huán)境的強(qiáng)大的生命力;懸索橋的采用,在橋型和跨度上均出現(xiàn)了重大的突破。橋梁自平衡型技術(shù)得到空前的發(fā)展。

2.4混合結(jié)構(gòu)類型不斷更新、輕型化

例如:部分斜拉橋、斜拉拱橋及拱梁組合橋等。其構(gòu)造特點(diǎn)是在連續(xù)梁中支點(diǎn)處設(shè)置矮索塔,其塔高只有斜拉橋索塔高度的一半左右,斜拉索通過矮索塔上設(shè)置的轉(zhuǎn)向塊——索鞍對主梁產(chǎn)生豎向支反力和水平壓力。研究表明:這種橋型通過合理地布置斜拉索數(shù)目以及布索方式改善結(jié)構(gòu)的受力情況,提高整橋的穩(wěn)定性,是中小型梁式橋和斜拉橋在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上強(qiáng)有力的競爭形式。與混合結(jié)構(gòu)類型不斷更新的同時(shí),橋型結(jié)構(gòu)也不斷輕型化。如:鋼結(jié)構(gòu)的大量采用的懸索橋、斜拉橋等,均使梁的高跨比大大減少,輕盈優(yōu)美。立交中的梁橋因?yàn)椴捎瞄L懸臂式板件,外形輕薄,這些都使橋梁上部結(jié)構(gòu)越來越輕型化。

總之,在社會(huì)主義建設(shè)的新時(shí)期,當(dāng)前我國城市建設(shè)正處在日新月異發(fā)展的大好時(shí)期,大規(guī)模城市橋梁隨之逐漸出現(xiàn)。人們不僅需要有更寬更多的橋梁來改善城市擁擠的交通狀況,也希望它們造型美觀,豐富多彩,形成活潑別致的景觀,美化生活、和諧環(huán)境。