工学桥梁工程概述

工学桥梁工程概述

市政桥梁工程技术 第一章 概 论 桥梁 （ bridge ）是跨越江河、山涧，供人、车通行的人工构筑物，简而言之，桥梁就是跨越障碍的通道。“跨越”一词，突出表现出桥梁不同于其他土木建筑的结构特征。从线路（公路或铁路）的角度讲，桥梁就是线路在跨越上述障碍时的延伸部分或连接部分。 桥梁作为交通的重要组成部分，与政治、经济、军事、科技、文化、艺术等具有密切的关系。 桥梁工程 （ bridge engineering ）是土木工程的一个分支。“桥梁工程”一词通常有两层含义：一是指桥梁建筑的实体；二是指建造桥梁所需的科技知识，包括桥梁的基础理论和研究，以及桥梁的规划、设计、施工、运营、管理和养护维修等。 第一节桥梁发展概述 古代桥梁 (ancient bridge) 大致指 19 世纪中叶以前所修建的桥梁。 近代桥梁 (modern bridge) 指 19 世纪后期以来，由工程师使用工程力学、设计规范及桥梁工程知识所兴建的桥梁。 把在 20 世纪 30 年代左右发展起来的、主要为公路和城市道路服务的桥梁称之为现代桥梁 (contemporary bridge) 。 一、古代桥梁 这些桥梁的设计和施工完全依靠建造者的经验，没有力学知识的指导。建桥材料以天然的或加工过的木材、石材为主，及竹索、藤索、铁索、铸铁，乃至锻铁。在桥式方面，有梁、拱和索桥三大类。当时技术落后，工具简陋，不会修建深水基础，施工周期也长。 我国历史、文化悠久，是世界文明古国之一。就桥梁讲，古代桥梁取得了辉煌的成就，尤其是进入隋、唐、宋、元时期，国力强盛，经济发达，桥梁建设达到鼎盛阶段，建设了大批闻名于世的桥梁。 中国古代的桥梁的成就 在拱式木桥中，宋代虹桥 (1032-1033 年 ) 构造奇特，宋代家张泽端在其名画 《 清明上河图 》 中所描绘的是汴京（今河南开封）的虹桥。 据史料记载，公元 282 年有了石拱桥。公元 606 年建成了迄今世界上尚存的跨径最大的古代石拱桥 —— 赵州桥，其跨径 37.7m ，宽 9m ，世界上第一座敞肩石拱桥，该桥构思巧妙，造型美观，工艺精湛，历 1400 年而无恙，被誉为“国际土木工程里程碑建筑”。 我国建于宋朝的福建泉州万安桥（又称洛阳桥，于公元 1053-1059 年由蔡襄所建，桥长 834m ，共 47 孔，每孔用 7 根跨度 11.8m 的石梁组成，宽约 4.9m 。 该桥首创在桥梁基础工程上用筏形基础，采用生物工程方法，用牡蛎养在涨潮前的抛石基底和石砌墩身上，使胶结成整体。 现存世界上最长的石梁桥，是福建泉州安平桥。该桥始建于南宋绍兴八年 (1138 年 ) ，前后历经 13 年建成，长近五华里（俗称五里桥），共 352 孔，现存 2070m 。被誉为“天下无桥长此桥”。 广东潮州湘子桥 ( 又称广济桥 ) 于公元 1170-1192 年建成，桥全长 517.95m ；东西浅滩部分各建一段石桥，中间深水部分以浮桥相连。 该桥创新点为：首开浮桥之桥型，可开可合，是世界开合桥的先导 我国是公认最早有索桥的国家。据记载，至迟在唐朝中期，我国就从藤索、竹索发展到用铁链建造索桥，而西方在 16 世纪才开始建造铁索桥。至今尚保存下来的古代索桥有 四川灌县的竹索桥 （世界上最古老的索桥）和 沪定县的大渡河铁索桥 。