21世紀(jì)特大跨徑橋梁的展望

　　本文為了紀(jì)念父親周念先教授，他在生命最后的一刻還念念不忘發(fā)展中國的橋梁事業(yè)，在87歲高齡、雙目失明的情況下，還發(fā)表了“21世紀(jì)斜張橋的展望”一文。本文中的斜張橋與協(xié)作體系引用了他的觀點。

　　隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大跨徑橋梁的建設(shè)在20世紀(jì)末進(jìn)入了一個高潮時期。從表一和表二看，前十位的斜張橋都是90年代建成的，就是已有一百多年歷史的懸索橋前十位的大部份是在80-90年代建造的。目前的橋梁TRANBBS技術(shù)已經(jīng)能較好的解決現(xiàn)存問題，但是橋梁跨度不斷增大，向著更長、更大和更柔方向發(fā)展，為了保證橋梁的可靠性、耐久性、行車舒適性和TRANBBS施工簡易性還有大量的工作要做。

　　從1883年建成美國布魯克林橋（主跨488米），近代懸索橋已有約120年的歷史，特別是1940年美國塔可馬舊橋被不大的風(fēng)速吹毀，大力研究橋梁風(fēng)致振動問題以來懸索橋有了很快的發(fā)展。1964年建成的塞文橋首先采用了流線型的扁平鋼箱梁，它抗風(fēng)性能好、重量輕、制造簡便、其造價比桁架梁少15%、維護(hù)費用低。

圖1　流線型的扁平鋼箱梁

1970年建成的丹麥小海帶橋，采用了箱梁內(nèi)部的空氣干燥裝置，起了很好的防腐作用。對于公鐵兩用的雙層橋面仍用鋼桁架結(jié)構(gòu)，1997年建成的香港青馬橋，在桁架兩側(cè)還裝有不銹鋼風(fēng)嘴，并且在橫斷面中心處留有通風(fēng)通道，減少主梁上下氣壓不平衡，防止升力和升力矩過大，對于提高風(fēng)動穩(wěn)定性有很大的好處。

圖2　青馬大橋加勁梁

1959年建成的法國坦卡維爾橋首次采用中間鉸和中邊跨連續(xù)加勁桁架的方法，提高了整體剛度和防止跨中短吊索疲勞破壞。采用與不采用中間鉸的方法，我們在千米跨度以上的大橋做了初步比較，活載撓度減少約7％，梁端水平位移減少7-8cm。1998年建成的丹麥大海帶橋為了控制縱向位移采用了大型阻尼器約束。減少施工和運營期主梁和塔的振動影響。在諾曼底橋、明石大橋、來島大橋等都采用了調(diào)質(zhì)阻尼器等抑振裝置，起了很大的作用。

圖3　TMD裝置示意圖

在主纜架設(shè)上日本首創(chuàng)采用預(yù)制平行鋼絲索股法（PPWS），大大提高索股架設(shè)質(zhì)量和速度，江陰長江大橋主纜孔隙率達(dá)到了16.6%。由于1994年發(fā)現(xiàn)日本瀨戶大橋主纜鋼絲在五年內(nèi)發(fā)生銹蝕，日本采用了主纜干燥方法。吊桿的防腐也引用了斜張橋的斜拉索防腐的工藝。在懸索橋的錨碇基礎(chǔ)方面也發(fā)生了突破，丹麥小海帶橋把錨碇做成拖板式擴(kuò)大基礎(chǔ)以緊密砂礫土為持力層，以后的大海帶橋也相應(yīng)采用類似的方法，控制錨碇水平位移，從架設(shè)主纜開始到通車一年，水平位移量分別為1厘米和3厘米；江陰大橋由于軟基較深，采用沉井為基礎(chǔ)，其相應(yīng)時段的水平位移4.8厘米，沉降2.3厘米，而這位移大部份是施工時體系形成時完成，對主橋的內(nèi)力影響不大。在土基上建造錨碇的還有明石海峽大橋、亨伯橋和維拉扎諾橋。

