林元培

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，中國 上海 200092)

1 理念

中國是一個(gè)橋梁大國。

我國有長江黃河和遼闊的海疆，是一個(gè)發(fā)展中的國家。有大量的基本建設(shè)投資，中國的橋梁工程師在這樣優(yōu)越條件下應(yīng)該有所作為去走向橋梁強(qiáng)國，今就橋型、施工工藝、結(jié)構(gòu)分析、跨度的推進(jìn)、美學(xué)等設(shè)計(jì)理念進(jìn)行闡述。

1.1 橋型結(jié)構(gòu)

在任何體系中有一條近于水平線的構(gòu)造用來走人或車輛的結(jié)構(gòu)稱之為橋面構(gòu)造。支承橋面構(gòu)造的構(gòu)造，稱之為支承構(gòu)造。

整個(gè)橋梁體系由橋面構(gòu)造和支承構(gòu)造組成，用“，”表示?！?，”號(hào)之左表示支承構(gòu)造受力，“，”號(hào)之右表示橋面構(gòu)造受力。

凡受拉為主的構(gòu)造記為“－”，凡受彎為主的構(gòu)造記為“○”，凡受壓為主的構(gòu)造記為“+”，則橋梁體系一切可能的排列為:

(+，+) (+，○) (+，－) ?拱橋(○，+) (○，○) (○，－) ?梁橋(－，+) (－，○) (－，－) ?懸吊橋

1.1.1 拱橋體系

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(+，+)表示支承構(gòu)造受壓，橋面構(gòu)造受壓，一般稱為斜腿鋼架。

?

(+，○)表示支承構(gòu)造受壓，橋面構(gòu)造受彎，一般稱為拱橋。

?

(+，－)表示支承構(gòu)造受壓，橋面構(gòu)造受拉，一般稱為系桿拱橋。

1.1.2 梁橋體系

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(○，+)表示支承構(gòu)造受彎，橋面構(gòu)造受壓，一般稱為簡支梁橋。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(○，○)表示支承構(gòu)造受彎，橋面構(gòu)造受彎，一般稱為連續(xù)梁橋。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(○，－)表示支承構(gòu)造受彎，橋面構(gòu)造受拉，一般稱為懸臂梁橋。

1.1.3 懸吊體系

(－，+)表示支承構(gòu)造受拉，橋面構(gòu)造受壓，一般稱為斜拉橋。比如說自錨式吊橋亦屬斜拉橋。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

(－，○)表示支承構(gòu)造受拉，橋面構(gòu)造受彎，一般稱為懸索橋。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

盡管橋梁可能有千姿百態(tài)，但從力學(xué)觀點(diǎn)來看只有3大體系:即拱橋體系，梁橋體系，懸吊體系。而每種體系中其橋面構(gòu)造只有3種可能受力即或受壓力，或受彎曲，或受拉力。所以橋型一切可能的排列只有9種，除第9種橋型(－，－)，表示支承構(gòu)造受拉，橋面構(gòu)造受拉，正在探索中(主要是材料問題)，尚未變成可使用的實(shí)際橋梁。其他8種橋型都已變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

(+，+) (+，○) (+，－)(○，+) (○，○) (○，－)(－，+) (－，○) (－，－)

1.2 材料的進(jìn)展

當(dāng)前橋梁工程中所用的材料為石、木、混凝土、鋼筋、低合金鋼、鋼材、高強(qiáng)鋼絲、高碳纖維。鋼筋與混凝土相結(jié)合成鋼筋混凝土構(gòu)件克服了抗拉能力差的缺點(diǎn)，成了很好的梁柱構(gòu)件。高強(qiáng)鋼絲與鋼筋混凝土相結(jié)合克服了鋼筋混凝土有徐變收縮的缺點(diǎn)可以制造出與鋼構(gòu)件相競爭的構(gòu)件。鋼材桿件由于其重量輕，強(qiáng)度高，施工簡單，在土建工程中一向有很大市場。最新一種材料是高碳纖維其應(yīng)用正在發(fā)展中，其有強(qiáng)度高，重量輕的優(yōu)點(diǎn)但價(jià)格十分昂貴，在工程中未能大量推廣，多應(yīng)用于混凝土構(gòu)件的修補(bǔ)和維護(hù)。隨著生產(chǎn)工藝改進(jìn)，工程中不斷推廣，加大需求量，其價(jià)格會(huì)逐步降下來。

由上述材料可構(gòu)成前面8種橋型，但構(gòu)不成第9種橋型，主要是沒有超輕、超強(qiáng)應(yīng)力、超高彈性模量的材料，猶如沒有高強(qiáng)鋼絲就構(gòu)不成斜拉橋一樣。

