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[分享]两百年来桥梁结构的组合与演变

发表于2018-10-10     390人浏览     1人跟帖    筑龙币+50  复制链接  只看楼主

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追74256

    两百年来诞生了多少种类桥梁,在建筑学和结构力学意义上还会出现新的桥型吗?

       有规律可循吗?

       能够预测吗?

       创新始终是桥梁界的热门话题,然而回顾归纳永远是创新的第一步。

       回顾桥梁构成的历史和创新,可以把桥梁的构成方法归结为“构件组合”“桥型混合”“拓扑变形”“承式变换”和 “哲学概念”几大类。


构件组合法


在《桥梁损伤诊断》一书中,曾试图找到桥梁的基本结构元素,并组合派生出许多并不陌生的桥型(表1),表中归纳出单纯型(由单一构件元素组成的)桥梁和复合型(有两种构件元素组成的)桥梁。此后确实有人实现了预测的新型桥梁,表中也留出许多空格,等待着填补。



单纯型桥梁


       主对角元是单纯性桥梁,Q11吊桥、Q22桁架桥、Q33拱桥、Q44梁桥,分别由索、杆、曲杆、梁等单一的线元素组成;Q55、Q66、Q77分别由单一的(无横向力)平板、(有横向力)弯板、壳组成的薄壁结构桥、板桥、双曲壳桥。


复合型桥梁


主对角元两侧的副元都是两种元素组合成复合型桥,表1中一目了然,仅列举两种如下。


◆ 拱与索

1.Q31——是在曲杆外侧张拉索,减轻拱的轴力,有“去拱”的趋势,进入了索桥的范畴,保留着拱的特征。《桥梁诊断损伤》于2002年出版以后,2007年湖南建成了跨径400米的“湘潭湘江四桥”,就是Q31复合桥,见图1。可以称为拱式斜拉桥,或悬吊式拱桥,但是这种桥型未能显现其结构优势。

拱式斜拉桥实际上就是把悬臂节段拼装肋拱桥的临时拉索系统永久化,用以分担拱肋的负担。索尾是锚固在边跨混凝土梁上的自锚体系,梁的重量和塔的恒载弯矩接近于零,这两个约束条件决定了拉索对拱轴力影响的程度。

2.Q13——是在曲杆内侧张拉索,加大拱的轴力效应,增强拱的稳定性,曾经用在夹板拱架中。图2是苏格兰(Glasgow,Scotland)2003年的一座人行桥设计方案,利用了内侧张拉索。该方案虽然得奖,终因造价较高未予采用。


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两百年来桥梁结构的组合与演变_2

◆ 梁与索(Q41)和杆与索(Q21)

实际上早期的稀索斜拉桥是梁与索的复合体系,例如委内瑞拉于1962年建成的马拉开波桥就是一例Q41复合桥(图3),与现代密索斜拉桥Q21有着本质的区别。稀索斜拉桥是以索支承梁,梁仍然是以受弯为主的构件。密索斜拉桥是压杆撑开索,梁以是作为压杆为主的构件,受弯功能已从有跨度的连续梁,转换到有长度无跨度的弹性地基连续梁。Q41不同于Q21常规的斜拉桥,Q21梁的高度小、索密、塔高,梁分担的车道荷载作用与桥的大跨径相比较是微小的。随着索的加密,马拉开波桥此后进化为高塔密索斜拉桥——常规斜拉桥。

马拉开波湖桥(Maracaibo Lake Bridge)是世界上第一座公路预应力混凝土斜拉桥。第二座现代斜拉桥,由意大利结构工程师莫兰第(Riecado Morandi)于1957年设计,1958年动工,1962年建成通车,其造型结构是受到英国福斯桥(图4)的启发,并改造成斜拉索体系。


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◆ 斜拉桥(Q41)和体外预应力(Q14)

Q14与Q41不同,Q14是体外预应力桥,以梁的特征为主。“矮塔”而且“拉索集中”锚在跨中三分点附近。从构件组合来看,索减小梁的弯矩,有“去梁”的趋势,进入了索桥的范畴,保留着梁的特征。此后进化为典型的矮塔斜拉桥——部分斜拉桥,见图5、图6。

