國外橋梁發(fā)展的動向和趨勢論文
摘要： 隨著公路建設(shè)的高潮，我國橋梁的技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，但是不可否認，很多發(fā)達國家橋梁技術(shù)的發(fā)展比我們早幾十年，了解那些發(fā)達國家橋梁發(fā)展的動向和趨勢，對于指導(dǎo)我國目前橋梁的發(fā)展有很重要的意義。
關(guān)鍵詞：橋梁
1、跨徑不斷增大
目前，鋼梁、鋼拱的最大跨徑已超過500m，鋼斜拉橋為890m，而鋼懸索橋達1990m。隨著跨江跨海的需要，鋼斜拉橋的跨徑將突破1000m，鋼懸索橋?qū)⒊^3000m。至于混凝土橋，梁橋的最大跨徑為270m，拱橋已達420m，斜拉橋為530m。
2、橋型不斷豐富
本世紀(jì)50～60年代，橋梁技術(shù)經(jīng)歷了一次飛躍：混凝土梁橋懸臂平衡施工法、頂推法和拱橋無支架方法的出現(xiàn)，極大地提高了混凝土橋梁的競爭能力；斜拉橋的涌現(xiàn)和崛起，展示了豐富多彩的內(nèi)容和極大的生命力；懸索橋采用鋼箱加勁梁，技術(shù)上出現(xiàn)新的突破。所有這一切，使橋梁技術(shù)得到空前的發(fā)展。
3、結(jié)構(gòu)不斷輕型化
懸索橋采用鋼箱加勁梁，斜拉橋在密索體系的基礎(chǔ)上采用開口截面甚至是板，使梁的高跨比大大減少，非常輕穎；拱橋采用少箱甚至拱肋或桁架體系；梁橋采用長懸臂、板件減薄等，這些都使橋梁上部結(jié)構(gòu)越來越輕型化。
以下分別就各種橋型，進行簡述。
梁橋
梁橋仍然是最常用的一種橋型，目前，國外跨徑在15m以下，用鋼筋混凝土梁橋；以上則用預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋；跨徑25-40m，往往用結(jié)合梁橋或預(yù)彎預(yù)應(yīng)力梁橋。從50年代德國首次采用平衡懸臂施工法修建跨徑114.2m的Worms橋以后，混凝土梁橋也用于大跨徑橋梁。最大的混凝土梁橋，國外是跨徑270m的巴拉圭Asuncion橋。
鋼梁橋一般用于大跨徑，尤其是桁架梁，用于特大跨徑。最大的鋼桁梁橋，是跨徑549m的加拿大魁北克橋，為懸臂梁橋，公鐵兩用。
1、混凝土連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)橋有了快速發(fā)展。
交通運輸?shù)难杆侔l(fā)展，要求行車平順舒適，多伸縮縫的T型剛構(gòu)已經(jīng)不能滿足要求，因而連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)得到了迅速發(fā)展。
連續(xù)梁的不足之處是需用大噸位的盆式橡膠支座，養(yǎng)護工作量大。連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點是梁保持連續(xù)，梁墩固結(jié)。既保持了連續(xù)梁行車平順舒適的優(yōu)點，又保持了T型剛構(gòu)不設(shè)支座減少養(yǎng)護工作量的優(yōu)點。
2、預(yù)應(yīng)力應(yīng)用更加豐富和靈活
部分預(yù)應(yīng)力在公路橋梁中得到較廣泛的采用。不僅允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，而且允許在極端荷載時出現(xiàn)開裂。其優(yōu)點是，可以避免全預(yù)應(yīng)力時易出現(xiàn)的沿鋼束縱向開裂及拱度過大；剛度較全預(yù)應(yīng)力為小，有利于抗震；并可充分利用鋼筋骨架，減少鋼束，節(jié)省用鋼量。
