钢构桥

简介

现代桥梁的发展

简介

装配式钢桥在世界各地都得到了广泛应用。最初的装配式钢桥由英国唐纳德贝雷（Donald Bailey）工程师在1938年第二次世界大战初期设计。主要的设计概念是以最少种类的单元构件，拼装成能承载各种荷载、不同跨径的装配式钢桥，且只需一般中型卡车运输，特殊情况下并能全部以依靠人力来搭建。

在第二次世界大战期间，装配式钢桥被大量用于欧洲及远东战场，抢修桥梁或架设临时便桥。美国于1941年从英国购买了专利，制造装配式钢桥，命名为M1型；经过改进后（车行道加宽12%），命名为M2型 。

二战后，许多国家引进了装配式钢桥，并开始广泛应用于民用。在中国，装配式钢桥也得到了很大发展，并于1965年定型生产，现广泛应用于国防战备、交通工程、市政水利工程。

现代桥梁的发展

桥梁是线路的重要组成部分。在历史上，每当运输工具发生重大变化，对桥梁在载重、跨度等方面提出新的要求，便推动了桥梁工程技术的发展。在19世纪20年代铁路出现以前，造桥所用的材料是以石材和木材为主，铸铁和锻铁只是偶尔使用。在漫长岁月里，造桥的实践积累了丰富的经验，创造了多种多样的形式。但现今使用的各种主要桥式几乎都能在古代找到起源。在最基本的三种桥式中，梁式桥起源于模仿倒伏于溪沟上的树木而建成的独木桥，由此演变为木梁桥、石梁桥、直至19世纪的桁架梁桥；悬索桥起源于模仿天然生长的跨越深沟而可资攀援的藤条而建成的竹索桥，演变为铁索桥、柔式悬索桥，直至有加劲梁的悬索桥；拱桥起源于模仿石灰岩溶洞所形成的“天生桥”而建成的石拱桥，演变为木拱桥和铸铁拱桥。 在有了铁路以后，木桥、石桥、铁桥和原来的桥梁基础施工技术就难于适应需要。但到19世纪末叶，由于结构力学基本知识的传播、钢材的大量供应、气压沉箱应用技术的成熟，使铁路桥梁工程获得迅速发展。20世纪初，北美洲曾在铁路钢桥跨度方面连创世界纪录。到第二次世界大战前，公路钢桥和钢筋混凝土桥的跨度记录又都超过了铁路桥。 第二次世界大战后,大量被破坏的桥梁急待修复,新桥急需修建，而造桥钢材短缺，于是，利用30年代以来所积累的关于高强材料和高效工艺（焊接、预应力张拉及锚固、高强度螺栓施工工艺等）的经验，推广了几种新型桥——用正交异性钢桥面板的箱形截面钢实腹梁桥，预应力混凝土桥和斜张桥。 60年代以来，汽车运输猛增，材料供应缓和，科学技术迅猛发展，桥梁工程又在提高质量、降低造价、降低桥梁养护费等方面获得了很大改进。 国外桥梁工程的发展 19世纪20年代以前（有铁路 之前） ①木桥。在公元前2000多年前，巴比伦曾在幼发拉底河上建石墩木梁桥,其木梁可以在夜间撤除,以防敌人偷袭。在罗马,G.J.恺撒曾因行军需要,于公元前55年在莱茵河上修建一座长达 300多米的木排架桥。在瑞士卢塞恩至今保存着两座中世纪式样的木桥：一是1333年始建的教堂桥,一是1408年始建的托滕坦茨(Totentanz)桥，这两座桥都有桥屋，顶棚有绘画。在1756～1766年，瑞士建成跨度为52～73米的三座大木桥，两座是亦拱亦桁，另一座用木拱承重，位于韦廷根，跨度61米。 在亚洲，木拱桥出现更早，日本岩国市至今保存的5孔锦带木拱桥，跨度为27.5米，始建于1673年,其图样来自中国。18世纪末至19世纪初的三、四十年间，美国盛行建有屋盖（保护木结构）的大木桥，1815年在宾夕法尼亚州建成的跨越萨斯奎汉纳河的麦考尔渡口桥，跨度达到110米，堪称空前。 ②石桥。古罗马时代的石拱桥，拱圈呈半圆形，拱石经过细凿,砌缝不用砂浆。由于不能修建深水基础,桥墩宽度对拱的跨度之比大多为1/3至1/2，阻水面积过大，因此所修建的跨河桥多已冲毁。西班牙境内有一座 6孔石拱桥,名阿尔坎塔拉(Alcantara)桥，桥墩建在岩石上，至今完好（图1）。