淺談纜索承重橋梁的發(fā)展與未來.doc

1、O田潘+、母TONGJI UNIVERSITY橋梁工程的發(fā)展趨勢(shì)講座報(bào)告（七）淺談纜索承重橋梁的發(fā)展與未來姓 名：毛文浩學(xué) 號(hào)：1232709所在院系：土木工程專業(yè)領(lǐng)域：建筑與土木工程班 級(jí)：2012級(jí)碩士橋梁2班授課教師：肖汝誠(chéng)二0一二年H一月二十日淺談纜索承重橋梁的發(fā)展與未來聽纜索承重橋梁的發(fā)展與未來有感橋梁工程發(fā)展趨勢(shì)課程的第七講中，肖汝誠(chéng)老師以其豐富的學(xué)識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)，用幽默的語(yǔ)言為我們生動(dòng)詳細(xì)地做了關(guān)于纜索承重橋梁的發(fā)展與未來的講座。 肖老師主要介紹了從兩大塊出發(fā)，分別介紹了懸索橋的過去和未來以及斜拉橋的輝煌與成就。通過講座并查閱相關(guān)資料，我對(duì)于纜索承重橋梁有了更進(jìn)一步的理解與認(rèn)識(shí)，以

2、下我淺談一下自己的一些理解。一、懸索橋的過去和未來1 、引言懸索橋擁有著悠久的歷史，我國(guó)自古就有“橋鄉(xiāng)”的美譽(yù)。我國(guó)早在 3000多年以前，就利用懸掛的受拉繩索、鐵鏈的部件來承受荷載。公元400 年左右，我國(guó)的鐵索懸索橋出現(xiàn)，也是如今世界懸索橋的雛形。而西方在1741 年，才首次建成了第一座鐵索橋，英國(guó)的Tees Bridge。近代懸索橋伴隨著西方工業(yè)革命而興起，從而奠定了現(xiàn)代懸索橋的基礎(chǔ)。1808 年，英國(guó)finey 懸索橋具有使用鐵鏈制成的鐵索，懸吊水平橋面的吊桿，成為近代懸索橋的雛形；1822年，托馬斯 泰爾福特設(shè)計(jì)的康威城堡橋（圖 1）成為歐洲第一座近代懸索橋；1840 年，盧瓦河夏托

3、納夫橋的建成，成為近代唯一一座多塔懸索橋。1883 年， 美國(guó)布魯克林大橋（圖2） 揭開了現(xiàn)代懸索橋的序幕，大橋全長(zhǎng)1834 米， 橋身由上萬(wàn)根鋼索吊離水面41 米， 是當(dāng)年世界上最長(zhǎng)的懸索橋， 也是世界上首次以鋼材建造的大橋，落成時(shí)被認(rèn)為是繼世界古代七大奇跡之后的第八大奇跡，被譽(yù)為工業(yè)革命時(shí)代全世界七個(gè)劃時(shí)代的建筑工程奇跡之一；1940 年，美國(guó)華盛頓州塔科馬懸索橋（圖3）風(fēng)毀，使人們對(duì)大跨度橋梁抗風(fēng)有了研究和認(rèn)識(shí)；1945 年后 ，懸索橋發(fā)展進(jìn)入了現(xiàn)代新時(shí)期，懸索橋的跨進(jìn)不斷突破，新材料與連接技術(shù)、新構(gòu)造和附屬設(shè)備、新施工方法和設(shè)備、新理論和分析方法的出現(xiàn)和運(yùn)用，都為懸索橋的發(fā)展提供了巨大

4、的動(dòng)力；改革開放后，中國(guó)的懸索橋建設(shè)開始騰飛：1994 年，我國(guó)建成第一座現(xiàn)代懸索橋汕頭海灣大橋； 1997 年，我們建成第一座大跨度鋼懸索橋虎門珠江大橋； 1999 年，江陰長(zhǎng)江大橋（圖4）標(biāo)志著中國(guó)開始開始邁入世界建造懸索橋的先進(jìn)行列。當(dāng)然，隨著懸索橋的發(fā)展，我們不禁要問，在懸索橋的發(fā)展中，究竟是哪些理論和技術(shù)推動(dòng)了懸索橋的發(fā)展；在懸索橋的未來發(fā)展中，還有那些問題需要我關(guān)注； 在未來的不斷改進(jìn)的各項(xiàng)工藝技術(shù)條件下，我們是否能夠克服如今的障礙，實(shí)現(xiàn)跨徑的更大跨越等。圖1康威城堡橋圖2布魯克林大橋圖3塔科馬大橋圖4江陰長(zhǎng)江大橋2、近代懸索橋的奠基時(shí)期(1845-1885)根據(jù)肖老師介紹，184

