現(xiàn)代大跨度橋梁的設計理念與發(fā)展

林元培

(上海市政工程設計研究總院(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。有大量的基本建設投資，中國的橋梁工程師在這樣優(yōu)越條件下應該有所作為去走向橋梁強國，今就橋型、施工工藝、結構分析、跨度的推進、美學等設計理念進行闡述。

1.1 橋型結構

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

整個橋梁體系由橋面構造和支承構造組成，用“，”表示。“，”號之左表示支承構造受力，“，”號之右表示橋面構造受力。

凡受拉為主的構造記為“－”，凡受彎為主的構造記為“○”，凡受壓為主的構造記為“+”，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

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

(+，+)表示支承構造受壓，橋面構造受壓，一般稱為斜腿鋼架。

?

(+，○)表示支承構造受壓，橋面構造受彎，一般稱為拱橋。

?

(+，－)表示支承構造受壓，橋面構造受拉，一般稱為系桿拱橋。

1.1.2 梁橋體系

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

(○，+)表示支承構造受彎，橋面構造受壓，一般稱為簡支梁橋。

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

(○，○)表示支承構造受彎，橋面構造受彎，一般稱為連續(xù)梁橋。

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

(○，－)表示支承構造受彎，橋面構造受拉，一般稱為懸臂梁橋。

1.1.3 懸吊體系

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

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

(－，○)表示支承構造受拉，橋面構造受彎，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(－，－)，表示支承構造受拉，橋面構造受拉，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。鋼筋與混凝土相結合成鋼筋混凝土構件克服了抗拉能力差的缺點，成了很好的梁柱構件。高強鋼絲與鋼筋混凝土相結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件相競爭的構件。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，多應用于混凝土構件的修補和維護。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。

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

1.3 現(xiàn)代結構分析

用計算機和有限單元法可算出任何結構在考慮P－Δ影響后的最大應力和最大位移。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，所以在結構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為一套設備或措施，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備，降低施工措施費是設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力與在該階段結構所能提供的承載應力大體上是協(xié)調的，結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，雖然梁高要設計得稍高一點，但是它的施工階段應力與該階段梁體所能提供的承受應力大體上協(xié)調。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，如何以最少的設備把各施工階段的應力與該階段結構能提供的承受應力相協(xié)調是拱橋系統(tǒng)技術進步的方向。

1.5 大跨度橋的推進

每一種橋型與相應的材料相結合可形成大跨度橋梁，但跨度必有極限。例如預應力混凝土連續(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，也應該是一件藝術品，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

這種結構優(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。如果用這觀點去設計大跨度連續(xù)剛構就不至于有裂縫。

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預留錨固，轉向構造，當發(fā)現(xiàn)垂度過大時采用體外預應力解決它。

2.1.2 拱 橋

這種結構的優(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)

這種結構的優(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

這種結構的優(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，可以在不損結構的前提下更換鋼束;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)保證總體結構安全。

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構的潛力進行操作，而拱橋卻沒有完全做到，這個問題將在今后技術進一步中解決。

2.2.2 深水基礎施工工藝推進

當前長江的深水基礎已做到水深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)略意義的深水基礎的施工工藝。

2.3 結構分析

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、車輪偏載與結構構造共同作用下引起的結構隨時間而變化的變形。這本來是一個應該可以解決的問題，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)目缍龋诜桨副容^中會被淘汰，跨度不是隨心所欲的結果，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構方向發(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，近來多為懸索橋結構，由于斜拉橋結構是自錨式不須錨錠，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進步方向。當前應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，我們應該學習追蹤，認真總結其正反經(jīng)驗，為臺灣海峽橋梁方案作技術上準備。

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。當然工程的技術進步，總是前人成功的基礎上穩(wěn)步推進的。

3 結語

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