它建成于公元98年，中间两孔跨度各约28米，桥面高出谷底52米。 欧洲在中世纪（5～10世纪）时期,桥梁建设曾因封建割据而衰退。在中亚和埃及森林较少，因而石桥使用较多。其拱石加工较粗，砌筑用石灰砂浆；拱弧在顶部往往形成尖角。这种石桥容易建造，在11～12世纪被引入欧洲，并按当时习俗，在桥上或设置教堂、神龛、神像,或设关卡、碉堡,或设商店、住房。在法国阿维尼翁，1177～1187年建成一座跨越罗讷河的20孔石拱桥，跨度30米左右,曾驰名一时；但屡遭战火及冰排破坏,现今只留有靠岸的 4孔和上面的小教堂。英国在1176～1209年建成跨越泰晤士河的伦敦老桥,其桥墩阻水面积很大,在潮汐涨落时,桥下流速很高，河床受到冲刷,桥身很早就明显下沉。它是伦敦的交通要道，经加固维护，使用了600余年,直到1826年修建伦敦新桥时拆除。1308～1355年在法国卡奥尔建成瓦朗特尔(Valentre)桥,为6孔跨度16.5米,上有设防严密且高耸的箭楼3座，至今屹立无损（图2）。 欧洲在文艺复兴时期，为使桥面纵坡平缓，以利交通，城市拱桥矢跨比（矢高与跨度之比）明显降低，拱弧曲线相应改变，石料加工又趋精细。在意大利，佛罗伦萨的圣特里尼塔(Santa Trinita)桥建于 1567～1569年，共3孔，中跨29.3米，矢跨比为1:7，拱轴为多心圆弧（拱弧半径在拱趾处小于拱顶处），左右两弧在拱顶相交， 交角被镶在拱冠的浮雕掩盖； 威尼斯里亚尔托(Rialto)桥建于1588～1592年，跨度27.0米，矢高 6.4米，每座桥台下的冲积土内曾打入密布的木桩达6000根。1575～1606年法国建成的巴黎新桥，共12孔，最大跨度19.4米，桥上房屋栉比，成为闹市，直到1848～1855年改建时才被拆除。 在18世纪，欧洲石拱桥达到最高水平。这时的桥梁专家当以法国的 J.-R.佩罗内为代表。在世界上历史最悠久的高等工科学校——巴黎桥路学校于1747年创办时，佩罗内任校长和教师。他的代表作可举跨越瓦兹河的圣马克桑斯桥为例,共3孔,跨度各21.8米，矢高1.98米,墩厚对拱跨比是 1:8，桥墩各由两对石柱构成。该桥已在1870年毁于战争。 在伊朗，伊斯法罕的普勒哈久(Pul Khajoo)桥建于1642～1667年，该桥坐落在拦河大坝之上，有24个尖拱，桥身颇宽，上有楼阁。它是沙漠旅行者向往的憩凉揽胜佳地。 ③铸铁拱桥。直到冶炼业使用焦炭而能生产大型铸件时，这种桥才能建造。英国1779年在科尔布鲁克代尔(Coalbrookdale)首次建成一座主跨约 30.5米的铸铁肋拱桥。该桥曾使用170年，现作为文物保存。 ④锻铁链杆悬索桥。早期的柔式悬索桥自重小，材料强度低，经不起周期性活荷载的作用（军队以整齐步伐过桥，曾使这种桥遭到破坏）；在风荷载作用下，容易摧毁。但英国1820～1826年在梅奈海峡建造的跨度达177米的锻铁链杆柔式悬索桥（道路桥）,独能在桥面随坏随修的情况下获得长寿（1940年，在保持原貌的条件下，已将链杆换成低合金钢眼杆）。 19世纪20年代至19世纪末 在出现铁路初期，西欧的铁路桥主要使用石拱和铸铁肋拱。在将铸铁肋拱用于多跨桥时，为使桥墩不受拱的水平推力，经在同一拱肋两端之间设置系杆，形成系杆拱（见组合体系桥）。例如英国1849年用这种方法在纽卡斯尔建成 6×37.8米双层（上层为铁路，下层为道路）铸铁拱桥。美国和俄国较多地使用木桥；其跨谷桥则常采用木排架桥；过河的大跨桥则采用木拱和木桁架梁桥。1840年获得专利权的美国豪氏桁架梁，在构造上是同俄国嬠.И.茹拉夫斯基在修建圣彼得堡（今列宁格勒）至莫斯科铁路时所设计的大跨桁架梁木桥一样；其弦杆和交叉腹杆用木材，竖向腹杆则用圆铁，构造简单，受力明确，可以作为当时桁架梁的代表。锻铁和钢材的出现，逐步改变了铁路桥的面貌。1845年，英国J.