體外預(yù)應(yīng)力得到了應(yīng)用與發(fā)展。體外預(yù)應(yīng)力早在本世界20年代末就開始應(yīng)用，70年代后應(yīng)用多了起來。體外配索，可以減小截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)恒載，提高構(gòu)件的施工質(zhì)量；力筋的線型更適合設(shè)計要求，其更換維修也較方便。加固橋梁時用體外索更是方便。著名的美國Longkey橋，跨徑36m，即是采用了體外索。
大噸位預(yù)應(yīng)力應(yīng)用增加。現(xiàn)在不少橋梁中已采用每束500t的預(yù)應(yīng)力索。預(yù)應(yīng)力索一般平彎，錨固于箱梁腋上，可以減小板件的厚度，減輕自重，局部應(yīng)力也易于解決。
無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力得到了應(yīng)用與發(fā)展。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力在國外50年代中期廣泛用于建筑業(yè)，美國目前樓板中，99%采用現(xiàn)澆無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工方便，無需孔道壓漿，修復(fù)容易，可以減小截面高度；荷載作用下應(yīng)力幅度比有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力小，有利于抗疲勞和耐久性能。
雙預(yù)應(yīng)力，即除用預(yù)張拉預(yù)應(yīng)力外，還采用了預(yù)壓力筋，使梁的載面在預(yù)拉及預(yù)壓力筋作用下工作。簡支梁雙預(yù)應(yīng)力梁端部的局部應(yīng)力較大，后來日本將預(yù)壓力筋設(shè)在離端部一定距離的上緣預(yù)留槽中，而不是錨在梁端部，使局部應(yīng)力問題趨于緩和。
國外還較多應(yīng)用預(yù)彎預(yù)應(yīng)力梁。預(yù)彎預(yù)應(yīng)力梁是在鋼工字梁上，對稱加兩集中力，澆筑混凝土底板，卸除集中力，這樣底板混凝土受到預(yù)壓，然后再澆筑腹板和頂板混凝土。有的國家如日本已有澆筑好底板的梁體作為商品供應(yīng)。
3、箱梁內(nèi)力計算更切合實際
對于箱梁，必要時需考慮約束扭轉(zhuǎn)、翹曲、畸度、剪滯的內(nèi)力。由于剪滯的影響，箱梁頂?shù)装逶谑軓澢闆r下，其縱向應(yīng)力是不均勻的，靠箱肋處大，橫向跨中處小。配筋時要用有效寬度。目前已按試驗結(jié)果，將縱向應(yīng)力按多次拋物線分布，得出實用結(jié)果。
箱梁溫差應(yīng)力的計算。箱梁由于架設(shè)方向及環(huán)境的不同，會承受不同的溫差。溫差應(yīng)力必須考慮，在特定的情況下，溫差應(yīng)力很大，甚至超過荷載應(yīng)力。因此，必須按照現(xiàn)場可能出現(xiàn)的溫差，計算內(nèi)力，加以組合，進行配筋。
按施工步驟計算恒載內(nèi)力。按結(jié)構(gòu)的最終體系計算恒載內(nèi)力，往往并不是實際的內(nèi)力。必須按照施工順序，逐階段地進行計算，在計算中考慮混凝土齡期不同的徐變收縮影響。這樣，既得到了各施工階段的控制內(nèi)力，又得到了結(jié)構(gòu)形成時的內(nèi)力和將來的內(nèi)力。同樣，也必須考慮施工順序步驟計算撓度，并反算得到預(yù)拱度。
4、施工方法豐富先進
