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未来桥梁的设计及发展方向

未来桥梁的设计及发展方向

-力学2班刘佩玮1117030233 总览

迄今为止,古今中外所有的桥梁均按照构造和受力体系分类,大致可分为8种:刚架桥、拱桥、系杆拱桥、简支梁桥、连续梁桥、T构桥、斜拉桥、悬索桥。如中国古桥赵州桥、各种石拱桥、混凝土拱桥、钢管拱桥均属拱桥类;南京长江大桥、九江长江大桥、杭州钱江二桥等属连续梁桥类;美国旧金山的金门大桥、中国西陵长江大桥、汕头海湾大桥均属悬索吊桥;武汉长江二桥、芜湖长江大桥、宜昌夷陵长江大桥等均属斜拉桥类。

21世纪,随着高强度钢、玻璃钢、铝合金、碳纤维等太空轻质材料的大量启用,桥梁建筑的主要材料将不断更新,桥梁结构的形式将呈现出多样化发展格局。

而斜拉索桥是半个多世纪以来最富于想象力和构思内涵最丰富而引人注目的桥型,它具有广泛的适应性。一般来说,对于跨度从200m至700m左右的桥梁,斜拉索桥在技术上和经济上都具有相当优越的竞争能力。然而,随着斜拉索桥跨度的增大,将会面临桥塔过高和斜索过长等一系列技术问题。另外,必须提到的是,斜拉索桥的斜拉索可以说是这种桥梁的生命线,至今国内外已发生过几起通车仅几年就因斜拉索腐蚀严重而导致全部换索的不幸工程实例。因此如何做好斜拉索的防腐工作,确保其使用寿命,仍是当今桥梁界十分重视的重要课题。

值得一提的是,目前世界上第二高的桥梁米约大桥就是采用斜拉索桥的设计。尽管全长达2.46公里,但只用7个桥墩支撑,其中2、3号桥墩分别高达245米和220米,是世界上最高的两个桥墩。如果算上桥墩上方用于支撑斜拉索的桥塔,最高的一个桥墩则达到343米,超过法国巴黎著名的埃菲尔铁塔23米。大桥总重29万吨,其中仅钢结构桥面就重达3.6万吨。斜拉索桥的优点是:梁体尺寸较小,桥梁的跨越能力较大;受桥下净空和桥面标高的限制少;便于悬臂施工等。不足之处是,它是多次超静定结构,设计计算复杂;索与梁或塔的连接构造比较复杂;施工中高空作业较多,且施工控制等技术要求严格。

未来的设计思路

由米约大桥可以看出未来的桥梁设计在未来会偏重于与自然环境相结合,在不断发展的科技的支持下,越来越多大胆前卫的设计将会浮现出。目前,计算机技术的发展为桥梁结构的优化设计创造了条件,使桥梁设计人员可以对即将兴建的桥梁进行仿真分析,使不同材料

的性能发挥到极致;结构动力学理论的发展与完善使设计者采用非常轻质的梁型时,不致出现像著名的塔可马吊桥那样有被风吹塌的危险;依靠科技进步可使设计人员打破常规,采取特殊的结构措施,用最少的钱造出轻质、美观而实用的桥梁来。如跨越地中海的直布罗陀海峡大桥采用了浮桥方案,但不是传统意义上浮在水上的浮桥,而是将桥梁基础放在一个巨大的没于水中的水密舱上,水密舱锚定于海底,其上部结构即为常规桥梁,其反吊桥结构形式首开国际桥式之先河;再如世纪之交中国推出的大跨转体钢管拱桥北盘江大桥,其桥梁结构形式在国际上也是绝无仅有的。21世纪还将出现一种水下密封隧道式桥梁。意大利墨西拿海峡大桥在设计时就有这种比选方案,这种桥下部结构为承台固基,上部结构则是一个沉埋水下管段式密封隧道,这是针对墨西拿海峡大桥常年狂风大浪、恶劣气候而精心选定的桥隧方案。21世纪方兴未艾的结合梁型的桥梁、斜拉桥、悬索桥也将得到长足发展。

