現(xiàn)代大跨度橋梁的設(shè)計理念與發(fā)展

林元培

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，中國 上海 200092)

1 理念

中國是一個橋梁大國。

我國有長江黃河和遼闊的海疆，是一個發(fā)展中的國家。有大量的基本建設(shè)投資，中國的橋梁工程師在這樣優(yōu)越條件下應(yīng)該有所作為去走向橋梁強國，今就橋型、施工工藝、結(jié)構(gòu)分析、跨度的推進、美學等設(shè)計理念進行闡述。

1.1 橋型結(jié)構(gòu)

在任何體系中有一條近于水平線的構(gòu)造用來走人或車輛的結(jié)構(gòu)稱之為橋面構(gòu)造。支承橋面構(gòu)造的構(gòu)造，稱之為支承構(gòu)造。

整個橋梁體系由橋面構(gòu)造和支承構(gòu)造組成，用“，”表示?！埃碧栔蟊硎局С袠?gòu)造受力，“，”號之右表示橋面構(gòu)造受力。

凡受拉為主的構(gòu)造記為“－”，凡受彎為主的構(gòu)造記為“○”，凡受壓為主的構(gòu)造記為“+”，則橋梁體系一切可能的排列為:

(+，+) (+，○) (+，－) ?拱橋(○，+) (○，○) (○，－) ?梁橋(－，+) (－，○) (－，－) ?懸吊橋

1.1.1 拱橋體系

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(+，+)表示支承構(gòu)造受壓，橋面構(gòu)造受壓，一般稱為斜腿鋼架。

?

(+，○)表示支承構(gòu)造受壓，橋面構(gòu)造受彎，一般稱為拱橋。

?

(+，－)表示支承構(gòu)造受壓，橋面構(gòu)造受拉，一般稱為系桿拱橋。

1.1.2 梁橋體系

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(○，+)表示支承構(gòu)造受彎，橋面構(gòu)造受壓，一般稱為簡支梁橋。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(○，○)表示支承構(gòu)造受彎，橋面構(gòu)造受彎，一般稱為連續(xù)梁橋。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(○，－)表示支承構(gòu)造受彎，橋面構(gòu)造受拉，一般稱為懸臂梁橋。

1.1.3 懸吊體系

(－，+)表示支承構(gòu)造受拉，橋面構(gòu)造受壓，一般稱為斜拉橋。比如說自錨式吊橋亦屬斜拉橋。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(－，○)表示支承構(gòu)造受拉，橋面構(gòu)造受彎，一般稱為懸索橋。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

盡管橋梁可能有千姿百態(tài)，但從力學觀點來看只有3大體系:即拱橋體系，梁橋體系，懸吊體系。而每種體系中其橋面構(gòu)造只有3種可能受力即或受壓力，或受彎曲，或受拉力。所以橋型一切可能的排列只有9種，除第9種橋型(－，－)，表示支承構(gòu)造受拉，橋面構(gòu)造受拉，正在探索中(主要是材料問題)，尚未變成可使用的實際橋梁。其他8種橋型都已變?yōu)楝F(xiàn)實。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

1.2 材料的進展

當前橋梁工程中所用的材料為石、木、混凝土、鋼筋、低合金鋼、鋼材、高強鋼絲、高碳纖維。鋼筋與混凝土相結(jié)合成鋼筋混凝土構(gòu)件克服了抗拉能力差的缺點，成了很好的梁柱構(gòu)件。高強鋼絲與鋼筋混凝土相結(jié)合克服了鋼筋混凝土有徐變收縮的缺點可以制造出與鋼構(gòu)件相競爭的構(gòu)件。鋼材桿件由于其重量輕，強度高，施工簡單，在土建工程中一向有很大市場。最新一種材料是高碳纖維其應(yīng)用正在發(fā)展中，其有強度高，重量輕的優(yōu)點但價格十分昂貴，在工程中未能大量推廣，多應(yīng)用于混凝土構(gòu)件的修補和維護。隨著生產(chǎn)工藝改進，工程中不斷推廣，加大需求量，其價格會逐步降下來。

