桥梁是人类最杰出的建筑之一,美国旧金山金门大桥、澳大利亚悉尼港桥、英国伦敦桥、日本明石海峡大桥、中国江阴长江大桥等,都是一件件宝贵的空间艺术品,成为陆地、江河、海洋和天空的景观,成为城市标志性建筑。
人们很早就能利用钢铁来制造桥梁了。英国在1779年,建成了世界上最早的铸铁桥――科尔布鲁克德尔大桥(跨长30m,高12m)。这座桥至今仍在使用,各个构件间的连接方法采用了以往木结构的接头和榫接技术。我国四川大渡河上在1706年建成了著名的铁索桥,这也可能是世界是最早的悬索桥雏型。
支撑现代建筑的结构材料主要是钢铁和混凝土。钢铁的高强度和稳定的性能,韧性好而且适合于工厂化批量生产,使得钢铁成了最佳建筑用结构材料。钢铁技术发展,促进了人类历史上建筑技术的变革。18世纪后半叶起,人们开始应用铸铁技术进行工厂、仓库、商场、停车场等的建造,框架、桁架和拱结构获得了广泛的应用。由于科技之发展及钢材品质之进步,钢结构之重要性被先进国家所肯定,在一些先进城市,大楼、桥梁、大型公共工程,多采用钢结构建筑。但是钢铁最大的问题是它的腐蚀性,如何防止钢铁桥梁的腐蚀,有效地保护桥梁构件,延长使用期,是钢铁桥梁建造中要考虑的头等大事之一。
混凝土也是现代最重要的建筑材料之一,广泛用于大坝、、地板、贮槽等。高强度预应力混凝土结构被广泛应用于现代桥梁的桥塔建造,以及许多刚构连续桥梁方面。坚硬的混凝土本身也耐腐蚀的材料,经常用于钢结构的保护,但是混凝土也有反应性,比如说在酸性环境中,所以它的表面也需要涂料的保护。
桥梁建筑的发展
桥梁可以分为铁路桥和公路桥,根据需要,铁路桥和公路桥可以两桥合一,典型的如我国早期建设的南京长江大桥和武汉长江大桥,以及澳大利亚的悉尼港口大桥。在桥面结构上,铁路桥以桁架梁为主,公路桥现在的发展以箱形梁为主。
现代化的桥梁建设,主要有斜拉桥、悬索桥、拱桥、PC连续刚构桥等建造形式。下面我们分别回顾一下这几类桥梁的建设历史,同时了解一下这些桥梁的结构形态,这对如何进行防腐蚀设计有着相当大的帮助。
1.斜拉桥(Cable Stayed Bridge)
将梁用若干根斜拉索拉在塔在上,便形成斜拉桥。与多孔梁桥对照起来看,一根斜拉索就是代替一个桥墩的(弹性)支点,从而增大了桥梁的跨度。斜拉桥是大跨度桥梁的最主要桥型,在跨径200~800m的范围内占据着优势,对于200-650米跨度的公路桥(铁路桥在400米以下)中,斜拉桥是较佳的方案。
斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成,选择不同的结构外形和材料可以组合成多彩多姿、新颖别致的各种形式。索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱,材料有钢、混凝土的。主梁有混凝土梁、钢箱梁、结合梁、混合式梁。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面,拉索材料有热挤PE防护平行钢丝索、PE外套防护钢绞线索。
现代斜拉桥可以追溯到1956年瑞典建成的主跨182.6米斯特伦松德桥。历经半个世纪,斜拉桥技术得到空前发展,跨径大于400m有40余座。20世纪90年代以后在世界上建成的著名的斜拉桥有法国诺曼底斜拉桥(主跨856米),南京长江二桥钢箱梁斜拉桥(主跨628米)、福建青州闽江结合梁斜拉桥(主跨605米)、挪威斯卡恩圣特混凝土梁斜拉桥(主跨530米),1999年日本建成的世界最大跨度多多罗大桥(主跨890米),是斜拉桥跨径的一个重大突破,是世界斜拉桥建设史上的一个里程碑。
我国第一座斜拉桥在1975年于四川云阳建成,主跨76米。我国在1991年建成了上海南浦大桥(主跨为423米结合梁斜拉桥),开创了我国修建400米以上大跨度斜拉桥的先河,大跨径斜拉桥如雨后春笋般的发展起来。我国已成为拥有斜拉桥最多的国家,在世界10大著名斜拉桥排名榜上,中国有6座,跨度600米以上的斜拉桥世界仅有6座,中国占了4座。2001年建成的南京长江二桥钢箱梁斜拉桥(主跨628米),名列世界第三位。
2.悬索桥(Suspension Bridge)
悬索桥是制造方面技术最为复杂,桥型最为漂亮的桥梁。一千米以上的桥梁只能使用该种桥型建造。