圖4　北錨鞍部散索鞍沉井頂面時間-位移過程圖

　　從1945年瑞典建成了主跨185米的斯特勞姆桑德鋼斜張橋，1962年委內(nèi)瑞拉建成了5孔236米的馬拉開波混凝土斜張橋以后，斜張橋的建設(shè)取得輝煌的成就。從目前來看，200-650米跨度的公路橋（鐵路橋在400米以下）中，斜張橋是較佳的方案，甚至跨度不在這范圍的也用斜張橋的方案。斜張橋的外形結(jié)構(gòu)和構(gòu)件材料的選擇范圍比懸索橋大得多，索塔形狀有獨柱、A型、倒Y型、菱型、雙菱型、H型等；主梁有混凝土箱梁、鋼箱梁，帶縱橫肋的混凝土板，混凝土橋面板與鋼縱肋結(jié)合的結(jié)合梁，主跨為鋼箱梁和邊跨為混凝土的混合梁等構(gòu)制。拉索體系有單索面，雙垂直或雙傾斜索面。特別是發(fā)展為密索體系加勁梁以軸力為主，加勁梁可以用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，降低造價，同時使拉索錨固簡化，施工方便。因為斜張橋有比懸索橋更好的抗風(fēng)性能，對梁的外形不那么苛求。最近，斜張橋有新的發(fā)展，跨度突破千米的香港昂船州橋和中國的蘇通長江公路大橋?qū)⒁_工建設(shè)。

　　在400米以下的中小跨度斜張橋要特別注意發(fā)展獨塔斜張橋（2000年建成的臺灣高屏溪橋主跨為330m混合梁的獨塔斜拉橋），它可以省去一個橋塔，獨塔可以選擇在地基條件較好的一岸，從而降低了塔基造價；獨塔斜張橋的主梁由于平衡孔只須一個，主梁總長比雙塔的短；獨塔斜張橋在抗震中不象雙塔考慮地震波相位差那樣嚴(yán)重；獨塔斜張橋的整體剛度較高，容易取得更好的抗風(fēng)性能和活載撓度較小，無索區(qū)的長度也可較長；拉索用量和雙塔相當(dāng)。

圖5　寧波大橋

　　獨塔斜張橋更容易做得美觀，并與景觀協(xié)調(diào)。但是要注意以下幾點：

　　1、主梁應(yīng)做成流線型，梁寬/梁高>10，至少也要≥8。

　　2、塔型最好用A型或倒Y型。

　　3、在平衡雙懸臂施工時，由于中孔傾復(fù)力矩較大，應(yīng)盡早在邊孔建臨時拉力墩或主塔后傾一點，做足邊孔主梁截面甚至加壓重以增加穩(wěn)定力矩，而中孔預(yù)制面板可以后安裝。

　　大跨徑斜張橋由于斜拉索張力的水平投影到主梁，造成在塔處主梁跟部的壓力很大，不僅壓應(yīng)力過大，還可能造成壓屈失穩(wěn)。主跨856米的法國諾曼底大橋在邊跨和塔處主跨側(cè)116米長的主梁為C60的高強(qiáng)混凝土箱梁，能經(jīng)濟(jì)地承擔(dān)巨大的壓力。而主跨890米的多多羅大橋則采用加大鋼箱梁截面積起了同樣的作用。

圖6		圖7

長柔的拉索易發(fā)生獨立索振動和非線性變形增大，在諾曼底橋采用了斜拉索上垂直方向布置輔助加固索（二次索）并在跨中附近的拉索根部布置緩沖器。在長拉索上還布置了抗風(fēng)振阻尼器。為了便于斜拉索的更換和防腐，每根斜拉索采用若干根平行鋼絞線組成，更換時鋼絞線可以一根根地?fù)Q，但是，斜拉索直徑加大，所受風(fēng)荷載也相應(yīng)大，不利于抗風(fēng)。為了防止斜拉索的雨振發(fā)生，要使斜拉索保護(hù)的套管做得粗糙一些，多多羅橋的斜拉索面上包微凹狀聚乙稀材料，而諾曼底大橋則在套管上布置了螺旋肋不讓造成雨振的雨線發(fā)生。跨度加大，同樣寬的橋面?zhèn)认騽偠葴p少，在斜張橋中采用了側(cè)向傾斜的索平面布置，大大減少側(cè)向位移的幅度。