内史密斯发明蒸汽打桩机；1851年，英国在罗切斯特一座桥的施工中使用气压沉箱基础（下沉深度达18.5米），从此结束了深水江河不能修桥的历史。 ①锻铁桥。1832年,英国在格拉斯哥开始用I形截面锻铁建造梁式桥。这种桥的跨度后来曾达到 9.6米。40年代英国要修建一座跨越梅奈海峡的大跨铁路桥，铸铁拱桥满足不了海军对桥下净空的要求，悬索桥则刚度不够。当时修建该铁路的负责人R.斯蒂芬森认为：用锻铁型材造一个巨型箱管，尺寸大到足以容纳铁路列车从其中驶过，则其刚度可以大为提高；再用石塔支住铁质悬索，并用吊杆将箱管吊在悬索之下，想必可行。因为他当时还不懂力学计算(法国C.-L.-M.-H.纳维于1842年已提出弹性梁理论，但英国工程界还不知道),乃用结构试验的方法成功地决定了箱管梁的截面形状和细节；同时，还证明了该桥不用悬索也有足够的刚度。但是，石塔还是修建了。这座桥建于1845～1850年，称不列颠箱管桥，4孔连续，分跨为70+140+140+70米。由于在兴建这座桥的过程中所做的试验证实了实腹梁的可靠性，从19世纪后期起钢板梁桥在小跨铁路桥中被普遍采用（这时钢已代替了铁，且小跨板梁比箱梁便于制造及架设），直到20世纪50年代才逐渐为钢筋（预应力）混凝土梁所代替。 ②钢桥。19世纪50年代以后，静定钢桁架梁的内力分析方法逐步被工程界所掌握。1867年，德国的H.格贝尔在哈斯富特建成了一座静定悬臂桁架梁桥（这种梁因此也称格贝尔梁）。1880～1890年,英国采用该桥式,建成了跨度空前（达521.2米）的福斯湾铁路桥,总长1620米,支承处的桁架高度达110米。这座桥杆件粗大，结构高大，刚度和承载能力都可满足铁路桥要求，外观则不如拱桥和悬索桥。1867～1874年，美国建成了圣路易斯钢拱桥(图3)，主跨158米，两边跨各为153米。其承重结构是无铰桁架拱,桁杆由钢质圆管制成。该桥的优点在能用小截面杆件拼装成刚度大的铁路桥。在英国用锻铁建成不列颠箱管桥时，美国J.A.罗布林于1851～1855年在尼亚加拉河上，用平行锻铁丝缆索建造一座跨度为250米的公铁两用悬索桥;塔用石砌，加劲桁架梁为木制；在缆索之外，还用若干斜拉索将加劲桁梁同塔顶及设在岩壁的锚固点紧连（具有斜张桥式构造）。此桥开通时,总重368吨的列车（机车重量为28吨）稳稳驶过。后来曾将其加劲梁改为钢制，石塔改为铁制，该桥的寿命是42年（因铁路活载不断加大而为一跨度168米的钢拱桥代替）。1869～1883年,美国建成布鲁克林桥。它是一座跨度达487米的城市悬索桥,至今仍被使用。它的抗风性能好，为悬索桥向更大跨度发展开创了先例。（见彩图） 20世纪初至中叶 结构力学的弹性内力分析方法普遍用于超静定承重结构的桥梁设计，为创造长跨纪录的工作取得有力的科学依据。 ①钢桥。这一时期建成的钢桥：铁路桥有加拿大魁北克桥（1918年，主跨548.6米的悬臂桁架梁）,美国纽约鬼门(Hell Gate)两铰桁架拱桥（1916年，主跨298米，4线重载铁路，道碴桥面）,俄亥俄州塞欧托维尔两跨连续桁架梁桥（1917年，跨度236.3米）,伊利诺伊州梅特罗波利斯简支桁架梁桥(1917年，主跨219.5米);公路桥有澳大利亚悉尼港桥（1932年，跨度503米钢桁拱，(见彩图），美国贝永(Bayonne)钢桁拱桥（1931年，跨度503.6米）,美国纽约乔治华盛顿悬索桥（1931年，跨度1066.8米），旧金山金门悬索桥（1937年，跨度1280.2米）。在此期间苏联在第聂伯河修建了公铁两用钢桁架拱桥（1930年,跨度224米，在第二次世界大战中被毁,1952年重建为跨度228米的钢筋混凝土拱桥）；在莫斯科运河上修建了克雷姆斯基铁链杆悬索桥（1938年，跨度168米）。 ②钢筋混凝土桥。1900年前后钢筋混凝土逐渐受到桥梁界重视,被用在拱桥和梁式桥中。