灌县竹索桥始建于宋朝（ 990 年） ,1803 年仿旧制重建，名安澜桥，桥长 340m ，分为 8 孔，由用细竹篾成的 24 根竹索组成。泸定铁索桥建于 1706 年，长约 100m ，宽约 2.8m ，由 13 条锚固于两岸的铁链组成，现作为革命文物保存。 四川灌县的竹索桥 泸定铁索桥 国外的古代桥梁 如同中国桥梁建筑一样， 19 世纪中期以前，国外桥梁建筑材料仍以木、石、铸铁、锻铁为主。 公元前 200 年 - 公元 260 年，罗马人修建了许多的石拱桥， 这个时期修建的石拱桥，拱圈呈半圆形，拱石经过细凿，砌缝不用砂浆。因当时不能修建深水基础，桥墩过宽（阻水面积过大），所修建的跨河桥多已冲毁，但是其中也有尚存与世的。 古罗马最著名的石拱桥是加德水道桥（ Pout-du-Gard ），建于公元 14 年，由三层半圆形拱组成，高约 50m ，底层 6 拱。二层 11 拱，三层 33 拱，支承着输水槽 。 罗马跨越台伯河的天使桥，始建于公元 134 年，共 5 孔（中间 3 孔为原桥），跨度 18m ； 1688 年，在栏杆柱上增加了 10 尊天使雕像，使其成为罗马最优雅美观的桥。 随着西方文艺复兴的到来，科学理论施工技术都有了长足的进步，桥梁被认为是市政建设的艺术品，桥梁工程师被认为是纪念碑的创作者。欧洲各国将政治、经济、文化、宗教等方面的变革有意无意的反映在了桥梁。 意大利威尼斯的里奥托（ Rialto) 桥是这一时期的典型代表，建于 1591 年，是威尼斯的象征。桥长 48.2m ，宽 22.95m ，离水面 6m 高，桥上中部建有厅阁，两侧店铺林立。 二、国外的近现代桥梁 19 世纪 20 年代，世界上出现铁路。现代桥梁主要是为适应铁路建设的需要，在 19 世纪后期逐步发展起来的。 在铁路发展的初期，建桥材料仍是木材、石材、铸铁和锻铁等。后来钢材逐步占据主导地位。 20 世纪初，钢筋混凝土也逐渐受到桥梁界重视，开始用于中、小跨度桥梁。建桥工具得到很大发展，出现了蒸汽机、打桩机、电动工具、风动工具、起重机具、铆钉机等。在深水基础方面，可以施工沉井、压气沉箱和大直径的桩。从这时起，铁路方才改变“见大河就断”的现象。 从 20 世纪 30 年代起，随着汽车工业的发展，公路桥梁也开始大力发展。 钢铁首次大量应用于桥梁是 1874 年修建的美国圣路易市的伊兹（ Eads) 桥，该桥为三跨（ 153m 、 158m 、 153m ）的钢拱桥，第一次大规模地应用了悬臂梁设法，从而推动了世界桥梁施工方法的进步。 1880~1890 年，英国采用悬臂桁架梁，建成了跨度空前的福思湾铁路桥，主跨 521.2m ，总长 1620m ，支承处桁高达 110m, 该桥被视为现代桥梁的典型代表 。 1917 年建成的加拿大魁北克（ Quebec ）大桥是世界上最长的悬臂梁桥，主跨为 549m 。 1869~1883 年，罗布林父子设计并建成了至今仍在使用的布鲁克林桥（ Brooklyn ，城市悬索桥，主跨 487m) 。该桥抗风性能好，为悬索桥向更大跨度发展开创了先例 。 类似于梁桥的发展过程，在拱桥中，钢拱由于自重轻、易于施工、跨越能力大而优先得到应用。 纽约狱门（ Hell Gate) 桥 , 主跨 297m ， 1932 年。 彩虹桥 , 主跨 244m ， 1936 年 1977 年，美国新河谷桥 , 主跨 518.3m ，这一拱桥跨度记录一直保持到 2000 年。 