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摘要本文简要阐述了我国城市桥梁结构类型的演变历程,我国城市桥梁结构的各种类型,并对今后城市桥梁结构类型的发展趋势进行了分析。
关键词城市桥梁结构类型发展趋势
中图分类号:U443文献标识码:A
所谓城市桥梁就是泛指城市区域内建造的各式桥梁,它们主要分为跨江、跨河和跨线桥梁,以及高架桥和道路立交桥、人行天桥等。从改革开放至今,各城市基础建设的投入都在增大,架桥铺路、桥梁建设的蓬勃发展促进了桥梁结构的改良和更新。本文结合各城市桥梁结构类型的特点,简要阐述这一演变历程,并对今后结构类型的变化趋势进行分析。
1 城市桥梁结构类型的演变过程
传统的桥梁结构类型主要有:拱式、钢构、梁式、斜拉及悬索。此外,随着社会的进步其结构类型也而不断发展变化着,如桥型不断丰富、桥梁跨径不断增大、结构不断轻型等。总之,桥梁结构向着“安全、实用、经济、美观”的方向发展。
1.1拱式
在桥梁的发展史上拱式桥曾占有非常重要地位,至今已有三千余年历史,因其造价低、形态美、承载潜力大而得到广泛的应用。建国初期我国修建的拱式桥大多数是上承式的,而比较常见的拱式桥是施工方便、桥形轻巧的双曲拱桥。但由于其整体性较差,所以桥梁结构因交通负荷的不断增加而破坏严重,而在平原及地质条件不良地区的发展受到明显限制。现在由于新型桥梁结构类型的普及,这类拱桥已很少采用了。尤其是改革开放后中、下承式拱桥开始大量兴建,其属于外部静定结构,一般是把拱和梁结合起来,用拱作为桥身主要承重结构的桥,其桥跨的承载结构以拱圈或拱肋为主,这种桥不但跨越能力比较强,对地基适应性比较好,而且还可以减省大量原料,免除建造巨大的墩台。
1.2梁式
以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁称作梁式桥。其主梁可以是桁架梁(空腹梁)或实腹梁。因实腹梁外形简单,制作、安装、维修都较方便,广泛用于中、小跨径桥梁。梁式桥根据实腹梁的截面形式可分为口形梁、板梁、箱形梁或T形梁等。按照主梁的静力图式,梁桥又可分为连续梁桥、简支梁桥、悬臂梁桥。以前,梁式桥中应用最为广泛的是简支梁,但因其接缝较多,结构不连续,跨越能力有限,故目前在城市多跨桥梁中,简支梁已渐渐被现浇连续梁所替代。连续梁桥主梁构造比较复杂,内有正弯矩和负弯矩,属于超静定结构。其结构钢度大、伸缩缝少、变形小、耐久性能好,在结构上不断拓展。而悬臂梁桥又称伸臂梁桥在上世纪五十年代后才发展起来的,是把简支梁向一端或两端悬伸出短臂的桥梁。
1.3刚构
所谓刚构桥,是指桥跨结构与桥墩式桥台连为一体的桥梁,梁和腿或墩(台)身构成刚性连接,主要承重结构采用刚构的桥梁。其主要类型有门式、T形、斜腿及连续刚构桥。T形刚构桥虽跨越能力较强,但因其结合处容易引起车辆跳车并加剧结合处损坏逐渐被淘汰。门式刚构桥因其构造简单、建筑高度也较小,应用则较为广泛。斜腿刚构桥不仅造型轻巧,而且具有较大的跨越能力,但因斜腿与主梁结合处施工难度比较大,构造复杂,故进一步推广应用受到了极大限制。连续刚构桥是一种多次超静定结构体,预应力混凝土连续刚构桥是连续梁桥与T形刚构桥的组合类型,跨越能力较大,不但节省了支座和伸缩缝装置的设置、维护及更换,而且也大大消除了跳车问题,应用广泛,在大跨度城市桥梁方案比选中极具竞争力。
1.4斜拉和悬索