　　近來，大家都關(guān)注著一座構(gòu)思非常大膽但結(jié)構(gòu)處理又十分精細(xì)的大橋建設(shè)項目，這就是跨越希臘科林斯海峽的里翁--安蒂雷翁大橋。它建造在歐洲地震活動的頻發(fā)地區(qū)，地基上的地震最大加速度為0.5g，海峽兩岸正以8mm/年的速度發(fā)生著地殼的相對變化。該橋位的水深為50~65m，基巖于水面以下800m，必須在砂和粘土互層的沖積地基上建設(shè)基礎(chǔ)。因此，在TRANBBS設(shè)計中允許基礎(chǔ)和地基之間的滑動，提前預(yù)料斷層位移，還要考慮萬噸海輪的船撞等問題。同時考慮了建設(shè)費用問題后，選擇了四塔五跨的連續(xù)斜拉橋結(jié)構(gòu)。主橋跨徑布置為286+3×560+286m（圖8），全漂浮體系，兩端是簡支。

圖8

主梁為鋼和混凝土面板的疊合圖梁，主梁在縱向和橫向都有位移阻尼系統(tǒng)。在90m直徑的圓形擴(kuò)大基礎(chǔ)下，有更大范圍的鋼管樁群來加固地基，兩者之間為礫石墊層，在有地震或位移時可以產(chǎn)生滑動和緩沖，起了隔震的作用。如果主塔基礎(chǔ)不滑動，那么橋上就會作用很大的地震力，使結(jié)構(gòu)難以抵抗，而現(xiàn)在的處理方法，能消解巨大的地震力，而且也不會發(fā)生成為問題的塑性變形。（圖9、圖10）

圖9		圖10

　　隨著力學(xué)的發(fā)展，懸索橋計算理論由彈性理論到撓度理論到有限位移理論（表三），1980年以來，有限位移理論隨著計算機(jī)的發(fā)展，用非線形桿系有限元分析法分析，考慮了懸索橋幾何非線性的影響因素，考慮了荷載作用下的結(jié)構(gòu)大位移，力與變形非線性關(guān)系，考慮了纜索自重垂度的影響；纜索變形比直桿單元大，也考慮了初始內(nèi)力的影響，不再采用疊加原理，對懸索橋特別要注意橫向荷載下的結(jié)構(gòu)分析。除了發(fā)生橫向變形外，由于吊點與扭轉(zhuǎn)中心偏離，還要發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，由于懸索橋長而柔（主纜是幾何可變的），偏載產(chǎn)生的影響比較大，同時帶來加勁梁的扭轉(zhuǎn)，有單獨考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的分析理論和同時考慮偏心荷載引起的耦合變形效應(yīng)的分析理論，所以現(xiàn)在還發(fā)展空間三維有限元分析。正在研究材料非線性影響分析，對特大橋和高速風(fēng)時還應(yīng)考慮靜風(fēng)荷載的非線性影響。靜風(fēng)荷載非線性主要是指隨著風(fēng)速的增加，結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致風(fēng)與結(jié)構(gòu)的有效攻角變化，并引起作用于結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)荷載改變，即升力荷載增加，結(jié)構(gòu)向上運動，重力剛度下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)區(qū)域發(fā)生顯著的軟化，顫振臨界風(fēng)速降低，發(fā)生空氣靜力失穩(wěn)。在懸索橋受力分析，特別要注意動力分析，它包括抗地震分析和抗風(fēng)動振動的分析。