利用铁链作悬索的桥梁,比较有名的就是我国四川大渡河上面的泸定桥了,它于1706年建成。最早利用眼杆和销铰作悬链的桥梁,是英国于1826年建成的麦地海峡桥和1864年建成的克利夫顿(clifton)桥,这两座桥至今还在使用。利用钢绞线和钢丝等制造的现代悬索桥是在二十世纪以后才出现的。
美国是最早进行现代悬索桥建设的国家。在1903年建成的主跨为488m的威廉姆斯堡桥(Williamsburg Bridge)。著名的旧金山金门大桥(Golden Bridge)于1937年落成,主跨达到了1280m。1964年,美国建成了主跨超过金门大桥18m(18+1280=1298m)的维拉扎诺海峡桥(Verrnzano Narrows Bridge)。此桥为当时的世界最大跨度的悬索桥,纪录保持了17年,直到1981年被英国主跨为1410m的恒伯尔桥(Hubmer)打破。
欧洲最早的大跨度悬索桥是1959年法国建成的主跨为608m的坦卡维尔桥(Tancariville Bridge)。首次采用钢箱梁与斜吊索的悬索桥是英国在1966年建成的主跨988m的塞文桥(Severn),开创了悬索桥建设的另一流派。
日本的悬索桥建设在20世纪80年代为高峰期,以本四连络桥为代表,1983年在尾道-今治线上建成主跨770m的因岛大桥和1985年建成的主跨560m大岛大桥;1985年建成的主跨876m的大鸣桥位于神户―鸣门线上;儿岛-坂出线上,1988年建成了主跨940m的下津井大桥,主跨1100m的南备赞大桥和主跨990m的北备赞大桥。日本在1998年建成了世界最大跨度的明石海峡大桥(主跨1991米)。从1000米到近2000米,这是一个重大突破,是世界悬索桥建设史上的又一座丰碑。
我国此时也进行了悬索桥建设的高峰期,主跨648m的厦门海沧大桥,900m的西陵峡长江大桥,888m的虎门大桥,452m的广东汕头海湾大桥,960m的宜昌长江大桥,重庆市主跨612m的鹅公岩长江大桥等。1998年建成的江阴长江大桥(主跨1385米)和1999年建成的香港青马大桥(主跨1377米,公铁两用),现在分别位列世界第四、第五位。正在建设中的润扬大桥南汊桥为1490 m单跨双铰钢箱梁悬索桥,是我国建桥史上工程规模最大,技术含量最高的现代化特大型桥梁工程,建成后可以超过英国的恒伯尔桥成为世界主跨第三。
悬索桥悬挂系统大部分情况下用“索”做成,所以叫作“悬索桥”。和拱桥不同的是,作为承重结构的拱肋是刚性的,而作为承重结构的悬索则是柔性的。为了避免在车辆驶过时,桥面随着悬索一起变形,现代悬索桥一般均设有刚性梁(又称加劲梁)。桥面铺在刚性梁上,刚性梁吊在悬索上。悬索一般均支承在两个塔柱上。塔顶设有支承悬索的鞍形支座。承受很大拉力的悬索的端部通过锚碇固定在地基中,个别也有固定在刚性梁的端部者,称为自锚式悬索桥。
悬索桥的主体结构可以分为三大部分:
l 桥塔
l 缆索
l 加劲梁
桥塔
在20世纪60年代以前,较大跨度的悬索桥的桥塔几乎全是钢铁制造,由美国的一系列著名悬索桥为代表,如旧金山奥克兰海湾大桥、旧金山金门大桥等等。
日本的悬索桥一直是采用的钢塔,因为日本是个多震国家,采用钢结构桥塔比混凝土结构要轻,抗震性好。并且,日本的钢结构制造和安装架设方面其能力也是世界上一流的。优质的栓焊技术和大型浮吊整体施工,在很大程度上加快了工期,减少了劳动力。
早期的美国悬索桥桥塔采用铆接结构,将钢板和角钢连接成多格式塔柱,格室内空间很小,对于涂料的施工很不方便。美国旧金山-澳克兰海湾大桥的塔柱截面为十字形,4个分肢有若干个小格室。
近年来由于栓接和焊接技术的发展,钢塔柱改用了有加劲肋条的大钢板来组成大格式截面,大部分为大十字型或T型截面,格室大且数量少(有的只有一个格式)。这样就有利涂料的施工和维修了。其代表性的内部结构,如1988年建成的博斯普鲁斯海峡二桥塔柱截面见下图。
混凝土浇注,特别是模板技术,是在近几十年才发展起来的。所以混凝土桥塔是在20世纪60年代左右才采用的。1959年,法国的坦卡维尔桥(Tancarvile)首先使用了混凝土进行桥塔的建设。1981年建成的当时世界第一跨度(1410m)的英国恒伯尔大桥,也使用了混凝土进行桥塔的修建。从此,大跨度桥梁开始了混凝土修建桥塔的潮流(日本除外)。我国的大跨度桥梁全部是采用混凝土进行浇注的。