由上述材料可構(gòu)成前面8種橋型，但構(gòu)不成第9種橋型，主要是沒有超輕、超強應(yīng)力、超高彈性模量的材料，猶如沒有高強鋼絲就構(gòu)不成斜拉橋一樣。

1.3 現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析

用計算機和有限單元法可算出任何結(jié)構(gòu)在考慮P－Δ影響后的最大應(yīng)力和最大位移。當前梁橋、拱橋、斜拉橋基本上是線性問題，已解決。懸索橋不論是靜力問題還是動力問題，基本上是非線性問題，然而也基本上解決。盡管電腦上計算時間較長，但是比起做方案的上機時間還是不算多的，所以在結(jié)構(gòu)分析上已不比幾十年前那么困難，但仍須不斷推進。

1.4 施工工藝

在橋梁跨度不大時，起重能力不大時容易安裝，即使是混凝土構(gòu)件在支架上現(xiàn)場澆筑也可建成。但當在大江大河上建筑橋梁時，就不可能搭支架去澆筑，也沒有那么大的起吊設(shè)備去吊裝，必須要提出一套可操作的安裝工藝，在不妨礙河道上的船舶通行情況下，一段段安裝制造直至合龍。這一套安裝工藝往往歸結(jié)為一套設(shè)備或措施，其費用稱之為施工措施費。

整個橋的造價大體上就是材料費加制作費加施工措施費等。一套好的施工工藝將占有較小的施工措施費。橋梁的尺寸個性很強，這一套措施設(shè)備施工完了以后在下一座橋梁中往往難于重復利用，所以深入地研究施工工藝及其設(shè)備，降低施工措施費是設(shè)計施工中重大的課題。

掛籃懸臂澆筑工藝，它的施工圖式在該階段施工應(yīng)力與在該階段結(jié)構(gòu)所能提供的承載應(yīng)力大體上是協(xié)調(diào)的，結(jié)果用很小的掛籃代價去施工，其施工措施費很低，最后總造價也很低。

再比如用頂推法施工混凝土連續(xù)梁橋，雖然梁高要設(shè)計得稍高一點，但是它的施工階段應(yīng)力與該階段梁體所能提供的承受應(yīng)力大體上協(xié)調(diào)。最后只花了一些制作平臺，千斤頂及梁的代價，施工措施費大為降低，總造價也隨之下降。

梁橋體系如此，懸吊體系也是如此，唯獨拱橋系統(tǒng)不大協(xié)調(diào)，如何以最少的設(shè)備把各施工階段的應(yīng)力與該階段結(jié)構(gòu)能提供的承受應(yīng)力相協(xié)調(diào)是拱橋系統(tǒng)技術(shù)進步的方向。

1.5 大跨度橋的推進

每一種橋型與相應(yīng)的材料相結(jié)合可形成大跨度橋梁，但跨度必有極限。例如預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁跨度到300 m左右，幾乎到了極限，然而許多橋型跨度目前還遠未達到極限，需要我們在構(gòu)造、施工工藝方面再創(chuàng)新，去走向極限，去取得巨大的經(jīng)濟利益(切注意風險與利益共存)。

在未達到極限之前，總是用當前該橋型的世界紀錄跨度作為方案比較的根據(jù)。

跨度推進的原動力是經(jīng)濟利益的需要，斜拉橋在努力追趕懸索橋就是一個例子。

1.6 美學問題

方案的選擇取決于風險、使用性能、經(jīng)濟和美觀，方案往往是在風險，使用性能都滿足的前提下，最后是經(jīng)濟和美觀進行對決，所以美觀是一件十分重要的工作。重要的工程，一般都要求100年壽命。橋梁不僅是交通工具，也應(yīng)該是一件藝術(shù)品，期待橋梁工程師能同建筑師共同合作，建造經(jīng)典橋梁。