　　不論是懸索橋和斜張橋向特大跨徑發(fā)展，不僅給施工帶來更大的難度，而且靜力和動力的非線性問題，側(cè)向穩(wěn)定問題，風(fēng)致振動問題，地震響應(yīng)問題和懸索橋的錨碇與斜張橋主梁根部巨大的軸向壓力都十分突出。不僅要進(jìn)一步研究分析它們規(guī)律和危害，研究對策，更重要的是要在體系上采取措施，改善受力條件；發(fā)展新材料，采用高強(qiáng)、低松馳、耐腐蝕的材料；在理論上和計算方法進(jìn)一步突破，準(zhǔn)確的分析提高可靠度。

二、二十一世紀(jì)的展望

　　在世界經(jīng)濟(jì)全球化的推動下，溝通洲際之間，國家之間和本土與島之間以及跨海灣工程顯得越來越迫切。就以中國來說，同江至三亞主干線上就要有五個跨海工程--渤海灣跨海工程，長江口越江工程，杭州灣跨海工程，珠江口伶仃洋跨海工程以及瓊州海峽工程。其中瓊州灣海峽工程最困難，有20Km的海峽寬度，平均水深60m，加上災(zāi)害性的地震和臺風(fēng)的頻繁襲擊以及復(fù)雜的地質(zhì)條件。還有大陸與舟山群島、青島與黃島，甚至大陸與臺灣的聯(lián)島工程。還有眾多的越長江，黃河，珠江等大江大河的橋梁工程。在世界上洲際之間的直布羅陀海峽、博斯普魯斯海峽，白令海峽等艱巨的工程，還有意大利墨西拿海峽，日本東京灣和伊勢灣海峽，北歐各國之間和德國到丹麥的菲馬海峽大橋。在20世紀(jì)橋梁工程取得了大發(fā)展的基礎(chǔ)上，人們更能暢想21世紀(jì)的宏偉藍(lán)圖。

　　項海帆院士在談到這個問題時，特別強(qiáng)調(diào)“知識經(jīng)濟(jì)時代的橋梁工程建設(shè)”將具有以下一些特征：首先，在橋梁的TRANBBS規(guī)劃和設(shè)計階段，人們將運用高度發(fā)展的計算機(jī)輔助手段進(jìn)行有效的快速的優(yōu)化和仿真分析，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用使業(yè)主可以十分逼真地事先看到橋梁建成后的外型、功能，在模擬地震和臺風(fēng)襲擊下的表現(xiàn)，對環(huán)境的影響和晝夜的景觀等以便于決策。其次，在橋梁的制造和架設(shè)階段，人們將運用智能化的制造系統(tǒng)在工廠完成部件的加工，然后用全球定位系統(tǒng)（GPS）和遙控技術(shù)，在離工地千里之外的總部管理和控制橋梁的施工。最后，在橋梁建成交付使用后，將通過自動監(jiān)測和管理系統(tǒng)保證橋梁的安全和正常運行。一旦有故障或損傷，健康診斷和專家系統(tǒng)將自動報告損傷部位和養(yǎng)護(hù)對策。

三、新橋型的構(gòu)思

　　從目前來說，不管懸索橋還是斜張橋跨度要有較大幅度的增長都有一些難以克服的難題。懸索橋在施工中雖然比較穩(wěn)定，但成橋后風(fēng)動穩(wěn)定性較差，錨碇難度增加，特別是跨海工程，錨碇要設(shè)在相當(dāng)水深的水中，工程浩大。而斜張橋可以省去錨碇，風(fēng)動穩(wěn)定性優(yōu)于懸索橋，但是在施工中大懸臂施工穩(wěn)定性差，塔處主梁軸向壓力過大，還會有壓曲失穩(wěn)的問題。

圖11　雙索斜拉橋原理圖

　　雖然J.Mmuller教授提出了雙索斜張橋的方法：將懸臂一定長度以后的梁體節(jié)段，其拉索通過塔頂錨固于邊跨的錨固墩上而不是邊跨梁體，而拉索拉力的水平投影分力由另外的張拉力來平衡，不傳到塔處主梁截面上，使梁的軸向壓力大大減少，但是這樣方法施工上還有一定的難度。

