橋梁工程國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

【專家解說(shuō)】：3 20世紀(jì)橋梁發(fā)展主要成就 3.1 學(xué)科發(fā)展 橋梁工程已被確認(rèn)為一門(mén)獨(dú)立的科學(xué)技術(shù),不再是 僅憑橋梁設(shè)計(jì)者們智慧和經(jīng)驗(yàn)的創(chuàng)造過(guò)程。它已發(fā)展成 融理論分析、設(shè)計(jì)、施工控制及管理于一體的系統(tǒng)性學(xué) 科。由于科技的進(jìn)步,一些相關(guān)的學(xué)科也滲透入橋梁工 程領(lǐng)域中,發(fā)展了新的分支學(xué)科,如橋梁抗風(fēng)、抗震、橋梁 CAD、橋梁的施工控制及橋梁檢測(cè)技術(shù)等等。 3.2 建設(shè)規(guī)模及施工技術(shù) 3.2.1 跨徑不斷增大 目前,鋼梁、鋼拱的最大跨徑已超過(guò)500m,鋼斜拉橋 為890m,而鋼懸索橋達(dá)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^(guò)3000m。 至于混凝土橋,梁橋的最大跨徑為270m,拱橋已達(dá) 420m,斜拉橋?yàn)?30m。 3.2.2 橋型不斷豐富 20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(wú)支架方法的 出現(xiàn),極大地提高了混凝土橋梁的競(jìng)爭(zhēng)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。 3.2.3 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(kāi)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(zhǎng)懸 臂、板件減薄等,這些都使橋梁上部結(jié)構(gòu)越來(lái)越輕型化。 3.2.4 橋梁墩臺(tái)及基礎(chǔ)技術(shù)不斷發(fā)展 隨著上部結(jié)構(gòu)的迅猛發(fā)展,必然給下部結(jié)構(gòu)提出更 高的要求。自鋼筋混凝土推廣使用以來(lái),橋梁墩臺(tái)的結(jié) 構(gòu)形式趨于多樣化。除了傳統(tǒng)的重力墩臺(tái)外,發(fā)展了空 心墩、樁柱式墩臺(tái)、構(gòu)架式墩臺(tái)、框架式墩臺(tái)、雙柱式墩、 拼裝墩臺(tái)及預(yù)應(yīng)力鋼筋薄壁墩等新型墩臺(tái),并日趨輕型、 柔性化。高墩技術(shù)也有較大發(fā)展。與此同時(shí),橋梁基礎(chǔ) 也在發(fā)展。50年代以后,越江、跨海灣、海峽大橋的興建 以中國(guó)、日本為首大力發(fā)展了深水基礎(chǔ)技術(shù)。如50年代 在武漢長(zhǎng)江大橋中首創(chuàng)了管柱基礎(chǔ);60年代在南京長(zhǎng)江 大橋中發(fā)展了重型沉井、深水鋼筋混凝土沉井和鋼沉井; 70年代在九江長(zhǎng)江大橋中創(chuàng)造了雙壁鋼圍堰鉆孔樁基 礎(chǔ);80年代后進(jìn)一步發(fā)展了復(fù)合基礎(chǔ)。在日本,由于本 四聯(lián)絡(luò)線工程的建設(shè),近20年來(lái),其深水基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展 很快,以地下連續(xù)墻、設(shè)置沉井和無(wú)人沉箱技術(shù)最為突 出。 3.3 設(shè)計(jì)風(fēng)格 橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)格的轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)為以下3個(gè)方面: (1)由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展,為橋梁設(shè)計(jì)師們提 供了新的設(shè)計(jì)工具,并已逐步取代了手工制圖。橋梁設(shè) 計(jì)師們的創(chuàng)造力與想象力在電腦中得以充分展現(xiàn)。 (2)隨著人類對(duì)地球生態(tài)平衡、自然環(huán)境及資源的 日益重視,對(duì)橋梁工程提出了與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的要求 橋梁的設(shè)計(jì)更加注重景觀設(shè)計(jì)。 (3)大跨度橋梁的發(fā)展,不僅要求對(duì)成橋狀態(tài)進(jìn)行 設(shè)計(jì),對(duì)施工階段的設(shè)計(jì)也很重視,將施工方法與施工過(guò) 程相結(jié)合已成為現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的一大特色。 4 橋梁工程發(fā)展探因 4.1材料革新 土木工程發(fā)展史表明,材料的每一次變革都會(huì)帶來(lái) 土木工程的巨大飛躍。橋梁工程因此獲得了一次又一次 的發(fā)展機(jī)遇。