钢筋混凝土拱桥自重较大，但造价低，养护量小，抗风性能好，使用较广泛。早在 1930 年，瑞士就建成了著名的混凝土拱桥 —— 沙尔金特保（ salginatobel ）桥，它位于阿尔卑斯山间，主跨 90m ，受到现代桥梁工程师的推崇。 随着建筑技术的发展，钢筋混凝土拱桥无论是跨越能力、结构体系和主拱圈的截面形式都有了很大的发展，跨径的记录不断被刷新，到 80 年代，跨度增加到近 400m 。 克罗地亚 1980 年建成的克尔克（ KRK ） Ⅱ 号桥，跨度达 390m ，采用悬臂拼装法施工，突破了 305m 的前世界纪录。 悬索桥是能够充分发挥钢材优越性能的一种桥型。美国从 19 世纪下半叶 ---20 世纪上半叶修建了大量的悬索桥，这一时期被称为美国悬索桥的黄金阶段，其中举世闻名的金门大桥，堪称世界桥梁的杰作。 1940 年，美国塔科马悬索桥（ Tacoma Narrows ，主跨 853.4m ）因风振致毁（风速 19m/s ）。这促使人们对悬索桥结构的空气动力稳定问题进行研究，由此开创了大跨悬索桥风振理论的研究和风洞试验 20 世纪 90 年代引人注目的大跨悬索桥是丹麦的大贝尔特东桥（ Greatb ælt East Bridge ）和日本的明石海峡大桥（ Akashi Kaikyo Bridge ，）。 前者主跨长 1624m, 边跨长 535m ，塔高 254m ，于 1998 年 6 月建成通车。 后者达到创记录的 1991m 。该桥塔高 280m ，桥面宽 35m ，设 6 车道；该桥顺利开通，为 20 世纪的桥梁工程建设添上了辉煌的一笔。 丹麦大贝尔特桥 日本明石海峡大桥 斜拉桥的早期工艺技术（正交异性板，钢箱梁，斜拉索预应力工艺，施工方法等）发展于德国，建桥材料以钢为主。 由于工业、技术、资源和传统的关系，某些国家和地区倾向于修建混凝土斜拉桥。 1995 年完工的法国诺曼底（ Normandy ）桥，主跨达到 856m 。该桥为三跨斜拉桥，边跨为混凝土连续梁。 1999 年完工的日本多多罗大桥，主跨达到 890m 。跨径超过诺曼底大桥位居世界第一。 2004 年法国塔恩河河谷的米约高架桥在两个高原上绵延曲折 1.5 英里。大桥斜拉索的最高处高出地面 1125 英尺 ( 合 343 米 ) 。 中国近代史是半封建、半殖民地的历史，大大约束了生产力的发展。在中国的大川大河上，虽已有一些大桥，但大都是外国人投资、设计和施工的，被称作“洋桥”。如济南黄河大桥是德国人修的，淮河大桥是美国人修的，哈尔滨松花江大桥是俄国人修 …… 。 直到 1934-1937 年由茅以升先生主持设计并修建了浙赣线的钱塘江大桥，开创了国人设计建造大跨钢桥的先例。该桥为双层公铁两用钢桁梁桥，压气沉箱基础，全长 1400m 。 1937 年 9 月通车，同年 12 月侵华日军攻陷杭州，我国军队西撤后将桥炸毁， 1947 年 3 月修复。 三、我国的近现代桥梁 新中国成立后，随着国力的增强、经济的发展、科技的进步，桥梁事业和工程水平有了显著的发展。在国民经济恢复时期和第一个五年计划期间，迅速修复并加固了不少旧桥，也新建了不少重要大桥。在 20 世纪 50~60 年代，修订了桥梁设计规范，编制了桥梁标准设计，逐步培养并形成了一支桥梁工程设计与施工队伍，为桥梁工程的稳步发展，创造了有利条件。 