5、5-1885年是近代懸索橋的奠基時(shí)期。隨著西方工業(yè)革 命的興起，新材料新技術(shù)的不斷應(yīng)用， 在橋梁設(shè)計(jì)建造方面也有了新的突破， 近 代懸索橋與古代吊橋相比，發(fā)生了截然不同的變化。最主要的表現(xiàn)在其體系上發(fā) 生了本質(zhì)的變化，出現(xiàn)了橋塔和加勁梁這兩個(gè)懸索橋的必備構(gòu)件，為近代懸索橋的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。近代懸索橋出現(xiàn)了橋塔、吊桿、加勁梁等重要的構(gòu)件，并有 了計(jì)算理論的支撐。1823年，法國(guó)的工程師Navier采用了彈性理論對(duì)懸索橋進(jìn) 行分析計(jì)算。在該時(shí)期，懸索橋有其自己的特點(diǎn)：其主纜多數(shù)采用鏈?zhǔn)襟w系，如 鐵鏈、銅鏈、鐵煙桿等；燈工橋塔和桁架加勁梁也大量采用，并且由于技術(shù)條件 的限制，該時(shí)期懸索橋的跨進(jìn)一般不

6、大，在100-300m左右，并且其使用范圍受到了限制。然而，1883年建成的布魯克林橋，打破了這一格局。3、近代懸索橋的發(fā)展時(shí)期（1885-1945）近代懸索橋的發(fā)展得益于兩個(gè)成就： 一是布魯克林橋的建造，其在主纜材料 （首次采用平行鋼絲）和施工方法（空中紡紗法）上做出了革命性的進(jìn)展，并完 善現(xiàn)代懸索橋的體系構(gòu)造；二是撓度理論的出現(xiàn)，使懸索橋向著輕型化發(fā)展，懸 索橋的跨徑有了質(zhì)的飛躍。圖5懸索橋跨徑的變化此階段懸索橋的發(fā)展特點(diǎn)是輕型化、 大跨度，主要特征是采用了鋼橋塔、 加 勁桁梁（淺梁）和纜式主纜。在材料、施工方法和理論等方面都取得了不小的成 就。從主纜材料上看，銅、鐵鏈的強(qiáng)度低，脆性大、加

7、工費(fèi)事且成本高、容易斷 裂以至于懸索橋的跨徑較小，難以滿足鐵路運(yùn)輸發(fā)展的需求。平行鋼絲的出現(xiàn)， 是在建造材料上的突破，為現(xiàn)代懸索橋發(fā)展奠定了基礎(chǔ)?？罩屑徏喎ǖ倪\(yùn)用， 也 大大提高了施工的效率和質(zhì)量。1909年，莫西夫發(fā)展了撓度理論，考慮主纜變 形對(duì)主梁受力的改善，使得主纜成為主要的受力構(gòu)件，加勁梁則退居其位，只起到了傳遞荷載的作用，使懸索橋跨徑進(jìn)入了千米級(jí)成為了可能。1940年，塔科馬大橋風(fēng)毀事件引起了工程師們對(duì)懸索橋加勁梁的重視，并 使人們開始關(guān)注大跨度橋梁的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性。但是，塔科馬事件也使懸索橋的 發(fā)展停滯了近十年。4、戰(zhàn)后懸索橋發(fā)展的新時(shí)期（1945至今）1966年的塞文橋，首次采用

8、扁平流線型鋼箱梁代替桁架梁，大大提高了懸 索橋的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性，懸索橋進(jìn)入戰(zhàn)后發(fā)展的新時(shí)期。這時(shí)期，懸索橋不再局 限于桁架梁和鋼橋塔的經(jīng)典體系， 開始以扁平鋼箱梁為主流，并出現(xiàn)了混凝土橋 塔。而且，隨著新科技的發(fā)展（尤其是計(jì)算機(jī)），各種懸索橋的新技術(shù)（抗風(fēng)、 抗震、防腐）應(yīng)運(yùn)而生，跨徑不斷增加，我國(guó)在此階段取得了不小的成就。新時(shí)期發(fā)展成就主要表現(xiàn)在新材料及連接技術(shù)、新結(jié)構(gòu)構(gòu)造及附屬設(shè)備、新 體系、新施工方法、新計(jì)算理論和分析方法、超大跨體系等。超高強(qiáng)鋼絲、高性 能鋼材的使用，高強(qiáng)螺栓的連接和大行程伸縮縫的出現(xiàn)為都更大跨徑的懸索橋的 建設(shè)成為了可能。另外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，新體系也不斷出現(xiàn)，如博斯