近年來懸臂施工法中懸拼的應(yīng)用有所增加。各節(jié)段間帶有齒檻，涂環(huán)氧，使連接良好，并增大抗剪能力。可以縮短工期，特別是利用吊裝能力大的浮吊時，可加大節(jié)段長度，則更能加快施工進度。國外懸拼最大的橋為跨徑182.9m的澳CaptainCook橋。頂推施工法也處在不斷發(fā)展過程，一開始是集中頂推，兩則各用一個千斤頂推動，而且用豎向千斤頂以使水平千斤頂回程。以后發(fā)展成為多點頂推，使頂推力與摩阻力平衡，使頂推法可用于柔性墩，同時也不使用豎向千斤頂。在這以后，又有下列發(fā)展：
(1)用環(huán)形滑道，不必喂氟板。
(2)支座設(shè)在梁上，不需頂推后重行設(shè)置。
(3)拉索錨具可自動開啟或閉鎖。梁前進時錨定，千斤回程時自動開啟。
(4)在橫向中央設(shè)一個滑道，避免兩側(cè)滑道時必須兩側(cè)同步，特別適用于平曲線梁的頂推。
目前，頂推施工法不僅用于直線梁，而且用于豎曲線上的梁，以及平曲線上的梁。香港曾把頂推法成功地使用在處在切線、緩和曲線和R=430m圓曲線的梁上，把線形用最接近的圓曲線來模擬，其差值藉調(diào)整箱頂板的懸臂長度來補償。同時因為超高的不同，箱梁腹板的高度也是變化的；在處于3%縱坡和豎曲線的梁，則使板底保持同一個縱坡而改變箱高。因此，箱梁幾何尺寸、澆筑平臺的模板系統(tǒng)大為復(fù)雜，但勝利建成，為頂推法提供了新的經(jīng)驗。
80年代，逐跨拼裝法在國外得到較多的應(yīng)用。美國LongKey橋101孔，每孔36m，用可移動桁架，用浮吊將梁塊件放在桁架上就位，一次張拉，完成整孔，每周完成三孔。
斜拉橋
自1955年瑞典建成第一座現(xiàn)代斜拉橋--跨徑186.2m的Stromsund橋以來，至今已有40多年了，斜拉橋的發(fā)展，方興未艾，具有強烈的勢頭，并開始出現(xiàn)多跨斜拉橋。結(jié)構(gòu)不斷趨于輕型化；從初期的鋼斜拉橋，發(fā)展為混凝土梁、結(jié)合梁和混合式斜拉橋。跨徑不斷增大：已建成最大跨徑斜拉橋為跨徑856m法國Normandy橋，跨徑890m的日本多多羅橋正在建設(shè)中，跨徑1000m以上的斜拉橋在不久的將來即會出現(xiàn)。
1、斜拉橋的發(fā)展階段
斜拉橋的發(fā)展，經(jīng)歷了以下三代：
(1)用環(huán)形滑道，不必喂氟板。
(2)支座設(shè)在梁上，不需頂推后重行設(shè)置。
(3)拉索錨具可自動開啟或閉鎖。梁前進時錨定，千斤回程時自動開啟。
(4)在橫向中央設(shè)一個滑道，避免兩側(cè)滑道時必須兩側(cè)同步，特別適用于平曲線梁的頂推。
目前，頂推施工法不僅用于直線梁，而且用于豎曲線上的`梁，以及平曲線上的梁。香港曾把頂推法成功地使用在處在切線、緩和曲線和R=430m圓曲線的梁上，把線形用最接近的圓曲線來模擬，其差值藉調(diào)整箱頂板的懸臂長度來補償。同時因為超高的不同，箱梁腹板的高度也是變化的；在處于3%縱坡和豎曲線的梁，則使板底保持同一個縱坡而改變箱高。因此，箱梁幾何尺寸、澆筑平臺的模板系統(tǒng)大為復(fù)雜，但勝利建成，為頂推法提供了新的經(jīng)驗。
80年代，逐跨拼裝法在國外得到較多的應(yīng)用。美國LongKey橋101孔，每孔36m，用可移動桁架，用浮吊將梁塊件放在桁架上就位，一次張拉，完成整孔，每周完成三孔。
橋梁基礎(chǔ)
基礎(chǔ)尤其是大跨徑橋梁的深水基礎(chǔ)，往往需要解決施工技術(shù)上的許多難點，也往往是控制整個橋梁工程進度的關(guān)鍵工程，其費用也占橋梁造價相當(dāng)大的比重。