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混合桥型法


在表1的基本桥型上再进一步采用“串联、并联”方式的“混合法”,构成混合型桥梁,其构成归纳在表2中。表2介绍分析如下。

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并联式混合桥


两种型式的桥型共同支撑着同一段桥梁行车道,称为并联混合法。两种支撑作用是耦合的,由变形协调条件决定着它们分摊的作用。


◆ 连续梁+系杆拱

图7中的杭州钢河桥就是连续梁桥和系杆拱的并联混合式桥梁,连续梁和系杆拱共同支承车道系,随着拱和梁的刚度变化,协调分配承担比例。连续梁中孔L=130米;根部梁高4米(L/32.5);跨中梁高2.5米(L/52);端部梁高2米。拱矢跨比L/4.75;吊杆间距5.8米,采用1860MPa的GJ15—27钢绞线。全支架施工,一次落梁。

当连续梁根部梁高为L/35—L/25,边孔可为0.35L至0.45L,大大小于连续梁的合理边跨比,节约非跨河桥梁长度。这种桥型是可以根据边孔跨径长度不同,采用全悬臂或部分长度悬臂法施工。在采用部分长度悬臂法时,可以在主跨中部辅以河中临时支架。

2010年建成的骝岗涌桥跨径为76+160+76米,见图7。

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◆ 斜拉索+悬索桥

斜拉悬索桥约有40至50余座,大多在19世纪修建,跨径不大。其中比较知名的布鲁克林大桥是用斜拉索加固悬索桥,初衷不是斜拉悬索桥。现代斜拉悬索桥以贵州乌江大桥为代表。见表3和图8。IzmitBay桥的方案未采用,最终选择了1550米跨的普通悬索桥。

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贵州乌江大桥是1997年建成的世界第一座现代吊拉混合桥(斜拉悬索桥),跨径为 66+288+66米。它们由吊索和斜拉索共同支撑着行车道梁。吊索和斜拉索作用是耦合的,由变形协调条件决定着他们分摊的作用。吊拉混合桥还有更大跨径的设计方案,但是由于吊—拉过渡段应力变化复杂,尚未实施。


◆ 斜拉索+中承式拱桥

图9中马来西亚跨径300米的Seri Saujana桥,就是由中承式拱和斜拉桥共同支撑着行车道梁。中承式拱吊索和斜拉索作用是耦合的,由变形协调条件决定着它们分摊的作用。

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串联式混合桥


两种型式的桥各自支撑着一段桥梁行车道称为串联混合法。两种支撑作用不一定是耦合的,它们分摊作用是明确的。


◆ T构+系杆拱桥

图10是于2007年建成的重庆菜园坝桥,主跨420米,就是在两个互相分离的三角形T构之间,安放一个系杆拱桥。T构和系杆拱各自支撑一段行车道,互不耦合。

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◆ 斜拉+自锚悬索桥

图11是于2008年建成的常州龙城桥,跨径72+114米,一跨是斜拉桥,一跨是自锚悬索桥。二者各自支撑一段行车道,虽然通过桥塔有微弱的耦合作用,但它们的荷载分摊作用是明确的。2000年西班牙也建成了一座类似的斜拉悬索桥(Vinalopó桥)。

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拓扑变形法


这种桥梁构成方法在斜拉桥和拱桥中广为应用,表4中列举了合并分蘖(分蘖一词多用于植物上)、折弯、倾斜几种变形法。其中合并分蘖是物理变形,不是纯粹的几何变形,但是在变形中互为因果,所以都列在拓扑变形法之中,或称为“物理—拓扑变形法”较为恰当。


合并与分蘖


◆ 无背索斜拉桥

图12西班牙Seville桥是第一座无背索斜拉桥(1992年),跨径200米。它可以由双跨独塔斜拉桥变化而来,当边跨主梁和塔互相靠拢直至合并,就成了无背索斜拉桥。

