中國橋梁的發(fā)展

林元培

（上海市政工程設(shè)計研究院，上海 200092）

中國橋梁的發(fā)展

林元培

（上海市政工程設(shè)計研究院，上海 200092）

林元培福建莆田人，橋梁專家，中國工程院院士，現(xiàn)為上海市政工程設(shè)計研究院資深總工程師。長期從事橋梁理論研究與橋梁工程設(shè)計。主持設(shè)計的工程有上海的南浦大橋、楊浦大橋、徐浦大橋、盧浦大橋、東海大橋，重慶的嘉陵江石門大橋、李家沱長江大橋、鵝公巖長江大橋等所有橋型。目前從事橋梁體系理論及大跨度風(fēng)、車、橋聯(lián)合振動理論研究。

人類自有交通即有橋梁，它不僅是交通工具，亦是建筑物，它蘊含著當(dāng)代科學(xué)與藝術(shù)的成就，歷經(jīng)千年傳承和發(fā)展，形成獨特的橋文化。橋梁的型式大體有4種：梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋。下面就這4種橋型的特點和技術(shù)進(jìn)步的方向作闡述。

梁橋

鋼梁橋國際上有跨度548 m的加拿大魁北克橋，我國有跨度192 m的宜賓金沙江鐵路橋。預(yù)應(yīng)力混凝土橋國際上有跨度301 m的挪威斯托爾馬橋，我國有跨度330 m的重慶石板坡橋。在跨度上我國處于國際先進(jìn)水平。

梁橋以預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁較為經(jīng)濟(jì)，但這種材料具有徐變收縮的特點，施工前很難預(yù)測其參數(shù)，導(dǎo)致預(yù)拱度很難正確預(yù)留。其解決的途徑是在構(gòu)造上預(yù)留張拉體外預(yù)應(yīng)力位置和錨頭位置。當(dāng)過量的徐變發(fā)生時，即張拉體外預(yù)應(yīng)力使其下垂撓度回升。同樣，在軟土地基上建造連續(xù)梁時須預(yù)留頂升構(gòu)造，一旦沉降過量即調(diào)整支座標(biāo)高，保證結(jié)構(gòu)不開裂。這種橋型經(jīng)濟(jì)跨度在300 m以內(nèi)，優(yōu)點是造價低、剛度好，可以大規(guī)模機(jī)械化施工。若要超過這跨度，必須與同跨度的其他橋型作經(jīng)濟(jì)比較后再定案。

拱橋

鋼拱橋國際上有跨度518 m的美國新河谷橋，我國有跨度550 m的上海盧浦大橋?；炷凉皹驀H上有跨度390 m的原南斯拉夫克爾克橋，我國有跨度420 m的重慶萬縣長江大橋。在跨度上我國拱橋處于國際領(lǐng)先水平。

這種橋型剛度好，是其他橋型所不及，在高速鐵路上行駛平穩(wěn)，不易脫軌。但由于施工階段受力狀態(tài)與運行階段受力狀態(tài)不一致，導(dǎo)致施工措施費較高，所以拱橋技術(shù)進(jìn)步的方向首先是降低其施工措施費。

在結(jié)構(gòu)分析方面應(yīng)注意到由于近代橋梁允許采用電焊工藝，可以制造巨型閉口箱型斷面，其單元剛度為14×14矩陣，而一般開口斷面其單元剛度為12×12矩陣，二者計算結(jié)果相差較大。

拱橋具有剛度和美學(xué)上的優(yōu)勢，應(yīng)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。首先在跨度上推進(jìn)，目前可行的跨度在550 m左右，其跨度的潛力尚未完全發(fā)揮，應(yīng)向800 m推進(jìn)，與斜拉橋在剛度上進(jìn)行競爭。

斜拉橋

斜拉橋國際上有2012年建成1104 m的俄羅斯拉斯基島橋，而我國在2008年就建成1088 m的蘇通大橋，跨度上我國處于國際領(lǐng)先水平。

在結(jié)構(gòu)分析方面應(yīng)該注意到大跨度斜拉橋在結(jié)構(gòu)形成時，其初始恒載內(nèi)力已經(jīng)相當(dāng)大，在計算活載引起的內(nèi)力和變形時其初始內(nèi)力存在與不存在的單元剛度矩陣完全不一樣，計算結(jié)果有較大的差別。