9、普魯斯一 橋（圖6）邊跨不對(duì)稱布置體系，三塔雙跨鋼箱梁懸索橋（泰州長(zhǎng)江大橋圖7）圖6博斯普魯斯一橋圖7泰州長(zhǎng)江大橋但是，隨著懸索橋的發(fā)展，同時(shí)我們也需要面對(duì)更大的挑戰(zhàn)，如更大的跨度；超大跨度下的抗風(fēng)、抗震等問題；深水基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工；新材料的應(yīng)用等。5、懸索橋在21世紀(jì)跨海工程中面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)入21世紀(jì)，隨著跨海工程的興趣，懸索橋已面臨新的挑戰(zhàn)，主要是來自 以下四個(gè)方面：斜拉橋的挑戰(zhàn)、過海隧道的競(jìng)爭(zhēng)、深水基礎(chǔ)的修建和超大跨徑的 問題。隨著斜拉橋跨徑的突破，懸索橋在千米級(jí)范圍內(nèi)的優(yōu)勢(shì)將不斷下降， 且大跨 度懸索橋的經(jīng)濟(jì)性可能不如多跨斜拉橋和過海隧道。特別當(dāng)水深超過40m時(shí)，由于深水基礎(chǔ)的造價(jià)增大，

10、過海隧道具有更大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。除此之外，軍事、通 航、自然災(zāi)害、耐久性等因素也使過海隧道具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于大跨度懸 索橋，深水基礎(chǔ)的技術(shù)性問題是必須解決的， 目前其技術(shù)性問題和經(jīng)濟(jì)可行性仍 待解決。另外，對(duì)于新的體系的研究也在不斷進(jìn)行，如斜拉-懸索協(xié)作體系（圖8）, 混合雙懸臂斜拉-懸索體系（圖9）等。圖8斜拉-懸索協(xié)作體系5000m圖9混合雙懸臂斜拉-懸索體系6、結(jié)語(yǔ)千百年來建橋者對(duì)懸索橋的改進(jìn)，形成了近代懸索橋的結(jié)構(gòu)形式：燈工橋塔 +鏈?zhǔn)街骼|+桁架式加勁梁；布魯克林橋的建成，首次將平行鋼絲作為主纜應(yīng)用于 大跨度懸索橋，發(fā)明了 “空中紡紗”法，并解決了大跨度懸索橋主纜過塔和錨固 問題；撓

11、度理論的提出，使人們重新認(rèn)識(shí)了懸索橋主纜、梁的剛度貢獻(xiàn)；有限元 法及計(jì)算機(jī)的發(fā)展使非線性分析容易解決；扁平流線型鋼箱梁的成功應(yīng)用，大大 提高了懸索橋的空氣穩(wěn)定性，將懸索橋推向了戰(zhàn)后發(fā)展的新時(shí)期；當(dāng)今， 高性能 材料、新體系、新工藝、新的防腐設(shè)施將懸索橋技術(shù)推向新的高度；我們已有能 力建設(shè)主跨4000m或者更大的超大跨徑懸索橋；21實(shí)際，懸索橋面臨著多方面 的挑戰(zhàn)；混合體系，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是懸索橋發(fā)展的一個(gè)方向。二、斜拉橋的輝煌和成就1、概述1784年，德國(guó)人費(fèi)舍爾在佛萊堡建造了一座木橋，是最早期斜拉橋的雛形。 1824年彳惠國(guó)尼恩堡上建造了一座跨徑為 78m的斜拉橋，在建成次年就在行人通 過時(shí)倒塌。