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◆ 树形塔斜拉桥

沈阳三好桥主桥跨径270米,与前者相反,独塔分蘖为二,再张开,斜拉索依然藕断丝连地牵在两塔之间,见图13上图。2009年贵州荔湾仿建一座,见图13下图。但是塔由受压直杆变成了曲杆,在材料利用上肯定是有所损失的。

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◆ 索系整合

把裸露的索系包覆起来,增加稳定性,提高索系的材料利用率,是整合的初衷。第一座板拉桥,127+174+127米的瑞士甘特桥,首创了斜拉索系整合的概念,提高了裸索的工作效率,也在山谷之中勾画出一道亮丽的风景线,但是行走在桥面上,两侧巨大的斜拉板压抑感非常强烈,只能作为远景观赏,见图14。

具有悬索整合效果的背鳍桥,始于1969年纽伦堡的通勤铁路桥,1987年美国也在巴顿河奥斯汀建成一座跨径103.5米的背鳍桥,墨西哥于2005年建成墨西哥至图斯潘的Texcapa背鳍桥,见图15。

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折弯


表4中左侧,鹿特丹的折塔斜拉桥;西班牙的跨径155米的弯曲塔Valencia桥;1992年建成的成田机场的拱形塔斜拉桥,主跨76米,拱跨101.4米。

悬臂塔一般要求塔柱弯矩尽可能的小,恒载状态折塔的上塔柱根部弯矩可以接近零,但是上塔柱中部有不平衡力产生的弯矩,见图16左图。下塔柱可以调整折角,使恒载状态为小偏心压杆,见图16右图。曲线悬臂塔同样可以调整曲率和斜率,使塔在恒载状态是小偏心压杆,弯矩接近为零,见图17。

表4中右侧西班牙Seville的Barqueta桥,单索面分叉肋拱也属于这种类型,但是还含有合并分蘖的因子。台湾花莲附近也有一座类似的拱桥。

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倾斜


在世纪交接之际流行倾斜结构,特别是城市桥梁,为标新立异,流行歪斜结构。表4中末行依次是迪拜即将开工的一座主跨225米的伸臂式斜塔斜拉桥、倾斜矮塔斜拉桥、主跨300米的南宁邕江桥、2004年建成的长154米的天津大沽“日月拱”桥。

国外大量修建这种倾斜拱桥,最著名的是图18的Millennium桥,是一座开启桥。有船舶通过时,拱和弯曲主梁绕着拱足的轴竖向旋转,二者之间由拉索联系,拱向下压、曲梁上翻,提高净空让船舶通过。全桥主跨126米,桥宽8米,钢结构用料800吨。总耗资2200万英镑,建筑师WilkinsonEyre,结构师Gifford Graham & Partners,结构计算使用LUSAS完成。

Bedford(贝德福德)蝶形桥是建筑师C. Wilkinson和Partners,结构工程师JanBobrowski和 Partners设计的,并且获得了1995年英国国家设计竞赛奖。评语是“在20世纪结束和21世纪开始之际,创造了一个值得记忆的地标符号”。因此,掀起了世界上的歪拱之风。


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拓扑承式法


在表1中Q33单纯性拱桥一栏中注有“下中上承式”,还有一种“直承式”,就是荷载直接作用在基本构件元素上,列如表5。Q11栏中注“正反吊桥”,说完整了就是“下中上直承式”悬索桥,不过后3种少见,拱桥的4种承式常见。上(直)承式梁桥较多,中(下)承式多用在桁架桥。斜拉桥都是下承式,极少中承式。

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中承式悬索桥和斜拉桥


在桥下净空容许的情况下,为减少它的建筑高度,悬索桥可以采用中承式,跨中部分吊杆改为支撑杆,桥梁的整体刚度较大,空气动力性能较好,例如都柏林空港桥,见图20。

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中承式斜拉桥少见,只找到一例,是西班牙圣地亚哥奥伦赛千禧桥(Puente del Milenioen Ourense),建于2001年。单索面伸到主梁以下,桥两侧是人行观光步道,呈鱼骨形造型,见图21。