1.3 現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析

用計(jì)算機(jī)和有限單元法可算出任何結(jié)構(gòu)在考慮P－Δ影響后的最大應(yīng)力和最大位移。當(dāng)前梁橋、拱橋、斜拉橋基本上是線性問題，已解決。懸索橋不論是靜力問題還是動(dòng)力問題，基本上是非線性問題，然而也基本上解決。盡管電腦上計(jì)算時(shí)間較長，但是比起做方案的上機(jī)時(shí)間還是不算多的，所以在結(jié)構(gòu)分析上已不比幾十年前那么困難，但仍須不斷推進(jìn)。

1.4 施工工藝

在橋梁跨度不大時(shí)，起重能力不大時(shí)容易安裝，即使是混凝土構(gòu)件在支架上現(xiàn)場澆筑也可建成。但當(dāng)在大江大河上建筑橋梁時(shí)，就不可能搭支架去澆筑，也沒有那么大的起吊設(shè)備去吊裝，必須要提出一套可操作的安裝工藝，在不妨礙河道上的船舶通行情況下，一段段安裝制造直至合龍。這一套安裝工藝往往歸結(jié)為一套設(shè)備或措施，其費(fèi)用稱之為施工措施費(fèi)。

整個(gè)橋的造價(jià)大體上就是材料費(fèi)加制作費(fèi)加施工措施費(fèi)等。一套好的施工工藝將占有較小的施工措施費(fèi)。橋梁的尺寸個(gè)性很強(qiáng)，這一套措施設(shè)備施工完了以后在下一座橋梁中往往難于重復(fù)利用，所以深入地研究施工工藝及其設(shè)備，降低施工措施費(fèi)是設(shè)計(jì)施工中重大的課題。

掛籃懸臂澆筑工藝，它的施工圖式在該階段施工應(yīng)力與在該階段結(jié)構(gòu)所能提供的承載應(yīng)力大體上是協(xié)調(diào)的，結(jié)果用很小的掛籃代價(jià)去施工，其施工措施費(fèi)很低，最后總造價(jià)也很低。

再比如用頂推法施工混凝土連續(xù)梁橋，雖然梁高要設(shè)計(jì)得稍高一點(diǎn)，但是它的施工階段應(yīng)力與該階段梁體所能提供的承受應(yīng)力大體上協(xié)調(diào)。最后只花了一些制作平臺(tái)，千斤頂及梁的代價(jià)，施工措施費(fèi)大為降低，總造價(jià)也隨之下降。

梁橋體系如此，懸吊體系也是如此，唯獨(dú)拱橋系統(tǒng)不大協(xié)調(diào)，如何以最少的設(shè)備把各施工階段的應(yīng)力與該階段結(jié)構(gòu)能提供的承受應(yīng)力相協(xié)調(diào)是拱橋系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的方向。

1.5 大跨度橋的推進(jìn)

每一種橋型與相應(yīng)的材料相結(jié)合可形成大跨度橋梁，但跨度必有極限。例如預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁跨度到300 m左右，幾乎到了極限，然而許多橋型跨度目前還遠(yuǎn)未達(dá)到極限，需要我們?cè)跇?gòu)造、施工工藝方面再創(chuàng)新，去走向極限，去取得巨大的經(jīng)濟(jì)利益(切注意風(fēng)險(xiǎn)與利益共存)。

在未達(dá)到極限之前，總是用當(dāng)前該橋型的世界紀(jì)錄跨度作為方案比較的根據(jù)。

跨度推進(jìn)的原動(dòng)力是經(jīng)濟(jì)利益的需要，斜拉橋在努力追趕懸索橋就是一個(gè)例子。

1.6 美學(xué)問題

方案的選擇取決于風(fēng)險(xiǎn)、使用性能、經(jīng)濟(jì)和美觀，方案往往是在風(fēng)險(xiǎn)，使用性能都滿足的前提下，最后是經(jīng)濟(jì)和美觀進(jìn)行對(duì)決，所以美觀是一件十分重要的工作。重要的工程，一般都要求100年壽命。橋梁不僅是交通工具，也應(yīng)該是一件藝術(shù)品，期待橋梁工程師能同建筑師共同合作，建造經(jīng)典橋梁。

2 今后的發(fā)展

創(chuàng)新工程是一件有風(fēng)險(xiǎn)的工作，因?yàn)楣こ虇栴}中有的是有理論，有的沒有理論，只能有經(jīng)驗(yàn)，但經(jīng)驗(yàn)并不是放之四海皆準(zhǔn)的，所以客觀上就存在風(fēng)險(xiǎn)，但不能因有風(fēng)險(xiǎn)而不做工程。