近年來，國外都修建了不少跨越大江大河、甚至跨越海灣的深水基礎(chǔ)，取得了很大的成績與不少新經(jīng)驗：大直徑鋼管樁、大直徑混凝土灌注樁和空心樁、復(fù)合基礎(chǔ)均得到較廣泛的采用，地下連續(xù)墻已開始在橋梁基礎(chǔ)中采用，超大的沉井也已經(jīng)出現(xiàn)并順利設(shè)置或下沉。這一切都標(biāo)志著，橋梁基礎(chǔ)工程技術(shù)已取得了很大的發(fā)展。
下面按基礎(chǔ)的主要類型進行介紹。
１、大直徑鋼管樁、柱
具有施工工藝簡便、速度快，可沉入很深土層等優(yōu)點，近年來發(fā)展很快，日本大量采用。
大直徑鋼管樁用作摩擦樁，經(jīng)歷兩個階段：初期一般在管內(nèi)澆筑混凝土，以防止鋼管的銹蝕。這樣做也會帶來一些不利影響：需在管內(nèi)取土，而對提高樁的承載能力作用不大；增大了樁的剛度，在地震時使樁頂受力增大；增加了施工難度與造價。
以后逐漸傾向于管內(nèi)不填混凝土，由于管內(nèi)土存在閉塞效應(yīng)，因此鋼管樁的承載能力比鋼管外壁土壤摩阻力要增大不少。而閉塞效應(yīng)的機理目前還不很清楚，因此往往通過靜載試驗來確定其承載力。具體實例如，日本跨徑240m的濱名大橋每主墩采用49根直徑1.6m鋼管樁，組成水上承臺。 在沖刷深、復(fù)蓋層較薄時，往往將鋼管樁沉至巖面鉆孔嵌巖，成為管柱基礎(chǔ)。這時往往用混凝土填實。如日本主跨為220m及185m的內(nèi)海大橋，水中四個深水墩均采用直徑2m的鋼管柱基礎(chǔ)
2、大直徑鉆孔灌注樁
大直徑灌注樁具有承載力大、剛度大、施工快、造價省的優(yōu)點。國外很多采用直徑2～4m的大直徑鉆孔樁；而且往往采用擴孔方法，直徑可達3～4m，而在日本橫濱港橫斷大橋-跨徑460m的鋼斜拉橋的基礎(chǔ)中，將多柱基礎(chǔ)嵌巖擴孔至直徑10m，是目前世界最大的嵌巖直徑。
在連續(xù)結(jié)構(gòu)、尤其是連拱或連續(xù)斜拉橋設(shè)計中，剛度起關(guān)鍵作用，以減少下部構(gòu)造的水平位移，減少由此引起的附加內(nèi)力。這時樁基水平向承載力不控制設(shè)計，而是剛度控制設(shè)計，大直徑灌注樁具有非常明顯的優(yōu)勢。
3、沉井
沉井基礎(chǔ)承載能力大，剛度大，可以適用于深水，但體積龐大，隨著樁基的廣泛采用,沉井的應(yīng)用范圍有所減少。不過在特大跨徑的橋梁中，沉井仍為主要基礎(chǔ)型式之一。
在大跨徑橋梁的深水基礎(chǔ)中，底節(jié)多采用浮式鋼殼沉井，用雙壁空心結(jié)構(gòu)，浮運至墩位，灌水落床，再澆筑混凝土，接高下沉，直至設(shè)計標(biāo)高。日本明石海峽大橋，最大施工水深60m，兩主塔分別采用直徑80m和78m、高70m和67m的浮式鋼殼沉井，壁厚12m，分為16個艙，是目前規(guī)模最大的橋梁沉井基礎(chǔ)。其特點是設(shè)置沉井，用大型抓斗挖泥船開挖至海底支承地基，整平巖基，再用切削機磨平，然后設(shè)置沉井，在其周圍拋石進行沖刷防護，最后沉井內(nèi)進行水下混凝土施工。日本瀨戶大橋也用同樣方法施工。
4、復(fù)合基礎(chǔ)
將樁或管柱與沉井組合的一種深水基礎(chǔ)。沉井下到一定深度,封底，然后鉆孔，將沉井內(nèi)的樁嵌巖，沉井封底與樁或柱共同受力。
其優(yōu)點是：
i)可以降低承臺的高度。
ii)可提供樁的施工場地。
iii)適應(yīng)性強,尤其適應(yīng)在巖面標(biāo)高差異很大以及落差較大的河流。
iv)沉井可作防撞設(shè)施，保護樁及墩身。
日本跨徑420m的公鐵兩用斜拉橋--柜石島橋3#墩巖面傾斜，水深近20m，采用46×29×30.5m鋼殼設(shè)置沉井與16根4m直徑的灌注樁組合的復(fù)合基礎(chǔ)。