混凝土桥梁溯源与发展思考.pdf
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1、 桥梁建设2 0 1 3 年第 4 3卷第 5期( 总第 2 2 2期) B r i d g e C o n s t r u c t i o n,Vo 1 4 3 ,No 5 ,2 0 1 3( To t a l l y No 2 2 2 ) 文章编 号 : 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 0 5 0 7 混凝土桥梁 溯源与发展思考 刘 钊 , ( 1 东南 大学土 木 工程 学院 , 江苏 南 京 2 1 0 0 9 6 ; 2 东 南大 学混凝 土及 预应力混凝土结构教育部重点实验室, 江苏 南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘 要 : 从 混凝 土
2、桥 梁 的历 史演进 中探 讨其 发展 方向 。 回顾 混凝 土桥 梁 自诞 生 以来 的技 术与 理论进展 , 将其划分为萌芽、 初创 、 成长、 普及与发展 4个阶段 ; 同时简述我 国混凝土桥 梁的发展历 程 , 并指出当前在施工、 设计和科研 中存在的粗放和轻视现象。在此基础上, 探讨混凝土桥梁值得 关注的研 究与发展方向, 包括: 原材料 的基本性能、 概念设 计与计算机分析、 B区和 D 区的设计方 法 、 疲 劳损 伤 、 工业化 制造技 术 、 耐 久性 、 新型 混凝 土材料 以及 符合 可持 续发展 主题 的混 凝 土桥 梁设 计 理念 。 关键词 :混凝土桥 ; 技 术;
3、 理论 ; D区设计 ; 疲劳; 快速施工; 可持续发展 中图分 类号 : U4 4 8 3 4 ; U4 4 8 3 5 文献 标 志码 : A Hi s t o r i c a l Re v i e w a nd De v e l o p m e nt Co nc e r n o f Co n c r e t e Br i d g e s LJ U Zh ao , 0 ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ,Na n j i n g 2 1 0 0 9 6
4、,Ch i n a ;2 Ke y L a b o r a t o r y o f Co n c r e t e a n d P r e s t r e s s e d C o n c r e t e S t r u c t u r e s o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n,S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ,Na n j i n g 2 1 0 0 9 6,Ch i n a ) Abs t r a c t :The d e v e l o pme nt t r e nd of c o nc r e t e
5、 br i d g e s i s a nt i c i pa t e d f r om t he hi s t or i c a 1 e v o l u t i o n o f t he b r i d ge s The t e c hno l o gi c a l a n d t h e o r e t i c de v e l op me nt s i n c e t he b e g i nn i ng o f t he b r i d g e s i s r e v i e we d a nd t h e d e v e l o p m e n t o f t he br i d g
6、e s i s di vi d e d i nt o 4 p e r i o ds f r om t he e a r l y b e gi n ni n g,p r e l i mi na r y f o r m a t i on,gr o wi n g u p t o t he p o pul a r i z a t i o n a n d p r e s e nt de ve l op me nt M e a n whi l e,t he d e v e l o pme n t hi s t or y o f t he b r i d g e s i n Chi n a i s br i
7、 e f l y p r e s e n t e d a nd t h e ph e n ome n a o f e xt e ns i ve ma n a ge m e nt a nd c a s ua l a t t i t ud e t owa r d t he c o ns t r u c t i on,de s i gn a n d r e s e a r c h o f t h e b r i d g e s i n t h e c o u n t r y a r e p o i n t e d o u t Fu r t h e r t o t h e r e v i e w a