由于高強(qiáng)鋼絲出現(xiàn)，它能在較大跨度情況下鋼絲垂度較小，致使其表觀彈性模量較大。但如今斜拉跨度已達(dá)1000 m以上，其垂度已較大，致使其表觀彈性模量降低。若再不采取構(gòu)造措施，斜拉橋剛度將和懸索橋相差不多，斜拉橋剛度優(yōu)勢將逐漸失去。為此應(yīng)在斜拉橋中最長索的中點設(shè)置支承，支承該鋼索和其他鋼索，提高剛度與懸索橋剛度再競爭。

這種橋型造型堅挺，線條流暢，結(jié)構(gòu)為自錨式不需錨錠，在同等跨度下與懸索橋相比剛度好、造價低。因此應(yīng)擴(kuò)大其使用范圍，要在跨度上進(jìn)行推進(jìn)。目前可行的跨度僅在1100 m左右，其跨度潛力仍未充分發(fā)揮。應(yīng)爭取在1500 m跨度內(nèi)斜拉橋取代懸索橋。

懸索橋

懸索橋國際上有跨度1990 m的日本明石海峽大橋，我國有跨度1650 m的舟山西喉門大橋，在跨度上我國處于國際先進(jìn)水平。

在結(jié)構(gòu)分析上應(yīng)解決好風(fēng)、車、橋共同振動問題。斯堪倫教授曾通過風(fēng)洞試驗解決橋梁的顫振風(fēng)速問題，但結(jié)構(gòu)會在小于顫振風(fēng)速情況下，風(fēng)、車、橋聯(lián)合振動亦能使橋梁的應(yīng)力和變形超過規(guī)范允許值，這問題已經(jīng)開始研究。

這種橋型目前跨度最大，非其他橋型所能及，且造型優(yōu)美，但每平方米造價最高。傳統(tǒng)的懸索橋有兩個缺點：一是鋼纜不能更換，影響使用壽命。二是大跨度時橫斷面轉(zhuǎn)角較大，影響行車速度。今后在構(gòu)造上應(yīng)將傳統(tǒng)的兩根鋼纜左右布置改成上下布置，每根鋼纜用兩根斜吊桿各與橋面左右端連接，形成等腰三角形的橫斷面布置，這樣鋼纜可以更換，橫斷面轉(zhuǎn)角較小。

以上談了4種橋型，但在一個工程中只能有一個橋型。往往是做了幾個橋型方案，從中優(yōu)選一個。主要從風(fēng)險、造價、美觀三者之間反復(fù)權(quán)衡。其中的風(fēng)險主要來自于創(chuàng)新，若不創(chuàng)新，按老辦法去做，就沒有什么風(fēng)險。但創(chuàng)新能帶來效益，所以橋梁創(chuàng)新就是永恒的主題。風(fēng)險的背后必有幾個創(chuàng)新者不放心的問題，這些問題必須要有解決預(yù)案。這些預(yù)案沒有先例，是否可靠可先在實驗室或中小橋中去試驗，直到成功為止。然后用在創(chuàng)新工程中，使風(fēng)險大為降低。但最關(guān)鍵的問題是這些不放心的問題是否已充分提到，不要在工程實施過程中出現(xiàn)的是沒有提到的問題，致使工程因沒有預(yù)案而蒙受重大損失。這種事在橋梁史中已出現(xiàn)多次。創(chuàng)新能否成功同創(chuàng)新者的經(jīng)驗、素質(zhì)有很大關(guān)系。

關(guān)于造價，只要橋型一定，即可量化。另外美觀也是重大問題，每座橋梁都要經(jīng)得起百年欣賞。風(fēng)險、造價、美觀三者既獨立，總體上又相互制約。幾種橋型方案往往是各有利弊，最后經(jīng)各方面推敲，選出一種橋型。

中國橋梁歷史悠久，長期在自力更生條件下吸收國外先進(jìn)技術(shù)再創(chuàng)新，對世界橋梁作出重大貢獻(xiàn)。我們將不斷創(chuàng)新，在國際上多參與競爭，多參加投標(biāo)、承包，作出新貢獻(xiàn)，從橋梁大國走向橋梁強(qiáng)國。

—— 摘自《科技導(dǎo)報》2015年 第22期 第1頁