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自从工业革命之后,钢结构桥梁得到广泛应用,英国、德国、美国大量桥梁采用钢结构,在大跨度方面钢结构桥梁有明显的优势,钢结构桥梁已经成为桥梁的主要结构形式。
上图为美国匹斯堡早期采用铸钢修建的城市桥梁。
上图为欧洲早期钢桁架桥。
美国早期采用型钢结构建成的城市高架桥。
由于钢结构具有结构受力体系明显、轻便、拼装简单、维修方便等优势,在城市高架桥方面有很好的应用。在中国由于钢材的价格原因,早期的城市高架桥更多的采用了混凝土结构,近年来,由于钢材产量的增加,价格下降,大量使用钢结构已经成为可能。
钢结构城市高架桥将成为未来城市高架桥的主要形式。
南京长江大桥,采用型钢结构修建的桥梁。
上图为上海采用钢箱梁建成的城市高架桥。
在钢结构桥梁发展初期,很多情况下,是作为临时结构,在抢险救灾中发挥作用,或者是军事行动中采用临时桥梁。著名的“贝雷梁”就是军事中开始应用,并逐渐推广到民用中的桥梁形式。
贝雷梁,由于组装方便,采用模块化设计,承载值大,在大跨度承重结构中有很多的应用,至今,仍然是桥梁工程中重要的施工手段。
在城市钢结构桥梁中,曾经应用过完全采用工字型钢拼装而成的桥梁形式,这种桥梁结构简单,受力清晰,拼装方便,具有一定的优点,在某些大面积的桥梁结构中还有一定的应用。
在更多的城市高架桥中,采用了整体式钢箱梁结构体系,这种桥梁的优点是整体性好,稳定性好,抗倾覆稳定性优越,制作简单,现场拼装方便。钢结构箱梁是城市高架桥应用最多的桥梁形式,也是未来城市钢结构桥梁的重要方向。
上图为日本大阪采用钢箱梁修建的城市高架桥。
上图为美国采用钢箱梁修建的城市轨道交通桥梁。
钢桁架桥是最早采用的钢结构桥梁方式,它充分利用了钢材的抗拉性能,构造简单,受力明确,在铁路桥中有大量的应用。在城市桥梁中也有采用钢结构桁架桥的,甚至把钢桁架作为重要的景观装饰进行设计。
以上三张图片为天津海河上采用桁架进行装饰设计的桁架桥,造型很有特色。
钢结构的装饰效果也是城市桥梁设计中经常采用的结构形式,由于钢结构便于造型,强度高,可以设计成飞受力的各种造型,而为城市增光添彩,在城市景观桥梁设计中,大量采用了钢结构进行装饰设计。
相对于钢筋混凝土桥梁,由于钢结构的均质性,材料的稳定性、可控性,采用工厂拼装的钢结构具有较好的质量保证,这也是钢结构桥梁的重要优点。
以上两图为在钢结构加工厂加工的钢结构构件。
上图为在现场拼装的桥梁钢结构构件。
钢结构桥梁通常可以分为工厂预制、现场拼装两个部分,尽量在工厂或工厂化条件中加工、拼装钢构件,可以保证加工质量,还可以减少现场拼装的难度,提高现场拼装的工程速度。
在钢结构桥梁加工、安装中,控制的技术要点有以下内容:(1)钢结构原材的检验与实验;(2)钢结构的深化设计与加工节点设计;(3)钢板的切割与拼装;(4)钢结构的除锈与防腐;(4)钢结构的运输;(5)现场吊装、拼装与联结;(6)细部节点构造;(7)抗疲劳措施;(8)附属设施安装;
对于很多造型景观桥梁,需要搭设支撑塔架,在支撑塔架上进行钢结构的拼装作业;
由于钢结构具有很好的延展性,整体稳定性很好,在一些特殊情况下,可以用钢结构进行顶推、转体、滑移等特殊情况下的桥梁设计。钢结构的良好的性能,在城市复杂环境条件、复杂线形条件下具有明显的优势,也使得钢结构桥梁在城市高架桥中成为发展趋势。
在城市即有桥梁加固中,也可以采用钢板进行即有桥梁的加固,还可以制作钢桁架结构,以增加桥梁的整体刚度。
考虑到我国钢产能的增加,以及钢结构可以再次利用的特性,可以相信,越老越多的钢结构桥梁会出现在城市高架桥之中,甚至可以预测,未来的城市高架桥可能完全被钢结构桥梁所取代,钢结构将成为城市高架桥的主要结构形式。
钢结构桥梁有很多优点,同时也有一些缺点。第一:钢结构箱梁稳定性差,抗倾覆稳定性低;第二:钢结构疲劳损坏比较严重,在正交异性桥面板中有出现损坏的情况,在大交通量下,钢结构疲劳破坏比较严重。第三:钢结构桥梁在竖向拉索位置存在薄弱环节,在锈蚀、潮湿以及疲劳损坏的情况下,容易出现问题。
在一些钢桁架结构的支撑体系中,由于技术措施不到位,也曾出现过一些事故,钢结构桁架支撑结构应认真处理。
某些钢结构桥梁由于设计计算有问题,造成破坏,表明在钢结构桥梁方面还有很多需要研究的问题。
上图为韩国京畿道某钢结构桥梁坍塌现场。
在城市钢结构桥梁建设中,应该充分发挥钢结构整体稳定性,拼装灵活性的特点,合理布置构件,加强节点设计,增加局部刚度,最大程度地发挥钢结构桥梁的优势。
为解决钢结构桥梁桥面抗疲劳问题,技术人员开发了高强度的桥面铺装层材料,采用特殊的化合物,改善混凝土的性能,提高抗压强度,避免桥面铺装开裂损坏,采用蒸汽养护,减少凝结时间等,新型桥面铺装材料对于提高钢结构桥梁抗疲劳性有很明显的作用。
通过改善桥面铺装层的材料,工艺,可以提高桥面抗车辆冲击、碾压的能力,提高桥面铺装的耐久性。
在城市中心区修建桥梁,必须考虑美观作用,考虑装饰、造型效果,把桥梁建成地标建筑。在这方面,钢结构桥梁有明显的优势,采用钢桁架,钢管拱,钢板装饰,组合钢结构等都可以充分地发挥钢结构的表现力,提高桥梁的美观效果,达到景观桥梁的效果。
上图为莫斯科采用钢管拼装造型建成的造型桥梁。
上图为我国某城市采用钢管拼装的造型桥。
以上两图为国外采用钢结构的人行天桥。在人行天桥领域,可以采用钢结构造型,可以充分发挥设计师的想象力,建成各种造型奇特的桥梁,妆点城市,美化城市。
目前我国钢材的产量已经跃居世界第一,钢铁厂的产能处于过剩的状态,由于钢结构桥梁在绿色施工,环境保护,以及重复利用方面具有明显优势,可以预见,在未来我国城市高架桥建设中,会有越来越多的钢结构桥梁投入使用,钢结构桥梁有很大的应用前景。
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北京 | 路桥市政
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