林清山

摘要本文簡要闡述了我國城市橋梁結構類型的演變歷程,我國城市橋梁結構的各種類型,并對今后城市橋梁結構類型的發(fā)展趨勢進行了分析。

關鍵詞城市橋梁結構類型發(fā)展趨勢

中圖分類號:U443文獻標識碼:A

所謂城市橋梁就是泛指城市區(qū)域內(nèi)建造的各式橋梁,它們主要分為跨江、跨河和跨線橋梁,以及高架橋和道路立交橋、人行天橋等。從改革開放至今,各城市基礎建設的投入都在增大,架橋鋪路、橋梁建設的蓬勃發(fā)展促進了橋梁結構的改良和更新。本文結合各城市橋梁結構類型的特點,簡要闡述這一演變歷程,并對今后結構類型的變化趨勢進行分析。

1 城市橋梁結構類型的演變過程

傳統(tǒng)的橋梁結構類型主要有:拱式、鋼構、梁式、斜拉及懸索。此外,隨著社會的進步其結構類型也而不斷發(fā)展變化著,如橋型不斷豐富、橋梁跨徑不斷增大、結構不斷輕型等?？傊?橋梁結構向著“安全、實用、經(jīng)濟、美觀”的方向發(fā)展。

1.1拱式

在橋梁的發(fā)展史上拱式橋曾占有非常重要地位,至今已有三千余年歷史,因其造價低、形態(tài)美、承載潛力大而得到廣泛的應用。建國初期我國修建的拱式橋大多數(shù)是上承式的,而比較常見的拱式橋是施工方便、橋形輕巧的雙曲拱橋。但由于其整體性較差,所以橋梁結構因交通負荷的不斷增加而破壞嚴重,而在平原及地質(zhì)條件不良地區(qū)的發(fā)展受到明顯限制?，F(xiàn)在由于新型橋梁結構類型的普及,這類拱橋已很少采用了。尤其是改革開放后中、下承式拱橋開始大量興建,其屬于外部靜定結構,一般是把拱和梁結合起來,用拱作為橋身主要承重結構的橋,其橋跨的承載結構以拱圈或拱肋為主,這種橋不但跨越能力比較強,對地基適應性比較好,而且還可以減省大量原料,免除建造巨大的墩臺。

1.2梁式

以受彎為主的主梁作為主要承重構件的橋梁稱作梁式橋。其主梁可以是桁架梁(空腹梁)或?qū)嵏沽骸Ｒ驅(qū)嵏沽和庑魏唵?制作、安裝、維修都較方便,廣泛用于中、小跨徑橋梁。梁式橋根據(jù)實腹梁的截面形式可分為口形梁、板梁、箱形梁或T形梁等。按照主梁的靜力圖式,梁橋又可分為連續(xù)梁橋、簡支梁橋、懸臂梁橋。以前,梁式橋中應用最為廣泛的是簡支梁,但因其接縫較多,結構不連續(xù),跨越能力有限,故目前在城市多跨橋梁中,簡支梁已漸漸被現(xiàn)澆連續(xù)梁所替代。連續(xù)梁橋主梁構造比較復雜,內(nèi)有正彎矩和負彎矩,屬于超靜定結構。其結構鋼度大、伸縮縫少、變形小、耐久性能好,在結構上不斷拓展。而懸臂梁橋又稱伸臂梁橋在上世紀五十年代后才發(fā)展起來的,是把簡支梁向一端或兩端懸伸出短臂的橋梁。

1.3剛構

所謂剛構橋,是指橋跨結構與橋墩式橋臺連為一體的橋梁,梁和腿或墩(臺)身構成剛性連接,主要承重結構采用剛構的橋梁。其主要類型有門式、T形、斜腿及連續(xù)剛構橋。T形剛構橋雖跨越能力較強,但因其結合處容易引起車輛跳車并加劇結合處損壞逐漸被淘汰。門式剛構橋因其構造簡單、建筑高度也較小,應用則較為廣泛。斜腿剛構橋不僅造型輕巧,而且具有較大的跨越能力,但因斜腿與主梁結合處施工難度比較大,構造復雜,故進一步推廣應用受到了極大限制。連續(xù)剛構橋是一種多次超靜定結構體,預應力混凝土連續(xù)剛構橋是連續(xù)梁橋與T形剛構橋的組合類型,跨越能力較大,不但節(jié)省了支座和伸縮縫裝置的設置、維護及更換,而且也大大消除了跳車問題,應用廣泛,在大跨度城市橋梁方案比選中極具競爭力。

