桥梁工程国内外设计现状与发展趋势

【专家解说】：3 20世纪桥梁发展主要成就 3.1 学科发展 桥梁工程已被确认为一门独立的科学技术,不再是 仅凭桥梁设计者们智慧和经验的创造过程。它已发展成 融理论分析、设计、施工控制及管理于一体的系统性学 科。由于科技的进步,一些相关的学科也渗透入桥梁工 程领域中,发展了新的分支学科,如桥梁抗风、抗震、桥梁 CAD、桥梁的施工控制及桥梁检测技术等等。 3.2 建设规模及施工技术 3.2.1 跨径不断增大 目前,钢梁、钢拱的最大跨径已超过500m,钢斜拉桥 为890m,而钢悬索桥达1990m。随着跨江跨海的需要, 钢斜拉桥的跨径将突破1000m,钢悬索桥将超过3000m。 至于混凝土桥,梁桥的最大跨径为270m,拱桥已达 420m,斜拉桥为530m。 3.2.2 桥型不断丰富 20世纪50~60年代,桥梁技术经历了一次飞跃:混 凝土梁桥悬臂平衡施工法、顶推法和拱桥无支架方法的 出现,极大地提高了混凝土桥梁的竞争能力;斜拉桥的涌 现和崛起,展示了丰富多彩的内容和极大的生命力;悬索 桥采用钢箱加劲梁,技术上出现新的突破。所有这一切, 使桥梁技术得到空前的发展。 3.2.3 结构不断轻型化 悬索桥采用钢箱加劲梁,斜拉桥在密索体系的基础 上采用开口截面甚至是板,使梁的高跨比大大减少,非常 轻颖;拱桥采用少箱甚至拱肋或桁架体系;梁桥采用长悬 臂、板件减薄等,这些都使桥梁上部结构越来越轻型化。 3.2.4 桥梁墩台及基础技术不断发展 随着上部结构的迅猛发展,必然给下部结构提出更 高的要求。自钢筋混凝土推广使用以来,桥梁墩台的结 构形式趋于多样化。除了传统的重力墩台外,发展了空 心墩、桩柱式墩台、构架式墩台、框架式墩台、双柱式墩、 拼装墩台及预应力钢筋薄壁墩等新型墩台,并日趋轻型、 柔性化。高墩技术也有较大发展。与此同时,桥梁基础 也在发展。50年代以后,越江、跨海湾、海峡大桥的兴建 以中国、日本为首大力发展了深水基础技术。如50年代 在武汉长江大桥中首创了管柱基础;60年代在南京长江 大桥中发展了重型沉井、深水钢筋混凝土沉井和钢沉井; 70年代在九江长江大桥中创造了双壁钢围堰钻孔桩基 础;80年代后进一步发展了复合基础。在日本,由于本 四联络线工程的建设,近20年来,其深水基础技术发展 很快,以地下连续墙、设置沉井和无人沉箱技术最为突 出。 3.3 设计风格 桥梁设计风格的转变主要表现为以下3个方面: (1)由于计算机的出现与发展,为桥梁设计师们提 供了新的设计工具,并已逐步取代了手工制图。桥梁设 计师们的创造力与想象力在电脑中得以充分展现。 (2)随着人类对地球生态平衡、自然环境及资源的 日益重视,对桥梁工程提出了与周围环境相协调的要求 桥梁的设计更加注重景观设计。 (3)大跨度桥梁的发展,不仅要求对成桥状态进行 设计,对施工阶段的设计也很重视,将施工方法与施工过 程相结合已成为现代桥梁设计的一大特色。 4 桥梁工程发展探因 4.1材料革新 土木工程发展史表明,材料的每一次变革都会带来 土木工程的巨大飞跃。桥梁工程因此获得了一次又一次 的发展机遇。公元前5世纪至公元前3世纪,砖出现于 中国,实现了土木工程的第1次飞跃,开始了砖、木结构 的桥梁时代。19世纪波特兰水泥、现代钢材在欧洲的出 现,实现了土木工程的第2次飞跃,桥梁工程获得了空前 大发展,桥梁结构形式及规模有了突破。20世纪初叶, 预应力混凝土的出现,实现了土木工程的第3次飞跃,开 始了混凝土桥梁结构的时代。20世纪70年代开始,出 现了以碳纤维为代表的高级复合材料,首先被用于航空、 航天等高科技领域,现正逐步渗透到桥梁工程领域之中。 4.2 电子计算机技术 当今的各种高新技术革命中,以计算机技术革命最 为耀眼。自本世纪70年代第1台微型计算机的诞生,开 辟了计算机新时代,从根本上改变了结构工程分析的历 史,一门新的学科---计算结构力学得以产生,有限元法 就此成为分析复杂桥梁结构形式的主要方法。随着计算 机技术的不断进步,促成了以计算机为辅助设计的桥梁 CAD技术分支学科的形成。 4.3 预应力思想 预应力思想被喻为本世纪中最为革命的结构思想, 它源于1910年法国工程师金.弗来西奈设计建造的足尺 试验拱桥(跨度72.5m)中。此后的数十年里被推广到混 凝土结构中,形成了一整套预应力混凝土技术。