所以如何進(jìn)行創(chuàng)新同時(shí)要回避風(fēng)險(xiǎn)是工程中的核心問題。

我們對(duì)創(chuàng)新工程的態(tài)度應(yīng)該是不求一步登天，但求不停地穩(wěn)步向前。

我們要正確認(rèn)識(shí)工程，同時(shí)要正確認(rèn)識(shí)自己。

下面就橋梁的今后發(fā)展談幾點(diǎn)看法。

2.1 各種橋型的發(fā)展

2.1.1 梁 橋

這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，但當(dāng)前存在兩大缺點(diǎn)必須盡快消除。

1)腹板有裂縫

國外有研究資料表明“抗拉強(qiáng)度隨著拉力方向與混凝土灌注方向的相互關(guān)系而異，在灌注方向受拉時(shí)其強(qiáng)度可降低一半左右，因?yàn)樵诿恳粋€(gè)較大骨粒下面，往往會(huì)有較小的空隙或含水量較高而形成多孔水泥層”。這是很重要的觀點(diǎn)，可惜沒有被人重視，今后對(duì)這觀點(diǎn)要通過實(shí)測進(jìn)行再確認(rèn)。如果用這觀點(diǎn)去設(shè)計(jì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)就不至于有裂縫。

2)預(yù)拱度問題

實(shí)際工程的徐變系數(shù)不易測定，又來不及試驗(yàn)，導(dǎo)致預(yù)拱度不正確，往往下垂過大。解決的途徑是宜在箱內(nèi)預(yù)留錨固，轉(zhuǎn)向構(gòu)造，當(dāng)發(fā)現(xiàn)垂度過大時(shí)采用體外預(yù)應(yīng)力解決它。

2.1.2 拱 橋

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是剛度大，很適合于走高速列車或輕軌列車。

其缺點(diǎn)是與斜拉橋造價(jià)相比造價(jià)較高。所以拱橋技術(shù)進(jìn)步的要點(diǎn)是改革施工工藝，降低其施工措施費(fèi)。

2.1.3 斜拉橋(包括自錨式索橋)

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是自錨式，不需錨錠，因此與同跨度的懸索橋相比造價(jià)較低，但在現(xiàn)代橋梁中，需要通過高速列車或輕軌列車，故對(duì)斜拉橋提出一定的剛度要求，所以對(duì)斜拉橋的鋼束應(yīng)配置支承點(diǎn)，減少鋼束跨度，提高其表觀彈性模量，達(dá)到提高剛度的目的。

2.1.4 懸索橋

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是沒有穩(wěn)定問題，其跨度可以做到相當(dāng)大，目前還未達(dá)到極限。但它缺點(diǎn)有2:①當(dāng)鋼纜受損(包括腐蝕)時(shí)不能象斜拉橋一樣，可以在不損結(jié)構(gòu)的前提下更換鋼束;②橫向剛度較差，大跨度時(shí)難于滿足高速列度或輕軌列車剛度要求。

針對(duì)以上兩大缺點(diǎn)，宜將鋼纜布置由圖1改成圖2。

圖1 傳統(tǒng)布置Fig.1 Traditional arrangement

圖2 改進(jìn)后布置Fig.2 After improvement arrangement

這樣一可使橋面橫向轉(zhuǎn)動(dòng)大為減少;二可使一根受損鋼纜在更換時(shí)，另一根鋼纜仍可繼續(xù)工作，(換纜階段，鋼纜安全系數(shù)可適當(dāng)降低)保證總體結(jié)構(gòu)安全。

2.2 施工工藝

2.2.1 拱橋施工工藝改進(jìn)

除拱橋施工工藝外，其他橋型施工措施費(fèi)都不高，唯獨(dú)拱橋其材料費(fèi)并不高而其施工措施費(fèi)太高，導(dǎo)致總體造價(jià)提高，其他橋型的施工工藝都借用了原橋型本身結(jié)構(gòu)的潛力進(jìn)行操作，而拱橋卻沒有完全做到，這個(gè)問題將在今后技術(shù)進(jìn)一步中解決。

2.2.2 深水基礎(chǔ)施工工藝推進(jìn)

當(dāng)前長江的深水基礎(chǔ)已做到水深50 m左右，臺(tái)灣海峽的水深一般不超過80 m，所以在今后工程中，不斷累積經(jīng)驗(yàn)向80 m水深推進(jìn)，建立有戰(zhàn)略意義的深水基礎(chǔ)的施工工藝。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