不仅如此,在桥梁安全方面也有着长足的发展,在米约大桥的设计中,有关风力模拟户外试验从1997年就开始了,法国气象局专家甚至在图卢兹一带修建了一个人工山谷,然后向这个“山谷”灌水,水中夹杂了许多小颗粒,专家通过水流颗粒的变化模拟出塔恩河山谷可能出现的各种复杂风向,从而对大桥各种建筑结构的比例不断进行修改。最终大桥的设计使其可以抵御时速250公里的大风。而越来越精准的镭射以及卫星定位为桥梁建设当中减小误差提供了相当的帮助。在米约大桥建设中,不仅在钢材切割中运用了镭射技术以及激光定位技术,而且在桥墩的建设中,专家就利用全球卫星定位系统纠正可能出现的偏差,为了保证施工的精确性,专家们使用了世界最先进的卫星定位测量系统,在大桥上使用了300多个小型精密感应装置。它们有些被浇注在混凝土桥墩中,有些被固定在周围的岩石上。在施工中桥墩只要每升高4米,专家就利用卫星定位系统接受感应装置的信息,从而纠正可能出现的偏差,可以说由温度以及风力引起的任何微小的桥体变化都会被检测出来。这使大桥历时3年建成后,建筑垂直误差不超过5毫米,从而很好地保证了施工的精确性。在米约大桥建设成功之后准确性在99.9999%.

米约大桥的路面铺设采用了预制法,即将用于桥面的钢材在亚尔萨斯工厂加工成每块32米宽的钢板,再运到大桥两端的山谷焊接起来。一块全钢桥面有300多米长,4000多吨重,从桥下往上吊,到哪里去找那么大起重量的起重机呢?最好的起重机是钢索吊塔本身!工程师给90米高的吊塔装上轮子,吊着桥板以每分钟1.5米的速度从山谷两边向南北两侧的桥墩慢慢移动。为了让桥面能够精确平稳的安放到预定位置,桥面和桥墩上都安装了滑轮和带有中央控制系统控制的液压设备。桥面安放到桥墩上以后,通过各个方向的液压装置进行微调,精确到位以后,由中央控制系统锁定。

桥梁美学与现实相结合

桥梁不仅仅是一种用来跨越障碍的构造物,更是人类与自然相结合,相互促进的产物。因此桥梁不仅仅要有实用价值,更要有一定的美学价值。

以米约大桥为例,要求桥梁是美的,并且桥梁不能影响塔恩河谷的自然景观。因为塔恩河谷地区是一个非常美丽的地区,政府希望大桥建成之后能使整个地区仍然是“像画一样”,这给设计带来了很大的难度。

然而建成后,在上空横穿河谷的大桥,简洁干练,简单的线条没有破坏整个河谷的景观,却是像一个巨大的装置艺术品,给塔恩河谷增加了新的景观。整座桥梁组合在环境当中,看到的时候仿佛桥梁便是自然景观一样,作为整体存在,很好的保持了原景观的风貌。由于整个塔恩河谷虽然多山,但也属于平原地带,自然的风光基本上水平线条,所以米约大桥的设计便采用非常简洁的水平线条和直线条来处理,这也使得与环境的融合非常的好,桥梁采用白色,虽然非常明亮,但是并没有使得桥梁与环境割裂开来,特别是悬索部分,设计之初,Foster考虑用黑褐色的悬索,以便在山上看看不到绳索,隐去悬索使得大桥想是自己悬浮在那,最后采用明亮的颜色以便从远处发现不了悬索的存在,不与天空形成太大的反差,这样的选择是比较合适的。从桥梁的视点来看,除了桥上行车人的视点,桥梁两边山峦的视点,处于河谷的视点是很大的。

桥墩与桥塔的形态的一致性,而且三角形的镂空是桥梁的优化,减少了重量同时使得结构更加轻盈,而且镂空为三角形,也与三角形的桥面对应,运用是同一种造型单元,整体性更好,可以从前面的图看到,连围栏也设计为向内倾斜,也是达到同一个造型并且降低风阻的作用。桥梁的线条,给人心理上十分轻巧的感觉,如同Foster自己所说:“米约大桥的设计非常精巧,让人无法置信的精巧,有一种蝴蝶般优雅细致的感觉。”在云雾缭绕或是晴朗的塔恩河谷,总是能感觉到桥梁想是漂浮在那里,有一种非常神奇的魔力。

米约大桥的设计,是一个非常成功的案例,我认为是非常优雅美丽的桥梁,其简单的线条和轻盈的结构,让这座桥梁完美的融在塔恩河谷的美丽中,使得整座河谷注入新的活力。同样它也成为了法国的一个新象征,是一座非常杰出的作品。另外,从米约大桥,我认为还可以得到一点启示就是,用惯用的方式,同样也能产生适合环境的、优秀的设计,米约大桥的设计,是采用斜拉桥的形式,其形状也没有很特别的地方,甚至跟许多大桥有非常相似的地方,但是其配色,造型的精心变化,特别是它跟环境的融合,使它成为一座非常出色的作品,作为一个设计师或者是工程师,应该把与环境的契合或者与人文景观契合作为设计的重