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上承式悬索桥


◆ 典型上承式悬索桥——上承式自锚悬索桥

上承式悬索桥可以采用两排或多排悬索,悬索可以支承在制板下或包裹在混凝土之中,比较刚劲,成一片悬带,也称悬带桥。这种桥在施工阶段需要设置临时的锚碇,成桥以后桥面系可以作为受压构件用来平衡悬带的拉力,变成自锚鱼腹梁式刚架。

图22是1989年1月建成通车的湖南洞口淘金桥,是一座自锚上承式悬带桥。桥长74米,设计跨径70米,矢跨比1/9,桥面宽4.5米。该桥上部结构由端锚梁、连续T梁、盖梁排架和主索悬带组成。用以锚固两组由48根Φ5钢丝组成的主索。在预制悬带槽形底板安装完成后,现浇主柱排架,然后安装T梁和现浇横隔板。在浇筑悬带槽内的混凝土后再放松外锚,使整个结构形成自锚体系。图23是哥斯达黎加的科罗拉多桥(1972年)。

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◆ 非典型上承式悬索桥——矮腿刚构桥

2003年至2004年,在瑞士还出现一种称为“矮腿刚构桥(Rigid frame bridgewith underslung main span)的上承式悬索结构,由于支撑杆件很少,也可以说是一种体外预应力梁,见表6和图24。它的建筑高度比一般的预应力简支梁还小,普通钢筋混凝土桥面板也不算太厚,是一种很经济的桥型。

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直承式悬索桥


直承式悬索桥,可用钢筋、钢绞线、型钢等主缆,两端锚定在基础上,直接承受荷载,一般只作为人行或非机动车辆通行桥梁。早在20世纪50~60年代有过T构+预应力混凝土悬带的408米跨径串联式混合型桥梁设计(图25),终因斜拉桥的异军突起而胎死腹中。

2008年建成的圣地亚哥Hodges人行悬带桥,3×100.56米,中垂度1.41米,用两根索支承预制桥面板,见图26。

广义上来说,刚拱柔梁的上、中、下承系杆拱,也可以采用悬索作为行(走)车系,借以平衡拱的水平推力。例如:捷克Olomouc桥行走系下有两根悬索、美国波特兰市麦克劳林桥行走系两侧吊杆下各有一根悬索。

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张拉整体(Tensegrity)结构的哲学概念桥


Tensegrity是美国建筑师R.B.Fuller在1950年代首先命名的一种结构思想方法,他认为宇宙的运行是按照张拉整体的原理进行的,即万有引力是一个平衡的张力网,各个星球是这个网中的一个个独立的孤立点,这种结构体系中的索网,就相当于宇宙中的万有引力,独立的受压杆件相当于宇宙中的星球。其构筑法则:结构只能是由压杆和拉杆构成,拉杆之间可以在两端互相衔接,而压杆只能与拉杆在两端相互衔接,压杆“飘浮”在拉杆群之中。未来会有一些意想不到的张拉整体桥型出现,是否能成为成熟的主流,尚不能确定。以下介绍几例桥型。


桅式斜拉桥


Brisbane河的Kurilpa人行桥(2010年),是一个典型的实例。四川岷江源兴川公路桥(2010年)是另一例。但是它们对于桥面系这个功能构件放松了构筑法则,以至于斜拉桥和悬索桥都可以属于张拉整体结构,见图27。

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串联张拉整体桥


用上下弦串联一组三维标准模块构成桥梁,其构成消隐简化图见图28b。这类张拉整体桥梁必须有一根通跨的压杆,或者是通跨的拉杆加地锚,见图29。

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管形张拉整体桥


由管形单元组成的悬索桥,见图30a和管形单元组成的斜拉桥,可以使大跨悬索桥和斜拉桥不再那么单薄。

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无序张拉整体桥


以上Tensegrity桥都是循着某种规则用标准模块构成桥梁,然而也能以“无序”为规则构成桥梁,使桥梁外形达到某种特定效果,这是通常的规则桥梁所不能表现的。

例如,Wilkinson Evre和Arup提出了一个用玻璃钢管和钢弦组成的35米跨人行桥。该桥是一个无序Tensegrity桥梁,只是根据造型的需要支撑并包络了交通路径,见图31。

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 发表于2018-10-10  | 只看该作者      

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