2 今后的發(fā)展

創(chuàng)新工程是一件有風險的工作，因為工程問題中有的是有理論，有的沒有理論，只能有經(jīng)驗，但經(jīng)驗并不是放之四海皆準的，所以客觀上就存在風險，但不能因有風險而不做工程。

所以如何進行創(chuàng)新同時要回避風險是工程中的核心問題。

我們對創(chuàng)新工程的態(tài)度應(yīng)該是不求一步登天，但求不停地穩(wěn)步向前。

我們要正確認識工程，同時要正確認識自己。

下面就橋梁的今后發(fā)展談幾點看法。

2.1 各種橋型的發(fā)展

2.1.1 梁 橋

這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是造價低，但當前存在兩大缺點必須盡快消除。

1)腹板有裂縫

國外有研究資料表明“抗拉強度隨著拉力方向與混凝土灌注方向的相互關(guān)系而異，在灌注方向受拉時其強度可降低一半左右，因為在每一個較大骨粒下面，往往會有較小的空隙或含水量較高而形成多孔水泥層”。這是很重要的觀點，可惜沒有被人重視，今后對這觀點要通過實測進行再確認。如果用這觀點去設(shè)計大跨度連續(xù)剛構(gòu)就不至于有裂縫。

2)預拱度問題

實際工程的徐變系數(shù)不易測定，又來不及試驗，導致預拱度不正確，往往下垂過大。解決的途徑是宜在箱內(nèi)預留錨固，轉(zhuǎn)向構(gòu)造，當發(fā)現(xiàn)垂度過大時采用體外預應(yīng)力解決它。

2.1.2 拱 橋

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是剛度大，很適合于走高速列車或輕軌列車。

其缺點是與斜拉橋造價相比造價較高。所以拱橋技術(shù)進步的要點是改革施工工藝，降低其施工措施費。

2.1.3 斜拉橋(包括自錨式索橋)

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是自錨式，不需錨錠，因此與同跨度的懸索橋相比造價較低，但在現(xiàn)代橋梁中，需要通過高速列車或輕軌列車，故對斜拉橋提出一定的剛度要求，所以對斜拉橋的鋼束應(yīng)配置支承點，減少鋼束跨度，提高其表觀彈性模量，達到提高剛度的目的。

2.1.4 懸索橋

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是沒有穩(wěn)定問題，其跨度可以做到相當大，目前還未達到極限。但它缺點有2:①當鋼纜受損(包括腐蝕)時不能象斜拉橋一樣，可以在不損結(jié)構(gòu)的前提下更換鋼束;②橫向剛度較差，大跨度時難于滿足高速列度或輕軌列車剛度要求。

針對以上兩大缺點，宜將鋼纜布置由圖1改成圖2。

圖1 傳統(tǒng)布置Fig.1 Traditional arrangement

圖2 改進后布置Fig.2 After improvement arrangement

這樣一可使橋面橫向轉(zhuǎn)動大為減少;二可使一根受損鋼纜在更換時，另一根鋼纜仍可繼續(xù)工作，(換纜階段，鋼纜安全系數(shù)可適當降低)保證總體結(jié)構(gòu)安全。

2.2 施工工藝

2.2.1 拱橋施工工藝改進

除拱橋施工工藝外，其他橋型施工措施費都不高，唯獨拱橋其材料費并不高而其施工措施費太高，導致總體造價提高，其他橋型的施工工藝都借用了原橋型本身結(jié)構(gòu)的潛力進行操作，而拱橋卻沒有完全做到，這個問題將在今后技術(shù)進一步中解決。

2.2.2 深水基礎(chǔ)施工工藝推進

當前長江的深水基礎(chǔ)已做到水深50 m左右，臺灣海峽的水深一般不超過80 m，所以在今后工程中，不斷累積經(jīng)驗向80 m水深推進，建立有戰(zhàn)略意義的深水基礎(chǔ)的施工工藝。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