公元前5世紀(jì)至公元前3世紀(jì),磚出現(xiàn)于 中國(guó),實(shí)現(xiàn)了土木工程的第1次飛躍,開(kāi)始了磚、木結(jié)構(gòu) 的橋梁時(shí)代。19世紀(jì)波特蘭水泥、現(xiàn)代鋼材在歐洲的出 現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了土木工程的第2次飛躍,橋梁工程獲得了空前 大發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)形式及規(guī)模有了突破。20世紀(jì)初葉, 預(yù)應(yīng)力混凝土的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了土木工程的第3次飛躍,開(kāi) 始了混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的時(shí)代。20世紀(jì)70年代開(kāi)始,出 現(xiàn)了以碳纖維為代表的高級(jí)復(fù)合材料,首先被用于航空、 航天等高科技領(lǐng)域,現(xiàn)正逐步滲透到橋梁工程領(lǐng)域之中。 4.2 電子計(jì)算機(jī)技術(shù) 當(dāng)今的各種高新技術(shù)革命中,以計(jì)算機(jī)技術(shù)革命最 為耀眼。自本世紀(jì)70年代第1臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的誕生,開(kāi) 辟了計(jì)算機(jī)新時(shí)代,從根本上改變了結(jié)構(gòu)工程分析的歷 史,一門(mén)新的學(xué)科---計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)得以產(chǎn)生,有限元法 就此成為分析復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)形式的主要方法。隨著計(jì)算 機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,促成了以計(jì)算機(jī)為輔助設(shè)計(jì)的橋梁 CAD技術(shù)分支學(xué)科的形成。 4.3 預(yù)應(yīng)力思想 預(yù)應(yīng)力思想被喻為本世紀(jì)中最為革命的結(jié)構(gòu)思想, 它源于1910年法國(guó)工程師金.弗來(lái)西奈設(shè)計(jì)建造的足尺 試驗(yàn)拱橋(跨度72.5m)中。此后的數(shù)十年里被推廣到混 凝土結(jié)構(gòu)中,形成了一整套預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)。在橋梁 工程的建設(shè)中,發(fā)揮出重大作用,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)與社 會(huì)效益,其應(yīng)用已遍及各種橋梁結(jié)構(gòu)形式,不僅帶動(dòng)了中 小跨度橋梁的迅猛發(fā)展,也促成了大跨度橋梁的進(jìn)步。 尤其在斜拉橋中,這種思想的發(fā)揮達(dá)到了頂點(diǎn)。此外,它 也被用于橋梁工程的施工過(guò)程之中,衍生出許多新的施 工方法和工藝;而在舊橋加固領(lǐng)域里,也顯示出很強(qiáng)的競(jìng) 爭(zhēng)力。當(dāng)今由于預(yù)應(yīng)力思想的結(jié)合,使得預(yù)應(yīng)力混凝土 已成為本世紀(jì)最主要的橋梁材料。 4.4 自架設(shè)體系思想 在本世紀(jì)橋梁工程的發(fā)展歷程中,預(yù)應(yīng)力思想促進(jìn) 了橋梁結(jié)構(gòu)形式的變革,而自架設(shè)體系思想帶來(lái)了大跨 度橋梁施工技術(shù)的變革,兩種思想交相輝映。自架設(shè)體 系思想是通過(guò)將結(jié)構(gòu)離散成若干小的單元或構(gòu)件,以便 于預(yù)制或現(xiàn)澆,然后按特定的施工步驟進(jìn)行拼裝或澆注, 已完成的結(jié)構(gòu)部分就可以作為支撐體系參與下一階段的 施工,直到全部結(jié)構(gòu)的完成。它體現(xiàn)了“化整為零、集零 為整”的特點(diǎn)。這種思想在大跨度懸索橋、斜拉橋、拱橋 及連續(xù)梁橋等橋型的施工中得到靈活應(yīng)用。在施工過(guò)程 中,由于存在著體系轉(zhuǎn)化及受幾何非線性、材料非線性因 素的影響,施工期間結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)比成橋狀態(tài)更為不 利,于是提出了對(duì)施工階段進(jìn)行控制設(shè)計(jì)的要求。幾經(jīng) 發(fā)展,施工控制技術(shù)已逐步成為一門(mén)新興的橋梁工程分 支學(xué)科。 4.5 橋梁設(shè)計(jì)競(jìng)賽機(jī)制 橋梁設(shè)計(jì)競(jìng)賽的傳統(tǒng)在19世紀(jì)末就已在瑞士盛行, 促進(jìn)了當(dāng)時(shí)瑞士橋梁工程的發(fā)展。