1957 年第一座长江大桥 —— 武汉长江大桥的建成，结束了我过万里长江无桥的状况，实现了“一桥飞架南北，天堑变通途” ，标志着我国钢桥技术提高到新的水平。 该桥为公铁两用，下层为双线铁路，上层为 18m 宽的公路桥而，全桥总长 1670.4m 所用钢材为进口碳钢，铆接，手工操作，引进了前苏联的机器样板钻孔，使钢梁制造做到了工厂化、标准化。 1969 年我国又建成了举世瞩目的南京长江大桥，这是我国自行设计、制造、并全部使用国产高强钢材的现代大型公铁两用桥梁 。 下层为双线铁路，包括引桥在内，全长 6772m ；上层公路桥总长 4589m 。因桥址处水深流急，河床地质极为复杂，桥墩施工非常困难。该桥的建成，标志着我国钢桥建设技术已达到了世界先进水平 20 世纪钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土梁式桥在我国也获得了很大的发展，对于中小跨径的梁桥，已广泛采用装配式的钢筋混凝土以及预应力混凝土板式或 T 形梁桥的定型设计，它不仅经济适用，而且施工方便，加快了建桥速度。 洛阳黄河公路大桥，跨径 50m 的预应力混凝土简支梁桥，全长达 3.4km 。 1968 年建成的广西柳州大桥，跨径达 124m ，首次突破 100m 。 我国大跨度预应力混凝土桥是从 T 形刚构开始的。 1971 年建成的福建乌龙江大桥，主跨达 144m 。 1980 年建成的重庆长江大桥，跨径达 174m ，为我国同类桥梁中跨径最大的一座。 我国从 20 世纪 60 年代开始预应力混凝土连续梁桥的修建，但当时仅限于中小跨径。 20 世纪 80 年代随着我国交通事业的发展，在 T 型刚构与连续梁的基础上，集合二者优点产生了连续刚构，促进了大跨径桥梁的发展。 现代大跨径预应力混凝土连续梁桥和连续刚构桥已经成为我国高速公路等高等级公路中大跨径桥梁的主导桥型。 1988年建成的广东洛溪公路大桥是 我国首座预应力 混凝土 连续刚构桥，主跨为 125m, 是连续刚构桥向 更大跨度发展的开端 . 1997 年建成的广东虎门大桥 辅助航道桥 ，为主跨 270m 的连续刚构桥 , 跨度国内第一 在混凝土拱桥方面，我国不仅在结构轻型化方面进行了大量探索，在各种施工方法方面也取得了不断进步，使得我国拱桥跨径跃上一个又一个台阶。 19 97 年建成的 重庆万州长江大桥，主跨达 420m, 是世界上跨径最大的钢筋混凝土拱桥。 2005 年建成的 重庆巫峡长江大桥，主跨为 460m, 是跨径最大的钢管混凝土拱桥。 进入 21 世纪后，钢拱桥也受到青睐。 2003 年上海卢浦大桥，主跨 550m, 居世界第一 自 20 世纪 50 年代公路斜拉桥问世以来，这种结构合理、跨越能力大、外形美观的桥型就异军突起，发展迅猛。在 70 年代，我国开始探索和实践斜拉桥，修建了四川云阳汤溪河桥（主跨 76m ， 1975 年）和上海松江县新五桥（主跨 54m ， 1975 年）。至今，修建的主跨大于 200m 的斜拉桥就超过 50 座，成为目前世界上建造斜拉桥最多的国家之一。 1991 年上海南浦大桥，主跨 423m 1993 年上海杨浦大桥，跨径达 602m ，使中国的斜拉桥技术进入世界领先水平。 2001 年建成的 南京长江二桥主跨628m 。 