提高拱橋、斜拉橋的總體穩(wěn)定分析水平，將成果提高到規(guī)范水平，確定其適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

提高風(fēng)、車、橋偶合分析水平。當(dāng)前高速列車、輕軌列車已在大跨度橋梁中出現(xiàn)，列車脫軌是十分重要問題。要分析在風(fēng)、車、車輪偏載與結(jié)構(gòu)構(gòu)造共同作用下引起的結(jié)構(gòu)隨時(shí)間而變化的變形。這本來是一個(gè)應(yīng)該可以解決的問題，但目前從實(shí)際情況看來，各單位拿出的數(shù)據(jù)還很分散。

應(yīng)該用有限單元方法和用微分方程方法各自獨(dú)立求解，相互校對(duì)求得真解，為規(guī)范作準(zhǔn)備。

2.4 各種橋型跨度的推進(jìn)

就跨度而言目前有一種誤會(huì):好像做大跨度橋是為大跨度而大跨度，其實(shí)不然，任何工程都需要經(jīng)過方案比較，方案比較中要經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)、功能、造價(jià)、工期、美觀等各方面進(jìn)行比較，不適當(dāng)?shù)目缍龋诜桨副容^中會(huì)被淘汰，跨度不是隨心所欲的結(jié)果，而是經(jīng)濟(jì)上的需要和性能的需要，比如說斜拉橋要做大跨度是為了同懸索橋競爭，因?yàn)樗亲藻^式的，可以省去地上2個(gè)錨錠，有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì);拱橋要做大跨度為的是能同斜拉橋競爭，因?yàn)楣皹虻膭偠缺刃崩瓨虼?，使火車不容易脫軌，有安全上的?yōu)勢(shì)。這些都是方案上的需要。

當(dāng)前混凝土梁橋跨度已達(dá)到300 m左右;拱橋跨度已達(dá)到550 m左右;斜拉橋跨度已達(dá)到1100 m左右;懸索橋跨度已達(dá)到2000 m左右。由于時(shí)代的進(jìn)步，工程要求越來越高，上述各種橋型的跨度已滿足不了當(dāng)前客觀需要。根據(jù)當(dāng)前橋梁發(fā)展形勢(shì)，提出下列方向:

1)混凝土梁橋由于受到材料性能限制，300 m跨度已接近極限，再推進(jìn)跨度須向混合結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，能否成立，須由各種橋型方案競爭來取舍。

2)拱橋跨度向800 m方向推進(jìn)，目的是與斜拉橋競爭得好的剛度。

3)斜拉橋跨度向1500 m方向推進(jìn)。

目前長江下游江面約1500 m左右，近來多為懸索橋結(jié)構(gòu)，由于斜拉橋結(jié)構(gòu)是自錨式不須錨錠，而懸索橋必須有錨錠，因此懸索橋和斜拉橋在同樣跨度下，懸索橋的造價(jià)要貴得多，所以斜拉橋的跨度要再次推進(jìn)。目前，1088 m斜拉橋已競爭成功，能否在1200，1400，1500 m競爭成功這就是斜拉橋技術(shù)進(jìn)步方向。當(dāng)前應(yīng)清醒地看到斜拉橋由于穩(wěn)定問題，跨度是有極限的。

在實(shí)際工程中斜拉橋要與懸索橋競爭，在經(jīng)濟(jì)上取得優(yōu)勢(shì)。

4)懸索橋跨度向3000 m以上推進(jìn)。

目前墨西那海峽懸索橋跨度是3000 m正在籌建中，我們應(yīng)該學(xué)習(xí)追蹤，認(rèn)真總結(jié)其正反經(jīng)驗(yàn)，為臺(tái)灣海峽橋梁方案作技術(shù)上準(zhǔn)備。

各種橋型在某種材料條件下都有它的極限跨度及當(dāng)前的跨度紀(jì)錄，這些跨度紀(jì)錄是當(dāng)前做方案的重要參考、超過這紀(jì)錄時(shí)就要十分認(rèn)真地判斷它的風(fēng)險(xiǎn)，通過技術(shù)進(jìn)步去突破紀(jì)錄是一件十分重要工作，它擴(kuò)大了各種橋型的適用范圍，使得未來的橋梁方案能做到更合理。當(dāng)然工程的技術(shù)進(jìn)步，總是前人成功的基礎(chǔ)上穩(wěn)步推進(jìn)的。

3 結(jié)語

中國的橋梁正在自力更生的基礎(chǔ)上，吸取國外先進(jìn)理念與技術(shù)，結(jié)合國情自主再創(chuàng)新，嚴(yán)格質(zhì)量管理，向橋梁強(qiáng)國邁進(jìn)。