此二类型均属于大跨度桥型。斜拉桥又称斜张桥,它是把主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔,受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可使梁体内弯矩减小,减轻结构重量,降低建筑高度,斜拉式结构刚度较大,抗风能力较强,但斜拉索水平分力使主梁承受很大的轴向压力。悬索桥是桥面支承在悬索(通常称大揽)上的桥梁,可以说是跨千米以上桥梁的唯一桥型,属于特大跨径桥梁的主要形式之一。悬索式受力形式很合理,施工风险也较小,特别适合建造大跨度桥梁,但其属柔性结构,刚度较小,造价昂贵。斜拉桥在城市桥梁中发展趋势上来看具有明显优势,所以斜拉式比悬索式更为多见一些。
2 城市桥梁结构类型的发展趋势
我国城市的桥梁建设,在大跨径及大规模的桥梁建造方面,已达到世界领先水平,并不断有刷新世界同类桥梁的记录出现。但是,在城市中小跨径桥梁中技术较为落后,桥型还不够丰富。尤其是我国国内桥梁设计中存在着问题和盲点,在原创、环保、自主知识产权、可持续发展等方面,还是相对欠缺的。因此,在保留优良传统桥型的基础上,亟须研究建造符合时代要求的新型城市桥梁。笔者认为,新型城市桥梁的发展有以下几点发展趋势。
2.1美学因素将会对桥型的选择产生绝对性的影响
从历史建筑角度来看,我国历来比较重视桥梁美学因素。桥梁景观里发展的一个方向,还以结构为主来适当地考虑其美观,即所谓的简洁美。另外一个是人与自然和结构的和谐美这样发展的趋势,这是主流。近些年来,决策者及设计者极大的关注着桥梁建筑的艺术造型和景观设计,也引起一批批具有时代气息、造型美观的新型桥梁不断涌现。除传统的拱桥之外,斜拉桥和悬索桥由于标志性强,造型优美,迅速加盟城市桥梁建设行列。我国著名的桥梁美学专家唐寰澄先生在其文章和专著中,曾多次提桥梁的美学法则,即协调与和谐,多样与统一、以及比例、对称和韵律美。另外还有八纲:即刚柔、动静、阴阳、虚实的矛盾与统一。城市内建造斜拉桥,独塔式形成了最强的视觉冲击,单索面的应用使全桥更加简洁壮丽,就是遵循了这样的美学法则。从而也引起了众多桥梁设计者对比例、韵律独特的无背索斜塔斜拉桥、蝶形拱桥和独塔自锚式悬索桥等新式桥梁的浓厚兴趣。气势雄伟、美观大方、结构新颖的桥梁结构在今后一段时期必将会成为城市桥梁的新宠。
2.2新材料发展带来新设计思路
近些年来,高强度纤维材料(如耐候钢、钢管混凝土、波折钢腹板等)以其优良的特性开始应用于全世界的桥梁维修加固之中,而且效果显著,随着成本的降低,其应用范围将会随之不断扩大,与其他材料一起建造更为经济有效的城市桥梁。主要表现在以下三点:一是世界各国都非常重视耐候钢的开发应用,美国与日本已各自拥有数千座耐候钢桥,加拿大在新建的钢桥中有九成采用耐候钢。我国耐候钢的研究和生产起步因相对较晚,故使用范围有待于扩大。二是法国工程界采用波折钢腹板作为箱梁腹板,多跨连续梁桥或连续刚构桥已成为各国使用的主要桥型,目前我国已有多座桥梁的设计方案,都提出了这种结构的应用。三是钢管混凝土作为一种新组合材料,其理论以及应用技术日臻成熟,将成为未来桥梁结构的主要材料之一。钢管混凝土还可以做成空间组合桁架式梁,造出强度和刚度都很高的竖弯、横弯、扭转,更充分地发挥钢管混凝土全截面的承载能力,受力更为合理、均衡。而且钢管混凝土的透孔率很高,阻力比较大,能够提供很大的抗风稳定性。
2.3桥型不断丰富,桥梁桥自平衡型技术空前的发展