南京长江 三 桥主跨6 4 8m 2008 年 5 月建成的苏通大桥，主跨达 1088m ，桥塔高达 300.4m, 是当今世界最大跨径的斜拉桥。 悬索桥在我国有悠久的历史，然后我国的现代悬索桥起步较晚，直到 20 世纪 90 年代，随着交通事业的飞速发展和对特大跨度桥梁的需求，我国才开始修建大跨度公路悬索桥。 1996 年建成的湖北西陵长江大桥，为主跨 900m 的钢箱加劲梁悬索桥，是中国首座一跨过长江的特大悬索桥，服务于三峡建设。 1997 年建成的广东虎门大桥，主跨 888m 1997 年建成的香港青马大桥，主跨 1377m 1999 年建成的江阴长江大桥，主跨 1385m ，跨径名列当时世界悬索桥第四位。 随着我国交通事业的发展，一些大规模的越江跨海的桥梁工程不断被修建，如已建成的上海东海大桥（ 31km) ，浙江杭州湾跨海大桥等 在桥梁基础工程方面也取得了很大进步，如苏通大桥的桩基础水深 20-25m ，桩长 114-120m, 基础为世界桥梁最深 上海东海大桥 四、桥梁发展展望 从英国福思湾铁路桥（ 1890 年）算起，现代桥梁走过了 100 余年的发展历程。人类对陆地交通的不断需求、科学与技术的不断进步，是桥梁工程得以发展的强大动力。 20 世纪后期，通过对 结构型式、工程材料、设计理论、施工设备、制造工艺 等的不断研究与创新，使桥梁工程取得了长足的技术进步。纵观中外桥梁在最近几十年的发展情况，可以预见 21 世纪的桥梁建设会表现出以下几个特点： 1 ．桥跨结构继续向大跨发展 在具有一定承载能力条件下，跨越能力仍然是反映桥梁技术水平的主要指标。为避免修建或少建深水桥墩，加大通航能力，悬索桥、斜拉桥等桥式的跨度记录一再被打破。 2 ．新桥设计理论与旧桥评估理论更趋完善 桥梁设计理论是现代桥梁工程的基石。随着桥跨的增加、建桥环境的变化（如海洋环境）、结构体系的多样和复杂，桥梁的设计会面临许多新的课题和难题，需要适应桥梁发展的需要，开展设计理论研究，完善设计规范。 3 ．建桥材料向高强、轻质、多功能方向发展 材料科学的进步是推动桥梁工程发展的重要动力之一。当代桥梁向大跨度发展的趋势，对建桥材料提出了高强、轻质和多功能的强烈要求。 4 ．信息技术在桥梁工程中的应用更趋广泛 在 21 世纪，随着信息技术和智能材料的广泛应用，桥梁结构会变得“灵敏”，其设计、施工和管理也将更为科学合理 5 ．日益重视桥梁美学、建筑造型和景观设计 概括地讲，桥梁建设的基本目标是 安全、适用、经济、美观 。围绕这一基本目标，桥梁技术的发展应表现在：桥梁具有较大的跨越能力和承载能力；车辆能安全运行于桥上并使旅客有舒适感；讲求经济效益，力图降低造价；结构优美并考虑其与环境的协调。 今后我国桥梁的发展方向 发展大跨度桥梁，进一步研究与之相关的动力和稳定等问题； 研究超长的跨海（峡）桥的设计、施工和环保技术； 开发中小跨度钢桥、混凝土桥和结合梁桥的新的截面形式，完善桥梁的标准设计 注重施工技术的发展，提高桥梁建造的机械化、自动化、大型化水平； 广泛采用以极限状态法和可靠性理论为基础的方法指导桥梁设计与评估； 更多地将高强轻质材料和新型材料应用于桥梁工程； 建立和完善桥梁健康监测与管理系统，提高既有桥梁的养护、评估和加固水平； 开展桥梁美学、建筑造型和景观设计的系统研究。 世界十大混凝土拱桥 世界十大斜拉桥 世界十大悬索桥