提高拱橋、斜拉橋的總體穩(wěn)定分析水平，將成果提高到規(guī)范水平，確定其適當?shù)陌踩禂?shù)。

提高風、車、橋偶合分析水平。當前高速列車、輕軌列車已在大跨度橋梁中出現(xiàn)，列車脫軌是十分重要問題。要分析在風、車、車輪偏載與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共同作用下引起的結(jié)構(gòu)隨時間而變化的變形。這本來是一個應(yīng)該可以解決的問題，但目前從實際情況看來，各單位拿出的數(shù)據(jù)還很分散。

應(yīng)該用有限單元方法和用微分方程方法各自獨立求解，相互校對求得真解，為規(guī)范作準備。

2.4 各種橋型跨度的推進

就跨度而言目前有一種誤會:好像做大跨度橋是為大跨度而大跨度，其實不然，任何工程都需要經(jīng)過方案比較，方案比較中要經(jīng)過風險、功能、造價、工期、美觀等各方面進行比較，不適當?shù)目缍?，在方案比較中會被淘汰，跨度不是隨心所欲的結(jié)果，而是經(jīng)濟上的需要和性能的需要，比如說斜拉橋要做大跨度是為了同懸索橋競爭，因為它是自錨式的，可以省去地上2個錨錠，有經(jīng)濟優(yōu)勢;拱橋要做大跨度為的是能同斜拉橋競爭，因為拱橋的剛度比斜拉橋大，使火車不容易脫軌，有安全上的優(yōu)勢。這些都是方案上的需要。

當前混凝土梁橋跨度已達到300 m左右;拱橋跨度已達到550 m左右;斜拉橋跨度已達到1100 m左右;懸索橋跨度已達到2000 m左右。由于時代的進步，工程要求越來越高，上述各種橋型的跨度已滿足不了當前客觀需要。根據(jù)當前橋梁發(fā)展形勢，提出下列方向:

1)混凝土梁橋由于受到材料性能限制，300 m跨度已接近極限，再推進跨度須向混合結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，能否成立，須由各種橋型方案競爭來取舍。

2)拱橋跨度向800 m方向推進，目的是與斜拉橋競爭得好的剛度。

3)斜拉橋跨度向1500 m方向推進。

目前長江下游江面約1500 m左右，近來多為懸索橋結(jié)構(gòu)，由于斜拉橋結(jié)構(gòu)是自錨式不須錨錠，而懸索橋必須有錨錠，因此懸索橋和斜拉橋在同樣跨度下，懸索橋的造價要貴得多，所以斜拉橋的跨度要再次推進。目前，1088 m斜拉橋已競爭成功，能否在1200，1400，1500 m競爭成功這就是斜拉橋技術(shù)進步方向。當前應(yīng)清醒地看到斜拉橋由于穩(wěn)定問題，跨度是有極限的。

在實際工程中斜拉橋要與懸索橋競爭，在經(jīng)濟上取得優(yōu)勢。

4)懸索橋跨度向3000 m以上推進。

目前墨西那海峽懸索橋跨度是3000 m正在籌建中，我們應(yīng)該學習追蹤，認真總結(jié)其正反經(jīng)驗，為臺灣海峽橋梁方案作技術(shù)上準備。

各種橋型在某種材料條件下都有它的極限跨度及當前的跨度紀錄，這些跨度紀錄是當前做方案的重要參考、超過這紀錄時就要十分認真地判斷它的風險，通過技術(shù)進步去突破紀錄是一件十分重要工作，它擴大了各種橋型的適用范圍，使得未來的橋梁方案能做到更合理。當然工程的技術(shù)進步，總是前人成功的基礎(chǔ)上穩(wěn)步推進的。

3 結(jié)語

中國的橋梁正在自力更生的基礎(chǔ)上，吸取國外先進理念與技術(shù)，結(jié)合國情自主再創(chuàng)新，嚴格質(zhì)量管理，向橋梁強國邁進。