在桥梁 工程的建设中,发挥出重大作用,创造了巨大的经济与社 会效益,其应用已遍及各种桥梁结构形式,不仅带动了中 小跨度桥梁的迅猛发展,也促成了大跨度桥梁的进步。 尤其在斜拉桥中,这种思想的发挥达到了顶点。此外,它 也被用于桥梁工程的施工过程之中,衍生出许多新的施 工方法和工艺;而在旧桥加固领域里,也显示出很强的竞 争力。当今由于预应力思想的结合,使得预应力混凝土 已成为本世纪最主要的桥梁材料。 4.4 自架设体系思想 在本世纪桥梁工程的发展历程中,预应力思想促进 了桥梁结构形式的变革,而自架设体系思想带来了大跨 度桥梁施工技术的变革,两种思想交相辉映。自架设体 系思想是通过将结构离散成若干小的单元或构件,以便 于预制或现浇,然后按特定的施工步骤进行拼装或浇注, 已完成的结构部分就可以作为支撑体系参与下一阶段的 施工,直到全部结构的完成。它体现了“化整为零、集零 为整”的特点。这种思想在大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥 及连续梁桥等桥型的施工中得到灵活应用。在施工过程 中,由于存在着体系转化及受几何非线性、材料非线性因 素的影响,施工期间结构的受力状态比成桥状态更为不 利,于是提出了对施工阶段进行控制设计的要求。几经 发展,施工控制技术已逐步成为一门新兴的桥梁工程分 支学科。 4.5 桥梁设计竞赛机制 桥梁设计竞赛的传统在19世纪末就已在瑞士盛行, 促进了当时瑞士桥梁工程的发展。两位世界级的桥梁设 计师罗伯特.马亚尔(1872-1940)和奥斯玛.安曼(1879 -1966)就深得这种传统的熏陶,前者曾创造出轻盈的薄 混凝土拱桥,而后者设计了乔治.华盛顿桥、维拉扎诺悬 索桥。随后在国外的许多大型跨海工程中都广泛地实行 了竞赛制,如丹麦的大贝尔特工程,由于政治原因设计竞 赛持续了25年之久,期间许多新的设计构思层出不穷, 积累了丰富的桥梁结构设计经验。因而设计竞赛的实行 一定程序上推动了桥梁工程事业的发展。4.6施工管理 体制桥梁工程的建设过程实际上也是施工组织活动的过 程。18世纪,欧洲兴起花型建筑的热潮,开始出现设计 与施工的分离。后来在英国进一步发展成了工程建设监 理体制。1956年由国际咨询工程师联合会(FIDIC)和欧 洲建筑工程联合会(FIEC)共同发起对英国土木工程师 学会(ICE)制定的合同条款进行修改,颁布了“FIDIC”合 同条件,后经历了1969、1977、1987年的3次改版。几十 年来它已被世界各国土木工程界广泛接受和借鉴,给桥 梁工程建设行业注入了新的活力,为确保桥梁的工程质 量、加快工程进度、控制工程造价提供了可靠的保障。 5 21世纪桥梁工程发展前瞻 5.1 学科发展 如前所述,本世纪以来桥梁结构工程已发展成系统 性的工程学科,主体框架已构筑完毕,但远未完善。可以 预见,未来的世纪,这些分支将得以独立发展成熟,同时 也会相互渗透。 桥梁抗风领域,大跨度桥梁风致振动控制技术将成 为研究的热点,试验仍将以风洞为依托。随着计算机技 术的不断更新进步,数值风洞技术可望有突破。 随着计算机微处理器技术的迅猛发展,桥梁CAD技 术将面临新的发展机遇。集结构分析、工程制图、工程数 据库及专家系统的桥梁CAD软件将会问世,并将迈入桥 梁设计的网络时代。 桥梁施工控制技术将进一步发展,GPS(Global Posi- tioning System)技术的应用将成为施工测量技术研究的 热点。基础工程发展的重点在于海洋钻井平台技术的引 进。旧桥加固检测技术的开发应用将成为下一世纪桥梁 工程领域的另一道风景线。 5.2材料发展 目前,在世界范围,高性能混凝土的研究在深入,应 用在扩展。北欧国家如挪威、瑞典,桥梁基本都采用 HPC(高性能混凝土)建造,目前对桥梁混凝土除高耐久 与高强要求外,又增加了轻质的要求,因为桥梁上部结构 使用轻质HPC(容重约1.9t/m3),桥梁自重减轻了,可以 降低桥梁下部结构的成本,轻质高强(56~74MPa)HPC 已经成功地在挪威一些工程中应用。美国、加拿大在 SHRP计划的研究与应用基础上,正在大力宣传和推广 应用HPC建设桥梁。有理由相信,高性能混凝土将获得 越来越广泛的应用,并且会成为21世纪桥梁建设的优选 工程材料。