1.4斜拉和懸索

此二類型均屬于大跨度橋型。斜拉橋又稱斜張橋,它是把主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁,是由承壓的塔,受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結構體系。其可使梁體內(nèi)彎矩減小,減輕結構重量,降低建筑高度,斜拉式結構剛度較大,抗風能力較強,但斜拉索水平分力使主梁承受很大的軸向壓力。懸索橋是橋面支承在懸索(通常稱大攬)上的橋梁,可以說是跨千米以上橋梁的唯一橋型,屬于特大跨徑橋梁的主要形式之一。懸索式受力形式很合理,施工風險也較小,特別適合建造大跨度橋梁,但其屬柔性結構,剛度較小,造價昂貴。斜拉橋在城市橋梁中發(fā)展趨勢上來看具有明顯優(yōu)勢,所以斜拉式比懸索式更為多見一些。

2 城市橋梁結構類型的發(fā)展趨勢

我國城市的橋梁建設,在大跨徑及大規(guī)模的橋梁建造方面,已達到世界領先水平,并不斷有刷新世界同類橋梁的記錄出現(xiàn)。但是,在城市中小跨徑橋梁中技術較為落后,橋型還不夠豐富。尤其是我國國內(nèi)橋梁設計中存在著問題和盲點,在原創(chuàng)、環(huán)保、自主知識產(chǎn)權、可持續(xù)發(fā)展等方面,還是相對欠缺的。因此,在保留優(yōu)良傳統(tǒng)橋型的基礎上,亟須研究建造符合時代要求的新型城市橋梁。筆者認為,新型城市橋梁的發(fā)展有以下幾點發(fā)展趨勢。

2.1美學因素將會對橋型的選擇產(chǎn)生絕對性的影響

從歷史建筑角度來看,我國歷來比較重視橋梁美學因素。橋梁景觀里發(fā)展的一個方向,還以結構為主來適當?shù)乜紤]其美觀,即所謂的簡潔美。另外一個是人與自然和結構的和諧美這樣發(fā)展的趨勢,這是主流。近些年來,決策者及設計者極大的關注著橋梁建筑的藝術造型和景觀設計,也引起一批批具有時代氣息、造型美觀的新型橋梁不斷涌現(xiàn)。除傳統(tǒng)的拱橋之外,斜拉橋和懸索橋由于標志性強,造型優(yōu)美,迅速加盟城市橋梁建設行列。我國著名的橋梁美學專家唐寰澄先生在其文章和專著中,曾多次提橋梁的美學法則,即協(xié)調(diào)與和諧,多樣與統(tǒng)一、以及比例、對稱和韻律美。另外還有八綱:即剛柔、動靜、陰陽、虛實的矛盾與統(tǒng)一。城市內(nèi)建造斜拉橋,獨塔式形成了最強的視覺沖擊,單索面的應用使全橋更加簡潔壯麗,就是遵循了這樣的美學法則。從而也引起了眾多橋梁設計者對比例、韻律獨特的無背索斜塔斜拉橋、蝶形拱橋和獨塔自錨式懸索橋等新式橋梁的濃厚興趣。氣勢雄偉、美觀大方、結構新穎的橋梁結構在今后一段時期必將會成為城市橋梁的新寵。