我国东部发达地区虽具有雄厚的经济实力,但建桥空间受到较大限制,地质条件不良对桥型的选择也具有许多限制。这样,飞雁式拱桥、斜拉桥、自锚式悬索桥等自平衡结构类型的中小型桥梁,就得到了较为广泛的应用。飞雁式提篮拱桥以其合理的结构布置,便利的施工,美观大方的造型,必将成为城市中跨径拱桥的主要形式之一。以独塔斜拉桥居多的小跨径斜拉桥,抗震性能好,抗风振能力强,经济效益明显。自锚式悬索桥对外也属于静定结构,受地质条件的影响小,而且不需要建造庞大且昂贵的锚碇,可以建造于城市之中。随着桥型的不断丰富,桥梁技术也经历了一次次的飞跃发展。混凝土梁桥的悬臂平衡施工法、顶推法的出现,大大地提高了混凝土桥型多样的竞争能力;斜拉桥的出现,展示了丰富多彩的索结构所带来的刚劲桥型和适应环境的强大的生命力;悬索桥的采用,在桥型和跨度上均出现了重大的突破。桥梁自平衡型技术得到空前的发展。
2.4混合结构类型不断更新、轻型化
例如:部分斜拉桥、斜拉拱桥及拱梁组合桥等。其构造特点是在连续梁中支点处设置矮索塔,其塔高只有斜拉桥索塔高度的一半左右,斜拉索通过矮索塔上设置的转向块——索鞍对主梁产生竖向支反力和水平压力。研究表明:这种桥型通过合理地布置斜拉索数目以及布索方式改善结构的受力情况,提高整桥的稳定性,是中小型梁式桥和斜拉桥在技术经济上强有力的竞争形式。与混合结构类型不断更新的同时,桥型结构也不断轻型化。如:钢结构的大量采用的悬索桥、斜拉桥等,均使梁的高跨比大大减少,轻盈优美。立交中的梁桥因为采用长悬臂式板件,外形轻薄,这些都使桥梁上部结构越来越轻型化。
总之,在社会主义建设的新时期,当前我国城市建设正处在日新月异发展的大好时期,大规模城市桥梁随之逐渐出现。人们不仅需要有更宽更多的桥梁来改善城市拥挤的交通状况,也希望它们造型美观,丰富多彩,形成活泼别致的景观,美化生活、和谐环境。
关键词城市桥梁结构类型发展趋势
中图分类号:U443文献标识码:A
所谓城市桥梁就是泛指城市区域内建造的各式桥梁,它们主要分为跨江、跨河和跨线桥梁,以及高架桥和道路立交桥、人行天桥等。从改革开放至今,各城市基础建设的投入都在增大,架桥铺路、桥梁建设的蓬勃发展促进了桥梁结构的改良和更新。本文结合各城市桥梁结构类型的特点,简要阐述这一演变历程,并对今后结构类型的变化趋势进行分析。
1 城市桥梁结构类型的演变过程
传统的桥梁结构类型主要有:拱式、钢构、梁式、斜拉及悬索。此外,随着社会的进步其结构类型也而不断发展变化着,如桥型不断丰富、桥梁跨径不断增大、结构不断轻型等。总之,桥梁结构向着“安全、实用、经济、美观”的方向发展。
1.1拱式
在桥梁的发展史上拱式桥曾占有非常重要地位,至今已有三千余年历史,因其造价低、形态美、承载潜力大而得到广泛的应用。建国初期我国修建的拱式桥大多数是上承式的,而比较常见的拱式桥是施工方便、桥形轻巧的双曲拱桥。但由于其整体性较差,所以桥梁结构因交通负荷的不断增加而破坏严重,而在平原及地质条件不良地区的发展受到明显限制。现在由于新型桥梁结构类型的普及,这类拱桥已很少采用了。尤其是改革开放后中、下承式拱桥开始大量兴建,其属于外部静定结构,一般是把拱和梁结合起来,用拱作为桥身主要承重结构的桥,其桥跨的承载结构以拱圈或拱肋为主,这种桥不但跨越能力比较强,对地基适应性比较好,而且还可以减省大量原料,免除建造巨大的墩台。
1.2梁式