8、n d p r e s e n t a t i o n,t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e nt t r e nd o f t h e br i d ge s d e s e r v i ng c on c e r n a r e s t u di e d,i n whi c h t he b a s i c p e r f or ma n c e o f ma t e r i a l s,t he c on c e p t u a l d e s i gn,c o m p ut a t i o na l a na l y s i s,d
9、 e s i gn m e t h od s f o r B_a nd D- r e gi o ns , f a t i g ue da m a g e, i ndu s t r i a l i z e d m a nuf a c t ur i n g t e c h no l og i e s , du r a bi l i t y, n e x t g e ne r a t i o n o f c o n c r e t e ma t e r i a l s a n d t h e d e s i g n p h i l o s o p h y o f t h e b r i d g e
10、s me e t i n g t h e s u s t a i n a b l e d e v e l o p me n t a r e c o ve r e d Ke y wo r d s:c o nc r e t e b r i dg e;t e c hno l o gy;t he or y;D- r e g i o n d e s i gn;f a t i gu e;a c c e l e r a t e d c on - s t r u c t i on;s u s t a i na bl e de ve l op m e nt 1 引 言 混凝 土 桥 梁 比钢 桥 的 出 现大
11、约 晚 了一 个 世 纪 。 虽然钢桥在跨径上远超出混凝土桥梁 , 但是 , 自二战 以后预应力混凝土技术逐步在全世界得到普及 , 使 收稿 日期 : 基金项 目: 作者简介 : 得混凝土桥梁在世界各国桥梁的总量中均 占有超 出 半 数 的份额 2 _ 。 混凝土桥梁约占我国桥梁总量 的 9 0 , 在量 大面广的混凝土桥梁建设 中, 人们普遍认为混凝土 2 O 1 3 0 7 1 O 国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 7 8 1 2 0 ) P r o j e c t o f Na t i o n a l Na t u r a l S c i e n c e F o u n d a t
12、 i o n o f Ch i n a( 5 1 2 7 8 1 2 0 ) 刘钊 , 教授 , E ma i l : mr 1 i u z h a o s e u e d u c n 。研究方 向: 混凝土桥梁设计与理论、 大跨度桥梁结构 、 桥梁抗震等。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 制备 工艺简 单 、 施 工技术 常规 、 设计 方法成 熟 。而在 面对混 凝 土桥梁 的各 类 病 害 时 , 往往 首 先 问责 施 工 质量 管理 , 或 习惯 在 既 有经 验 与
13、方法 的框架 下 给 出 问题 分析 与解释 。 为理性看待混凝土桥梁的现状 , 本文简要回顾 混凝 土桥 梁 的发展 脉络 , 剖 析 我 国混 凝 土 桥 梁跨 越 式发展进程 中可能存 在的一些问题 , 探讨混凝土桥 梁技 术 与理论 的发展 方 向。 2 混凝 土桥 梁的溯 源 2 1 混凝 土桥 梁 的技术发展 纵观历史 , 可以将混凝土桥梁的技术进程大致 划分为 : 萌芽 、 初创 、 成长 、 普及与发展 4个阶段 。 ( 1 )1 8 2 4 1 8 7 5年 为混 凝 土 桥 梁 的萌 芽 阶段 。 这 一 时期主要 以发 明波特 兰水 泥 ( 硅酸 盐水 泥) 和建 造第
14、1座钢筋混凝土人行桥为标志。 ( 2 )1 8 7 5 1 9 0 0年 为 混凝 土 桥 梁 的初 创 阶 段 。 这一时期初步探索了混凝土拱桥和梁桥的建造技术 和设计方法 , 并在欧洲工程实践中得到应用 。 ( 3 )1 9 0 0 1 9 5 0年 为 混凝 土桥 梁 的成 长 阶 段 。 这一时期 , 在? 昆 凝土拱桥方面 , 开始摆脱对石拱桥造 型的简单模仿 , 出现了钢筋混凝土三铰拱和多种形 式 的拱腹 与桥 面支 承构 造 , 展 示 混凝 土 拱 桥结 构 的 自身表现力; 同时, 用劲性骨架支承混凝土拱肋的米 兰法 , 使混凝土拱桥的跨度突破了百米。在混 凝土 梁桥 方 面
15、 , 发 明 了先张 、 后张 预 应力 工 艺 , 发 展 了体 外 、 体内预应力配筋方式 , 探索 了钢丝束锥销锚 、 楔 形锚等多种锚 固构造形式 。 ( 4 )1 9 5 0年 至今 昆凝 土 桥 梁 的普 及 与发 展 阶 段 。这 一时期 , 预应 力 混 凝 土桥 梁 的 技术 经 济 优 势 受到世界各国高度认 同, 其建造技术迅速从欧洲 向 全世界推广开来。在混凝土桥梁 向更 大跨度 推进 时, 需要摆脱传统支架法施工的制约 , 于是 , 工程师 们 陆续 发 明了悬 臂 浇筑 法 、 节 段 拼装 方 法 、 顶 推 法 、 悬臂拼装法 、 移动模架逐孔施工法 以及超大节