　　由于斜張橋是一個自錨體系，在跨海長橋中，人們很容易想到的是多跨斜張橋，一種是類似于馬拉開波橋的型式，用剛度很大的塔支承每一個懸臂部份，在兩塔的懸臂端間設(shè)一簡支掛孔。希臘的里翁--安蒂雷翁橋是560米跨徑的連續(xù)全漂浮體系，另一種是多跨斜張橋主梁是連續(xù)的，中間塔的剛度放大或者在中間塔頂有拉索錨固于邊跨橋臺上或邊跨塔的塔梁結(jié)合處。后者就是香港汀九橋，它中間跨也達(dá)到448和475米。當(dāng)要求跨度較大時，塔頂用輔助拉索是比較經(jīng)濟(jì)的方法，但是這樣的橋每跨跨度不能太大，而且中間塔的基礎(chǔ)難度也較大，特別是輔助拉索至關(guān)重要，如一側(cè)拉索松馳或斷裂將對橋的安全帶來很大危害。對于多跨連續(xù)懸索橋中，為了限制局部孔跨加載狀態(tài)下的梁體撓度以及改善動力性能，中間橋塔需要有足夠的剛度（它的增大主要是塔型在順橋向由I型改為A型來取得）。這種連續(xù)形式的橋型深水基礎(chǔ)還要有一套防撞設(shè)施才行。特別是在軟基和強(qiáng)臺風(fēng)地區(qū)中實施的難度更大。不過在地質(zhì)條件好，通航要求允許時，這也不失為一個好的比較方案。

圖12　汀九橋

　　我們很容易想到是否有一種橋型兼顧懸索橋和斜張橋的優(yōu)點。雖在18世紀(jì)初，建成了一座100米跨度的斜張懸索協(xié)作橋，但未被世人所注意。90年代初，法國坦卡維爾懸索橋在加固時采用了這一體系。最近土耳其伊茲密特港口大橋和我國的伶仃洋東航道橋都考慮了這樣的方案，就是在塔附近采用斜張橋方法而跨中附近采用懸索橋的懸吊方法，并把懸索主纜中的拉力錨固于邊跨末端的錨碇中，這樣錨碇受力也大大減少。這種橋型充分發(fā)揮了兩種橋型的優(yōu)勢，既克服了斜張橋由于懸臂長度加大而引起主梁壓力過大的問題，又減少了大跨懸索橋中主纜的拉力和錨碇的工程量（初步估算拉力減少20-30%），還增加了風(fēng)穩(wěn)定性。這是因為主梁扭轉(zhuǎn)基頻比提高了，混凝土箱梁增加了橋梁與空氣質(zhì)量密度比，主纜、橋塔和拉索能分擔(dān)主梁從導(dǎo)流中吸收的能量，增加結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能量，提高了顫振臨界風(fēng)速。從經(jīng)濟(jì)性來說，協(xié)作橋錨碇可以減小，斜張橋或部份主梁還可以高強(qiáng)混凝土替代鋼箱梁，主纜和拉索的鋼絲用量可以節(jié)省，所以在同濟(jì)大學(xué)做的伶仃洋東航道橋斜張懸索協(xié)作橋方案投資比相近跨度的江陰長江大橋還要少。然而，在這組合結(jié)構(gòu)中，吊拉結(jié)合部豎向剛度變化大，兩端邊吊桿產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力，容易引起疲勞破壞，要特別重視。可采用擴(kuò)大吊桿范圍與拉索交織在一起，和在邊跨增加輔助墩，可以提高協(xié)作體系的結(jié)構(gòu)剛度，減少活載內(nèi)力和位移，從而減小它的交變應(yīng)力幅度，避免吊桿的疲勞破壞。同時，也可以減小吊桿工作的平均應(yīng)力，提高它的疲勞安全度。

圖13 伶仃洋橋方案圖

　　對于特大跨度橋梁要研究與解決的主要課題是上部結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性與深水下部結(jié)構(gòu)。前面研究了如何從橋型布置上提高橋梁的抗風(fēng)能力，我們也可以從橫斷面上采取措施。