以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁称作梁式桥。其主梁可以是桁架梁(空腹梁)或实腹梁。因实腹梁外形简单,制作、安装、维修都较方便,广泛用于中、小跨径桥梁。梁式桥根据实腹梁的截面形式可分为口形梁、板梁、箱形梁或T形梁等。按照主梁的静力图式,梁桥又可分为连续梁桥、简支梁桥、悬臂梁桥。以前,梁式桥中应用最为广泛的是简支梁,但因其接缝较多,结构不连续,跨越能力有限,故目前在城市多跨桥梁中,简支梁已渐渐被现浇连续梁所替代。连续梁桥主梁构造比较复杂,内有正弯矩和负弯矩,属于超静定结构。其结构钢度大、伸缩缝少、变形小、耐久性能好,在结构上不断拓展。而悬臂梁桥又称伸臂梁桥在上世纪五十年代后才发展起来的,是把简支梁向一端或两端悬伸出短臂的桥梁。
1.3刚构
所谓刚构桥,是指桥跨结构与桥墩式桥台连为一体的桥梁,梁和腿或墩(台)身构成刚性连接,主要承重结构采用刚构的桥梁。其主要类型有门式、T形、斜腿及连续刚构桥。T形刚构桥虽跨越能力较强,但因其结合处容易引起车辆跳车并加剧结合处损坏逐渐被淘汰。门式刚构桥因其构造简单、建筑高度也较小,应用则较为广泛。斜腿刚构桥不仅造型轻巧,而且具有较大的跨越能力,但因斜腿与主梁结合处施工难度比较大,构造复杂,故进一步推广应用受到了极大限制。连续刚构桥是一种多次超静定结构体,预应力混凝土连续刚构桥是连续梁桥与T形刚构桥的组合类型,跨越能力较大,不但节省了支座和伸缩缝装置的设置、维护及更换,而且也大大消除了跳车问题,应用广泛,在大跨度城市桥梁方案比选中极具竞争力。
1.4斜拉和悬索
此二类型均属于大跨度桥型。斜拉桥又称斜张桥,它是把主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔,受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可使梁体内弯矩减小,减轻结构重量,降低建筑高度,斜拉式结构刚度较大,抗风能力较强,但斜拉索水平分力使主梁承受很大的轴向压力。悬索桥是桥面支承在悬索(通常称大揽)上的桥梁,可以说是跨千米以上桥梁的唯一桥型,属于特大跨径桥梁的主要形式之一。悬索式受力形式很合理,施工风险也较小,特别适合建造大跨度桥梁,但其属柔性结构,刚度较小,造价昂贵。斜拉桥在城市桥梁中发展趋势上来看具有明显优势,所以斜拉式比悬索式更为多见一些。
2 城市桥梁结构类型的发展趋势
我国城市的桥梁建设,在大跨径及大规模的桥梁建造方面,已达到世界领先水平,并不断有刷新世界同类桥梁的记录出现。但是,在城市中小跨径桥梁中技术较为落后,桥型还不够丰富。尤其是我国国内桥梁设计中存在着问题和盲点,在原创、环保、自主知识产权、可持续发展等方面,还是相对欠缺的。因此,在保留优良传统桥型的基础上,亟须研究建造符合时代要求的新型城市桥梁。笔者认为,新型城市桥梁的发展有以下几点发展趋势。
2.1美学因素将会对桥型的选择产生绝对性的影响
从历史建筑角度来看,我国历来比较重视桥梁美学因素。桥梁景观里发展的一个方向,还以结构为主来适当地考虑其美观,即所谓的简洁美。另外一个是人与自然和结构的和谐美这样发展的趋势,这是主流。近些年来,决策者及设计者极大的关注着桥梁建筑的艺术造型和景观设计,也引起一批批具有时代气息、造型美观的新型桥梁不断涌现。除传统的拱桥之外,斜拉桥和悬索桥由于标志性强,造型优美,迅速加盟城市桥梁建设行列。我国著名的桥梁美学专家唐寰澄先生在其文章和专著中,曾多次提桥梁的美学法则,即协调与和谐,多样与统一、以及比例、对称和韵律美。另外还有八纲:即刚柔、动静、阴阳、虚实的矛盾与统一。城市内建造斜拉桥,独塔式形成了最强的视觉冲击,单索面的应用使全桥更加简洁壮丽,就是遵循了这样的美学法则。从而也引起了众多桥梁设计者对比例、韵律独特的无背索斜塔斜拉桥、蝶形拱桥和独塔自锚式悬索桥等新式桥梁的浓厚兴趣。气势雄伟、美观大方、结构新颖的桥梁结构在今后一段时期必将会成为城市桥梁的新宠。