兩位世界級(jí)的橋梁設(shè) 計(jì)師羅伯特.馬亞爾(1872-1940)和奧斯瑪.安曼(1879 -1966)就深得這種傳統(tǒng)的熏陶,前者曾創(chuàng)造出輕盈的薄 混凝土拱橋,而后者設(shè)計(jì)了喬治.華盛頓橋、維拉扎諾懸 索橋。隨后在國(guó)外的許多大型跨海工程中都廣泛地實(shí)行 了競(jìng)賽制,如丹麥的大貝爾特工程,由于政治原因設(shè)計(jì)競(jìng) 賽持續(xù)了25年之久,期間許多新的設(shè)計(jì)構(gòu)思層出不窮, 積累了豐富的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。因而設(shè)計(jì)競(jìng)賽的實(shí)行 一定程序上推動(dòng)了橋梁工程事業(yè)的發(fā)展。4.6施工管理 體制橋梁工程的建設(shè)過(guò)程實(shí)際上也是施工組織活動(dòng)的過(guò) 程。18世紀(jì),歐洲興起花型建筑的熱潮,開(kāi)始出現(xiàn)設(shè)計(jì) 與施工的分離。后來(lái)在英國(guó)進(jìn)一步發(fā)展成了工程建設(shè)監(jiān) 理體制。1956年由國(guó)際咨詢工程師聯(lián)合會(huì)(FIDIC)和歐 洲建筑工程聯(lián)合會(huì)(FIEC)共同發(fā)起對(duì)英國(guó)土木工程師 學(xué)會(huì)(ICE)制定的合同條款進(jìn)行修改,頒布了“FIDIC”合 同條件,后經(jīng)歷了1969、1977、1987年的3次改版。幾十 年來(lái)它已被世界各國(guó)土木工程界廣泛接受和借鑒,給橋 梁工程建設(shè)行業(yè)注入了新的活力,為確保橋梁的工程質(zhì) 量、加快工程進(jìn)度、控制工程造價(jià)提供了可靠的保障。 5 21世紀(jì)橋梁工程發(fā)展前瞻 5.1 學(xué)科發(fā)展 如前所述,本世紀(jì)以來(lái)橋梁結(jié)構(gòu)工程已發(fā)展成系統(tǒng) 性的工程學(xué)科,主體框架已構(gòu)筑完畢,但遠(yuǎn)未完善?？梢?預(yù)見(jiàn),未來(lái)的世紀(jì),這些分支將得以獨(dú)立發(fā)展成熟,同時(shí) 也會(huì)相互滲透。 橋梁抗風(fēng)領(lǐng)域,大跨度橋梁風(fēng)致振動(dòng)控制技術(shù)將成 為研究的熱點(diǎn),試驗(yàn)仍將以風(fēng)洞為依托。隨著計(jì)算機(jī)技 術(shù)的不斷更新進(jìn)步,數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)可望有突破。 隨著計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展,橋梁CAD技 術(shù)將面臨新的發(fā)展機(jī)遇。集結(jié)構(gòu)分析、工程制圖、工程數(shù) 據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)的橋梁CAD軟件將會(huì)問(wèn)世,并將邁入橋 梁設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。 橋梁施工控制技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展,GPS(Global Posi- tioning System)技術(shù)的應(yīng)用將成為施工測(cè)量技術(shù)研究的 熱點(diǎn)。基礎(chǔ)工程發(fā)展的重點(diǎn)在于海洋鉆井平臺(tái)技術(shù)的引 進(jìn)。舊橋加固檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用將成為下一世紀(jì)橋梁 工程領(lǐng)域的另一道風(fēng)景線。 5.2材料發(fā)展 目前,在世界范圍,高性能混凝土的研究在深入,應(yīng) 用在擴(kuò)展。北歐國(guó)家如挪威、瑞典,橋梁基本都采用 HPC(高性能混凝土)建造,目前對(duì)橋梁混凝土除高耐久 與高強(qiáng)要求外,又增加了輕質(zhì)的要求,因?yàn)闃蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu) 使用輕質(zhì)HPC(容重約1.9t/m3),橋梁自重減輕了,可以 降低橋梁下部結(jié)構(gòu)的成本,輕質(zhì)高強(qiáng)(56~74MPa)HPC 已經(jīng)成功地在挪威一些工程中應(yīng)用。美國(guó)、加拿大在 SHRP計(jì)劃的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)上,正在大力宣傳和推廣 應(yīng)用HPC建設(shè)橋梁。有理由相信,高性能混凝土將獲得 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,并且會(huì)成為21世紀(jì)橋梁建設(shè)的優(yōu)選 工程材料。