2.2新材料發(fā)展帶來新設計思路

近些年來,高強度纖維材料(如耐候鋼、鋼管混凝土、波折鋼腹板等)以其優(yōu)良的特性開始應用于全世界的橋梁維修加固之中,而且效果顯著,隨著成本的降低,其應用范圍將會隨之不斷擴大,與其他材料一起建造更為經(jīng)濟有效的城市橋梁。主要表現(xiàn)在以下三點:一是世界各國都非常重視耐候鋼的開發(fā)應用,美國與日本已各自擁有數(shù)千座耐候鋼橋,加拿大在新建的鋼橋中有九成采用耐候鋼。我國耐候鋼的研究和生產(chǎn)起步因相對較晚,故使用范圍有待于擴大。二是法國工程界采用波折鋼腹板作為箱梁腹板,多跨連續(xù)梁橋或連續(xù)剛構橋已成為各國使用的主要橋型,目前我國已有多座橋梁的設計方案,都提出了這種結構的應用。三是鋼管混凝土作為一種新組合材料,其理論以及應用技術日臻成熟,將成為未來橋梁結構的主要材料之一。鋼管混凝土還可以做成空間組合桁架式梁,造出強度和剛度都很高的豎彎、橫彎、扭轉,更充分地發(fā)揮鋼管混凝土全截面的承載能力,受力更為合理、均衡。而且鋼管混凝土的透孔率很高,阻力比較大,能夠提供很大的抗風穩(wěn)定性。

2.3橋型不斷豐富,橋梁橋自平衡型技術空前的發(fā)展

我國東部發(fā)達地區(qū)雖具有雄厚的經(jīng)濟實力,但建橋空間受到較大限制,地質(zhì)條件不良對橋型的選擇也具有許多限制。這樣,飛雁式拱橋、斜拉橋、自錨式懸索橋等自平衡結構類型的中小型橋梁,就得到了較為廣泛的應用。飛雁式提籃拱橋以其合理的結構布置,便利的施工,美觀大方的造型,必將成為城市中跨徑拱橋的主要形式之一。以獨塔斜拉橋居多的小跨徑斜拉橋,抗震性能好,抗風振能力強,經(jīng)濟效益明顯。自錨式懸索橋?qū)ν庖矊儆陟o定結構,受地質(zhì)條件的影響小,而且不需要建造龐大且昂貴的錨碇,可以建造于城市之中。隨著橋型的不斷豐富,橋梁技術也經(jīng)歷了一次次的飛躍發(fā)展?；炷亮簶虻膽冶燮胶馐┕し?、頂推法的出現(xiàn),大大地提高了混凝土橋型多樣的競爭能力;斜拉橋的出現(xiàn),展示了豐富多彩的索結構所帶來的剛勁橋型和適應環(huán)境的強大的生命力;懸索橋的采用,在橋型和跨度上均出現(xiàn)了重大的突破。橋梁自平衡型技術得到空前的發(fā)展。

2.4混合結構類型不斷更新、輕型化

例如:部分斜拉橋、斜拉拱橋及拱梁組合橋等。其構造特點是在連續(xù)梁中支點處設置矮索塔,其塔高只有斜拉橋索塔高度的一半左右,斜拉索通過矮索塔上設置的轉向塊——索鞍對主梁產(chǎn)生豎向支反力和水平壓力。研究表明:這種橋型通過合理地布置斜拉索數(shù)目以及布索方式改善結構的受力情況,提高整橋的穩(wěn)定性,是中小型梁式橋和斜拉橋在技術經(jīng)濟上強有力的競爭形式。與混合結構類型不斷更新的同時,橋型結構也不斷輕型化。如:鋼結構的大量采用的懸索橋、斜拉橋等,均使梁的高跨比大大減少,輕盈優(yōu)美。立交中的梁橋因為采用長懸臂式板件,外形輕薄,這些都使橋梁上部結構越來越輕型化。

總之,在社會主義建設的新時期,當前我國城市建設正處在日新月異發(fā)展的大好時期,大規(guī)模城市橋梁隨之逐漸出現(xiàn)。人們不僅需要有更寬更多的橋梁來改善城市擁擠的交通狀況,也希望它們造型美觀,豐富多彩,形成活潑別致的景觀,美化生活、和諧環(huán)境。