2.2新材料发展带来新设计思路
近些年来,高强度纤维材料(如耐候钢、钢管混凝土、波折钢腹板等)以其优良的特性开始应用于全世界的桥梁维修加固之中,而且效果显著,随着成本的降低,其应用范围将会随之不断扩大,与其他材料一起建造更为经济有效的城市桥梁。主要表现在以下三点:一是世界各国都非常重视耐候钢的开发应用,美国与日本已各自拥有数千座耐候钢桥,加拿大在新建的钢桥中有九成采用耐候钢。我国耐候钢的研究和生产起步因相对较晚,故使用范围有待于扩大。二是法国工程界采用波折钢腹板作为箱梁腹板,多跨连续梁桥或连续刚构桥已成为各国使用的主要桥型,目前我国已有多座桥梁的设计方案,都提出了这种结构的应用。三是钢管混凝土作为一种新组合材料,其理论以及应用技术日臻成熟,将成为未来桥梁结构的主要材料之一。钢管混凝土还可以做成空间组合桁架式梁,造出强度和刚度都很高的竖弯、横弯、扭转,更充分地发挥钢管混凝土全截面的承载能力,受力更为合理、均衡。而且钢管混凝土的透孔率很高,阻力比较大,能够提供很大的抗风稳定性。
2.3桥型不断丰富,桥梁桥自平衡型技术空前的发展
我国东部发达地区虽具有雄厚的经济实力,但建桥空间受到较大限制,地质条件不良对桥型的选择也具有许多限制。这样,飞雁式拱桥、斜拉桥、自锚式悬索桥等自平衡结构类型的中小型桥梁,就得到了较为广泛的应用。飞雁式提篮拱桥以其合理的结构布置,便利的施工,美观大方的造型,必将成为城市中跨径拱桥的主要形式之一。以独塔斜拉桥居多的小跨径斜拉桥,抗震性能好,抗风振能力强,经济效益明显。自锚式悬索桥对外也属于静定结构,受地质条件的影响小,而且不需要建造庞大且昂贵的锚碇,可以建造于城市之中。随着桥型的不断丰富,桥梁技术也经历了一次次的飞跃发展。混凝土梁桥的悬臂平衡施工法、顶推法的出现,大大地提高了混凝土桥型多样的竞争能力;斜拉桥的出现,展示了丰富多彩的索结构所带来的刚劲桥型和适应环境的强大的生命力;悬索桥的采用,在桥型和跨度上均出现了重大的突破。桥梁自平衡型技术得到空前的发展。
2.4混合结构类型不断更新、轻型化
例如:部分斜拉桥、斜拉拱桥及拱梁组合桥等。其构造特点是在连续梁中支点处设置矮索塔,其塔高只有斜拉桥索塔高度的一半左右,斜拉索通过矮索塔上设置的转向块——索鞍对主梁产生竖向支反力和水平压力。研究表明:这种桥型通过合理地布置斜拉索数目以及布索方式改善结构的受力情况,提高整桥的稳定性,是中小型梁式桥和斜拉桥在技术经济上强有力的竞争形式。与混合结构类型不断更新的同时,桥型结构也不断轻型化。如:钢结构的大量采用的悬索桥、斜拉桥等,均使梁的高跨比大大减少,轻盈优美。立交中的梁桥因为采用长悬臂式板件,外形轻薄,这些都使桥梁上部结构越来越轻型化。
总之,在社会主义建设的新时期,当前我国城市建设正处在日新月异发展的大好时期,大规模城市桥梁随之逐渐出现。人们不仅需要有更宽更多的桥梁来改善城市拥挤的交通状况,也希望它们造型美观,丰富多彩,形成活泼别致的景观,美化生活、和谐环境。