要指标,而不是一味的追求形式的特别和不一样,类似的作品,在不同的地方,往往有着很不一样甚至完全相反的效果。在世界上大兴土木的时代,在各种疯狂设计泛滥的时代,为什么设计,应该是每一个设计团体参与者需要考虑的问题,这也是每一座经典的设计物,包括工业设计品,比如米约大桥,给我们的思考。

我国公路桥梁的发展趋势

改革开放以来,我国公路、铁路建设事业迅猛发展,尤其是高速公路建设。作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也得到相应发展,跨越大江(河)、海峡(湾)的长大桥梁建设也相继修建,一般公路和高等级公路上的中、小桥、立交桥,形式多样,工程质量不断提高,为公路运输提供了安全、舒适的服务。随着经济的发展、综合国力增强,我国的建筑材料、设备、建筑技术都有了较快发展。特别是电子计算技术的广泛应用,为广大工程技术人员提供了方便、快捷的计算分析手段。更重要的是我国的经济政策为公路事业发展提供多元化的筹资渠道,保证了建设资金来源。

我国广大桥梁建设者,充分认识到这一可贵、难得的机遇,竭尽全力,发挥自己的聪明才智,为我国公路桥梁建设事业,积极工作,做出了巨大贡献。我国的公路桥梁形式主要有:一、板式桥

板式桥是公路桥梁中量大、面广的常用桥型,它构造简单、受力明确,可以采用钢筋混凝土和预应力混凝土结构;可做成实心和空心,就地现浇为适应各种形状的弯、坡、斜桥,因此,一般公路、高等级公路和城市道路桥梁中,广泛采用。尤其是建筑高度受到限制和平原区高速公路上的中、小跨径桥梁,特别受到欢迎,从而可以减低路堤填土高度,少占耕地和节省土方工程量。

二、梁式桥

梁式桥种类很多,也是公路桥梁中最常用的桥型,其跨越能力可从20m直到300m之间。公路桥梁常用的梁式桥形式有:按结构体系分为:简支梁、悬臂梁、连续梁、T型刚构、连续刚构等。按截面型式分为:T型梁、箱型梁(或槽型梁)、衍架梁等。梁式桥跨径大小是技术水平的重要指标,一定程度上反映一个国家的工业、交通、桥梁设计和施工各方面的成就。

三、钢筋混凝拱桥

拱桥在我国有悠久历史,属我国传统项目,也是大跨径桥梁形式之一。

我国公路上修建拱桥数量最多。石拱桥由于自重大,在料加工费时费工,大跨石拱桥修

建少了。山区道路上的中、小桥涵,因地制宜,采用石拱桥(涵)还是合适的。大跨径拱桥多采用钢筋混凝土箱拱、劲性骨架拱和钢管混凝土拱。钢筋混凝土拱桥的跨径,一直落后于国外,主要原因是受施工方法的限制。我国桥梁工作者都一直在探索,寻求安全、经济、适用的方法。

四、斜拉桥

斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。目前为止建成或正在施工的斜拉桥共有3O余座,仅次于德国、日本,而居世界第三位。而大跨径混凝土斜拉桥的数量已居世界第一。50年代中期,瑞典建成第一座现代斜拉桥,40多年来,斜拉桥的发展,具有强劲势头。我国70年代中期开始修建混凝土斜拉桥,改革开放后,我国修建斜拉桥的势头一直呈上升趋势。

我国一直以发展混凝土斜拉桥为主,近几年我国开始修建钢与混凝土的混合式斜拉桥,如汕头石大桥,主跨518m;武汉长江第三大桥,主跨618m.钢箱斜拉桥如南京长江第二大桥南汊桥,主跨628m;武汉军山长江大桥,主跨460m.前几年上海建成的南浦(主跨423m)和杨浦(主跨6O2m)大桥为钢与混凝土的结合梁斜拉桥。

结语

随着我国经济发展,材料、机械、设备工业相应发展,这为我国修建大跨径斜拉桥和悬索桥提供了有力保障。再加上广大桥梁建设者的精心设计和施工,使我国建桥水平已跃身于世界先进行列。我国幅员辽阔,经济发展水平参差不齐,经济上总体水平不高,公路桥梁发展还是要着眼于量大、面广的一般大、中桥,这类桥梁仍以预应力混凝土结构为主。首先,要着重抓多样化、标准化,编制适用经济的标准图,提高施工水平和质量,然后再抓住跨越大江大河、海湾的特大型桥梁建设,不断总结经验,提高我国桥梁的建造标准和质量。