16、段预 制拼装法。同时, 混凝土梁桥的结构形式也在不断 创新之 中, 例如 , 1 9 6 2年委内瑞拉马拉开波( Ma r a c a i b o ) 桥大胆探索了一种 由若干独立单元构成的多 塔柱混凝土斜拉桥结构体系; 1 9 7 7年建成 的法国布 罗道纳( B r o t o n n e ) 桥展示了大跨径单索面混凝土斜 拉桥的潜力; 1 9 8 0年瑞士甘特 ( Ga n t e r ) 桥首创了一 种受 力行 为介 于斜 拉桥 与 梁 桥 之 间 的新 桥 型 , 即 预 应力 混凝 土矮 塔斜拉 桥 ; 1 9 9 5年 我 国汕 头 海湾 大 桥 尝试 了大跨径 预应力 混凝 土
17、加劲 梁悬 索桥 的建造 。 2 2 混凝 土桥梁 的理论 发展 至 1 9 世纪上半 叶, 材料力学理论体 系已经 建 立 。1 8 2 6年法 国人 纳维根据 应 力平 衡 、 应 变协 调 和 线弹性本构关系 , 给出正确 的挠曲线微分方程式及 梁的弯曲强度公式 , 为梁 的变形与强摩计算 问题奠 定了理论基础。l 9世纪后期, 法国工程师赫尼波柯 提出的钢筋混凝土配筋方法, 就是受益于这些早期 结 构理论 。 1 9 0 0 年前后 , 德国人雷特和莫西率先研究钢筋 混凝土梁独特的受力行为 , 提 出受弯受剪的早期桁 架理论。在预应力混凝土的早期发展中, 收缩徐变 的影 响逐渐受 到工
18、程 师重 视 , 1 9 3 9年 德 国人迪 辛 格 尔第一 次 提 出描 述 混 凝 土 收 缩 徐 变 发 展 的数 学 公 式, 并讨论了内力重分布的计算方法。在预应力混 凝土概念建立不久 , 1 9 4 0年英 国人阿贝勒斯提出了 部分预应力的思想 , 即允许预应力混凝 土在使用荷 载下 出现 消压 , 为 消除对 部分预 应力可 行性 的争议 , 阿贝勒斯在二战之后开展了不少部分预应力梁的静 力 和疲 劳试 验 , 并 进行 了设计及 工程 实践 。 自 2 O世 纪 5 O年代起 , 预应 力混 凝 土结 构 开 始 在 全球得 到推广 , 1 9 5 2年摩 尔曼 在美 国 A
19、C I 杂志上 提出了分析预应力混凝土结构的等效荷载法。伴随 着计算机技术的普及和结构试验 的增多, 混凝土结 构理论得到进一步发展。考虑混凝土和钢筋非线性 本构关系的承载力计算模型 , 逐渐用于评估混凝土 压弯构件 的承载力 , 并 于 1 9 6 3年纳入美国 AC I 规 范 。同年 , 林 同炎教 授在 AC I 杂 志上 发表 了预应 力 混凝土结构设计与分析的荷载平衡法 , 这是一种着 眼于弹性工作状态 的配筋设计方法, 除了方便超静 定预应力结构的受力分析外 , 还有助于消除混凝土 徐变 等时 效 作 用 的不 利 影 响。在 结 构 基 本 行 为 方 面 , 混 凝土 结构
20、的抗剪 、 抗 扭设 计一 直是 困扰 工程 界 的难题, 自 2 O世纪 8 O年代 以后, 加拿大柯里斯教 授 、 美 国徐 增全教 授等进 一步 发展 了桁架模 型理论 。 针对承受局部作用力或结构几何尺寸有 突变 的 D 区设计问题, 德国施莱西教授和美国布瑞恩教授等 发展了混凝土结构 的拉压杆模型 。这些研究成果 , 正 在陆续 写进世 界各 国 的混 凝土结 构设计 规 范 中。 表 1 概要地列 出了 自 1 8 2 4年波特兰水泥诞生 以来 的世界混 凝土 梁 桥技 术 与 理论 进 展 , 包 括 一些 代 表性 人物 和事件 。 2 3 我国混凝土桥梁的发展历程 2 O世纪
21、初叶前后 , 我国桥梁开始使用混凝土圬 工 材 料 , 最初 主 要用 于桥 梁 的基 础 、 墩 台与挡 墙 , 其 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝 土桥 梁溯源与发展思考 刘钊 7 表 1 混凝土梁桥技术与理论进展 Ta b 1 Te c h no l og i c a l an d Th e o r e t i c De v e l o pm e nt o f Co n c r e t e Br i dg e s 节 竺 悬 。 费 斯 特 瓦 德 1 9 5 2 年 , 美 国 人 摩 尔 曼 ( R M o o rm a n ) 提 出 了 预
22、应 力 等 展 一 JM uller)座 干 嚣 展 票 首 座干 i: 二 。 要 ; , 。 , B r e ; 暑 篙 混 要 哈 特 ( L e o - 计 ” h a r d t ) 首 次在混凝土桥梁的设计施3 2 中应用 。 后 才是 混 凝土圬 工 拱桥 和钢筋 混凝 土梁 桥_ 4 。 我 国的预应 力混 凝 土桥梁 起步 于 2 O世 纪 5 0年 代 中期 , 6 o年代之后 , T形刚构得到 了发展 。然而, 由于 T形刚构 中央挂孔铰缝处存在行车 不平顺 及 梁体下 挠 变形过 大 问题 , T 形 刚 构逐 渐 被 连 续 梁 与 连续刚构所取代 。 伴随 2 O世
23、纪 8 O年代 的改革开放进程, 特别是 随着计算机辅助设计技术和高强预应力钢绞线及锚 固体系的引进与普及 , 我 国混凝土桥梁建设进入快 速发展期。例如 , 1 9 8 8年广东建成 了主跨 7 x 1 1 0 1 T I 的节段 预 制悬臂 拼装 的江 门外 海桥 和 主跨 1 8 0 m 的节段 悬臂 灌筑 的 番 禺洛溪 大 桥 。进 入 2 0世 纪 9 0 年代后 , 预应力混凝土连续刚构桥 又向更大跨度推 进 , 1 9 9 5年 建 成 主 跨 2 4 5 m 的 黄石 长 江 大 桥 , 1 9 9 7 年建成主跨 2 7 0 m的虎门大桥辅航道桥。 不 可 否 认 , 自改
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