12、此后，斜拉橋沉睡了一百多年。二戰(zhàn)之后，高強(qiáng)度鋼材和電子計(jì)算機(jī) 的出現(xiàn)，使人們重新認(rèn)識(shí)斜拉橋體系。1956年，迪辛格在瑞典建成了世界上第 一座現(xiàn)代化斜拉橋一一斯特羅姆松德大橋（圖 10）。20實(shí)際80年代中期以后， 斜拉橋的發(fā)展進(jìn)入了新時(shí)期。改革開放以后，中國(guó)的斜拉橋建設(shè)與世界同步發(fā)展。 上海南浦大橋、上海楊浦大橋、蘇通長(zhǎng)江大橋等，都標(biāo)志著我國(guó)斜拉橋的快速發(fā) 展。短短50多年里，斜拉橋的跨徑從182m發(fā)展到1088m,增長(zhǎng)了近5倍，斜 拉橋已經(jīng)成為當(dāng)代大跨度橋梁的主流橋型。圖10斯特羅姆松德大橋2、斜拉橋的輝煌斜拉橋的輝煌除了表現(xiàn)在其快速的發(fā)展速度和廣泛的工程應(yīng)用，還表現(xiàn)在其形式的多樣化、跨徑的

13、超大化以及計(jì)算理論與建橋技術(shù)的發(fā)展。(1)斜拉橋形式的多樣化20世紀(jì)80年代中期開始，斜拉橋進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，主要有三個(gè)發(fā)展特 點(diǎn)：主梁材料多樣化、索塔形式的變化和體系的協(xié)作與變化。主梁材料的多樣化主要表現(xiàn)在出現(xiàn)了混合梁和組合梁。混合梁主跨采用鋼 梁，大大增大了跨越能力，邊跨采用混凝土梁，減小了邊跨跨徑，在滿足主邊跨 重量平衡要求的同時(shí)，提高了結(jié)構(gòu)剛度。目前， 跨度居前列的日本多多羅和法國(guó) 諾曼底大橋均采用了混合梁。組合梁斜拉橋一般主梁上層為混凝土橋面板，下層為鋼結(jié)構(gòu)，受壓為主的區(qū)域采用混凝土材料，提高了效率；受拉為主的區(qū)域采用 鋼材，提高了局部穩(wěn)定性。我國(guó)的楊浦大橋和福建青州閩江大橋更是將

14、此種橋型 的應(yīng)用推向頂峰。索塔形式的變化主要是出現(xiàn)了矮塔斜拉橋、斜塔斜拉橋、高低塔斜拉橋和多塔斜拉橋。矮塔斜拉橋的塔高約為跨度的1/8-1/12,采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，主梁抗彎剛度大；斜拉鎖的應(yīng)力幅值較小，為常規(guī)斜拉橋的1/2-1/3。矮塔斜拉橋尤其適用于多塔多跨和塔高受限制的情形。 從剛度和疲勞考慮，更適用于鐵路橋或 雙層橋面。斜塔斜拉橋標(biāo)新立異的不對(duì)稱造型顯示出剛勁、平衡和力度，但是由于其受力不盡合理，造價(jià)一般較高。高低塔斜拉通常用在受水文地質(zhì)條件限制， 兩邊跨徑不等的情形。主要是由于橋梁景觀的要求才如此設(shè)計(jì)。 多塔多跨斜拉橋 體系是跨越長(zhǎng)距離江河湖海的重要橋型，其需要解決整理剛度不足的問

15、題。(2)跨徑超大化1956年第一座現(xiàn)代斜拉橋誕生，經(jīng)過35年的發(fā)展，1991年挪威Skarnsundet 橋跨徑530m,突破了 500m大關(guān)；1993年，上海楊浦大橋主跨推進(jìn)到 602m； 2008年，蘇通長(zhǎng)江大橋建成，其主跨 1088米，斜拉橋進(jìn)入千米級(jí)時(shí)代。2012 年，俄國(guó)Russki橋，主跨1104m,是世界上跨徑最大的斜拉橋。（3）計(jì)算理論與技術(shù)發(fā)展斜拉橋結(jié)構(gòu)分析理論的出現(xiàn)（幾何非線性、成橋合理狀態(tài)、施工分析與控制）、 新材料及連接技術(shù)的應(yīng)用（高性能鋼材、高性能混凝土、超高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線群 錨等）、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)構(gòu)造及附屬設(shè)備的使用（大行程伸縮縫、橋梁縱向緩沖裝置、 加筋土隔振基礎(chǔ)）和