　　為了取得足夠的臨界風(fēng)速，必須增大加勁梁的抗扭剛度，這就要增加重量，或采用新的箱梁設(shè)計構(gòu)思以提供良好的風(fēng)動穩(wěn)定性。如果把單箱梁分為孿生的雙箱梁，雖然單個箱的抗扭剛度減少了，但懸索橋的主纜是控制它扭曲振動頻率的主要構(gòu)件，由于兩根主纜間距加大，整體來說，抗扭剛度大多數(shù)情況下是提高了，同時也降低了風(fēng)動產(chǎn)生力矩和升力率。但它與分開的寬度有關(guān)，曾經(jīng)對于3000米跨度的懸索橋做過試算，當(dāng)分開的寬度是雙箱合計寬度的1/2時，臨界風(fēng)速最低，所以要通過試算各種方案后再定。青馬大橋雖沒有把它分為兩個獨立箱，但上部通風(fēng)口寬度從9.4米減少到2米時，才保持滿意的臨界風(fēng)速，最終采用了上層通風(fēng)口寬3.5m，下層利用輕軌道下透風(fēng)加寬到12.5m，渦流發(fā)散振幅減小。

圖14　青龍橋加勁梁方案圖

分開的兩個箱型也要通過節(jié)段模型試驗，使它得到最佳的狀態(tài)。不久要開工主跨為1418m的香港青龍橋就采用了孿生雙箱的方案。醞釀已久的意大利墨西拿海峽大橋主跨為3300米，采用了三箱方案，兩側(cè)是公路橋，中間是軌道運輸，該設(shè)計方案使橋梁具有良好的風(fēng)動穩(wěn)定性。如果每個箱梁由2個索面承受，可以減少橫梁工程量，如果采用側(cè)斜索面，更可以提高整個橋梁的風(fēng)動穩(wěn)定性。但是，這樣做也帶來構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大和造價高的缺點。為了解決懸索橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性問題，還有從改變纜索體系角度來研究，采用單纜、傾斜的雙纜甚至三纜、四纜方案。

　　在特大橋梁的設(shè)計中，必須進(jìn)行地震危險性分析。不僅要考慮水平與豎向地震力的作用，由于各基礎(chǔ)間隔較遠(yuǎn)，在地震波作用下，還存在著各基礎(chǔ)位移相位差的影響，這種地震動力的空間變化效應(yīng)是不可忽略。除了進(jìn)行地震危險性分析進(jìn)行抗震設(shè)計，同時還可以采用一些措施進(jìn)行防震。要提高橋梁抗震能力不能單純依靠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時對增加結(jié)構(gòu)延性（變形能力）給予充分重視。減震和隔震是利用材料或裝置的耗能性能，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。有彈性支座隔震、液壓阻尼器、調(diào)質(zhì)阻尼器等等。如斜張橋中在結(jié)構(gòu)上采用懸浮體系消耗能量。

　　回顧20世紀(jì)橋梁工程的成就，技術(shù)發(fā)展起了決定性作用，特別是20世紀(jì)末期發(fā)展速度更快，必然對21世紀(jì)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。從墨西拿海峽大橋來看，達(dá)到3300米以上的跨度是完全可能的，如果新型材料的開發(fā)，跨度還可以增加。跨度加大主要是為了避開深水基礎(chǔ)在技術(shù)上的困難，雖可用海洋平臺技術(shù)修深水墩，但造價昂貴，施工難度大，超過1200米以上跨度的大橋都可以用斜張懸索協(xié)作橋進(jìn)行方案比較。如果在深水基礎(chǔ)上能夠新的突破，采用連續(xù)多跨的橋梁可能成為經(jīng)濟(jì)合理的方案。但是多跨橋在通航繁忙的航道上，易遭到航運部的反對。我們中國在建設(shè)特大橋梁上有廣闊的市場，在我們共同努力下，一定會創(chuàng)造更輝煌的成就。

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