钢筋混凝土拱桥的跨度记录不断被刷新。在20年代初最大跨度为100米。其后则有：1930年建成的法国普卢加斯泰勒(Plougastel)桥13孔净跨各为171.7米;1934年建成的瑞典斯德哥尔摩特兰贝里（Traneberg）公路桥跨度178.4米；1939年建成的西班牙埃斯拉铁路桥净跨 192.4米；1943年建成的瑞典桑德桥跨度 264米。而钢筋混凝土实腹梁桥则进展缓慢,跨度记录只达到78米(1939年建成的法国跨越塞纳河的老维勒讷沃-圣乔治桥)。苏联于1937年在列宁格勒修建沃洛达尔斯基桥时,用浮运法架设两跨各101米的无推力钢筋混凝土拱、梁组合体系桥。 20世纪中叶至今 公路桥和城市桥的大量兴建，新型桥的广泛采用，传统桥式施工方法的改进，使桥梁工程取得新成就。由于特大跨公路桥造价高，为筹措建桥资金，在美国一向流行的收费桥制度在资本主义世界又风行一时，这就是对待建的特大桥组织相应机构，发行债券，借以取得建桥资金，并在桥建成后向过桥车辆和行人征收过桥费，以便在几十年内对债券还本付息；待债券还清后，便可免费过桥。在悬索桥方面如英国的福斯湾公路桥(跨度1006米)和塞文河桥（跨度 986.6米），法国的唐卡维尔桥（1959年，跨度610米）,葡萄牙的萨拉查桥（1966年，跨度1013米）都是采用这种方法建成的。 ①钢桥。第二次世界大战后，西德1948年在科隆—多伊茨复建莱茵河桥，分跨是132.1+184.5+120.7米,车道宽度11.6米，采用的实腹梁取铆焊并用的构造，用钢量为老桥的61%，是节约钢材的第一例（老桥为自锚式链杆悬索桥）。1950年，正交异性钢桥面板开始在科布伦茨的内卡河桥使用，分跨是56+75+56米。这种桥面较轻,且能充当实腹梁上翼缘,1951年用于杜塞尔多夫—诺伊斯莱茵河桥时,使钢实腹梁桥跨度达到206米；1974年巴西修建的瓜纳巴拉湾桥跨度达到300米。1955年,斜张桥首先在瑞典斯特伦松德(Str?msund)建成，分跨是75+182.6+75米。1959年，联邦德国修建了塞韦林独塔斜张桥,其主跨达302米；现在的钢筋混凝土斜张桥和钢斜张桥跨度已分别达到440和404米。传统的悬索桥、钢拱桥和悬臂桁架梁桥，也各有长跨记录（见桥梁工程）。 ②预应力混凝土桥。早在1936年，德国曾在奥厄修建一座采用无粘结钢筋的预应力混凝土桥，主跨69米，但未取得预期成效。法国E.弗雷西内在深入研究预应力混凝土性能和张拉、 锚固工艺的基础上， 在第二次世界大战后缺乏木材和钢筋的条件下，于1946年在吕藏西(Luzancy) 用预应力钢筋将预制的混凝土梁段串连成整体，不用支架，只用临时塔索，在马恩河上建成跨度55米的双铰刚架桥；在1946～1950年，又按同样做法，在埃斯布利等地建成跨度74米的桥 5座。联邦德国于1950年在巴尔杜因施泰因(Balduinstein)的兰河修建主跨为62米的预应力混凝土桥，使用巴西在1930年未取得成效的悬臂灌筑法取得成功。在1952年及1964年，联邦德国又采用此法建成沃尔姆斯和本多夫桥，其主跨分别达到114.2及208.0米。1962～1964年，法国在塞纳河上用悬臂拼装法建成分跨为34.8+61.4+34.8米的预应力混凝土桥并取得压缩工期的效果。1979年，联邦德国要在1948年所复建的科隆—多伊茨莱茵河桥钢实腹梁旁边原预留复线桥位处,增建同样分跨和同样主要尺寸的连续梁,经方案比较,预应力混凝土梁的造价比钢梁造价低15%。至于预应力混凝土斜张桥，因受悬臂梁桥和钢斜张桥的启发，其构思在50年代已经成熟；出于其他原因，1962年才在委内瑞拉马拉开波湖上首次建成,主跨是235米。目前这种桥的跨度已发展到 400米以上。钢筋混凝土拱桥，在采用无支架施工方面也取得了进展(见混凝土桥架设)。(见彩图)