16、創(chuàng)新工法及設(shè)備的利用（施工與控制技術(shù)、前支式輕型掛籃懸澆法、整體化大型浮吊安裝、連續(xù)斜拉橋頂推施工）都使得斜拉橋得到了進(jìn)一 步的發(fā)展，并將繼續(xù)輝煌。3、面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策新時(shí)代跨越工程的興起，使斜拉橋走向輝煌的同時(shí)也面臨新的挑戰(zhàn)，主要表 現(xiàn)在以下四個(gè)方面：超大跨度的技術(shù)問題、 多塔斜拉橋的技術(shù)問題、深水基礎(chǔ)的 問題、斜拉橋與其他橋型的競(jìng)爭(zhēng)。為避開深水基礎(chǔ)、滿足通航需求，我們需要更大跨徑的橋梁；為了滿足地質(zhì) 條件差、不適合建大型錨碇的地區(qū)對(duì)超大跨度橋梁的工程需求，我們需要具有競(jìng)爭(zhēng)能力的超大跨徑斜拉橋。為此，我們必須面對(duì)諸多問題。但是，斜拉橋跨徑增 大，必須考慮一些主要的控制因素， 如超長(zhǎng)斜拉索的垂

17、度效應(yīng)、主梁靠近索塔處 的巨大軸向力、索塔高度大，施工期裸塔和最大單懸臂狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)等。對(duì)于連續(xù)多跨斜拉橋的剛度不足的問題， 可以采用如下方法解決：增大中間 橋塔縱向抗彎剛度；用斜拉索加勁中間橋塔；增大主梁剛度；兩塔靠近，交叉斜 拉索增加剛度。但是，在水深時(shí)，采用增大橋塔的剛度，會(huì)產(chǎn)生很高的造價(jià)。我國(guó)長(zhǎng)江大橋基礎(chǔ)大都采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，水深40米左右。在深水基礎(chǔ)中， 主要依靠增加樁數(shù)和擴(kuò)大承臺(tái)尺寸的方法抵抗側(cè)向地震力。但是，這種橋墩防撞能力不足，并不是最佳的深水基礎(chǔ)形式。深水基礎(chǔ)的主要問題在于其施工難度大、 周期長(zhǎng)、地震力作用明顯等，因此，深水基礎(chǔ)還有許多問題亟待解決，既要解決 其技術(shù)性問題，并要

18、在經(jīng)濟(jì)上可能。在橋梁的跨徑超過300m以后，除了斜拉橋，拱橋和懸索橋也是經(jīng)濟(jì)可行的 橋梁形式。跨徑在300-600m,斜拉橋與拱橋形成競(jìng)爭(zhēng)，跨徑在 800-1400m,斜 拉橋與懸索橋形成競(jìng)爭(zhēng)。懸索橋的鋼箱梁受力比較簡(jiǎn)單，只需滿足抗風(fēng)要求，其強(qiáng)度不控制設(shè)計(jì)。斜拉橋的鋼箱梁兼有錨碇和承受水平力的作用。隨著跨徑的增 加，斜拉橋主梁軸力迅速增加，軸力引起的應(yīng)力成為加勁梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性的控制 因素。一般而言，在主跨小于千米的范圍內(nèi)，同樣布跨的斜拉橋性能優(yōu)于懸索橋。 隨著跨度的增加，斜拉橋索塔、主梁的用材指標(biāo)快速上升。如果將錨碇的造價(jià)和 拉索的單價(jià)考慮在內(nèi)，跨徑超過 1400m后，斜拉橋在經(jīng)濟(jì)上已不具備優(yōu)勢(shì)。4、結(jié)語(yǔ)二戰(zhàn)后隨著高強(qiáng)度鋼材和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，斜拉橋體系的優(yōu)點(diǎn)被重新認(rèn)識(shí)，得以飛速發(fā)展。1956 年，迪辛格在瑞典建成了世界上第一座現(xiàn)代化斜拉橋斯特羅姆松德大橋，開創(chuàng)了現(xiàn)代斜拉橋的先河。20 世紀(jì) 60 年代，有限元分析理論和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的發(fā)展，促進(jìn)了密索體系斜拉橋的出現(xiàn)，主梁以受壓為主，梁高迅速減小，斜拉橋體系的優(yōu)越性得以充分體現(xiàn)。八十年代中期開始，斜拉橋體系向著主梁輕型化、結(jié)構(gòu)形式多樣化和跨徑超大化方向發(fā)展。蘇通大橋?qū)⑿崩瓨驇肓饲准?jí)時(shí)代，可以與懸索