缆索
悬索桥的缆索体系包括主缆和吊索。吊索有时也会用眼杆圆杆,这时可以称之为吊杆,但是现代悬索桥主要是采且柔性大,操作性强的钢丝索作为吊拉构件,即吊索。
主缆的截面一般先由?5mm左右的钢丝组成钢丝束股,然后再由若干根钢丝束股组成一根主缆。钢丝束股的方法有两种,空中编丝成缆(Air Spinning)和预制平行钢丝束股(Prefabricated Parallel Strands)。前者简称AS法,后者简称PS法或PWS法(Parallel Wire Strands)。
PS法最早在美国的新港桥上应用,但是日本是大量采用并发展该方法的国家。PS法可以在建造桥梁的同时在车间进行钢丝索的编制,加快了施工进度。但是它要求有非常大吨位的起重运输设备。在我国,除了青马大桥外,其它所有的悬索桥都采用PS法编制主缆,虎门大桥有一部分主缆是在现场编制的。
加劲梁
加劲梁为涂装防腐的主要部位,也是耗漆量最多的地方(除了钢质桥塔外)。悬索桥的加劲梁的主要使用的是钢结构,我国的汕头海湾大桥(主跨452m)则是个例外,采用了混凝土箱梁。
早期的加劲梁都为钢桁梁,目前铁路桥和公铁两用桥都是采用的这一形式。
1940年美国在华盛顿洲建成主跨853m的塔科马老桥,加强梁采用了钢板梁,由于其断面抗风性差,在建成当年11月7日被风吹断。以此为鉴,进行了的风洞试验,1950年重建塔科马新桥,加强梁改为钢桁梁结构。从此,风洞试验成为了悬索桥设计的必要手段。
流线型钢箱梁最早的使用是从英国Severn桥开始的,我国的许多桥梁采用的都是钢箱梁。与钢桁梁相比,钢箱梁为平面构件,对于涂装来说非常方便,也便于以后的维修保养。并且,内部作为封闭结构,可以采用抽湿机防锈。
香港青马大桥(主跨1377m),从外观上看近似于能透风的钢箱梁,而内部结构有两片高6.3m的纵向主桁架,横向中心距26m,它们与上下两层正交异性钢桥面共同提供抗弯刚度并支承桥面车道。沿加劲梁的纵向,在梁体内第隔4.5m就布置有无斜用杆的刚性横向框架,它由中央两根竖杆加上主桁架内的两根竖杆以及上下横梁组成。下层桥面的的双线轻载客运铁道即从这些框架中通过。所以实则上青马大桥的加劲梁为双层桥面钢桁梁。
3.拱桥
世界上最出名的拱桥可能是澳大利亚悉尼港口大桥,这是一座公路铁路并行的两用桥,它与附近的悉尼歌剧院成了澳大利亚的象征。
拱桥是我国历史悠久的源远流长的一种技术。目前世界上最大跨度的石拱桥是2001年在山西晋城跨径达146m的晋焦高速公路丹河大桥。根据建筑材料的发展使用,拱桥从早期的石拱桥到混凝土拱桥,到现在的钢管混凝土拱桥和钢拱桥,无论从材质还是形态,以及长度方面都有了新的突破。
我国大跨度混凝土拱桥的建设技术,现在居于国际领先水平。1997年建成的重庆万州长江大桥(主跨420米),为世界最大跨度的混凝土拱桥。
钢管混凝土是一种钢-混凝土复合材料,具有高强、支架、模板三大作用,自架设能力强,较好地解决了大跨径拱桥经济、省料、安装方便,后期承载能力高的问题。该桥型我国近年来发展很快,最大跨径为2000年建成的中承式钢管混凝土拱桥广州ㄚ髻沙珠江大桥(主跨360米),为目前世界第一钢管混凝土拱桥。目前正在建设的巫山长江大桥(主跨460米),这将又是一座创世界纪录特大跨径钢管混凝土拱桥。
世界最大跨径钢拱桥是1997年建成的美国新河桥(主跨518.2米)上承式钢桁架拱桥;名列第二是1931年建成的美国贝尔桥(主跨504米)中承式钢桁架拱桥;名列第三是1932年建成的澳大利亚悉尼港桥(主跨503米,公铁两用)中承式钢桁架拱桥。我国大跨径钢拱桥修建较少,最大跨径的钢拱桥是四川攀枝花3002桥(主跨180米)。上海最近动工建设的芦浦大桥(主跨550米)中承式钢箱拱桥,建成后比世界第一的美国新河桥还长31.8米,将夺冠世界第一钢拱桥。
4.刚构桥
PC连续刚构桥很多,随着世界经济发展,PC连续刚构桥将得到更快发展。1998年挪威建成了世界第一stolma桥(主跨301米)和世界第二拉夫特桥(主跨298米),将PC连续刚构桥跨径发展到顶点。我国大跨径PC连续刚构桥型和PC梁桥型的建桥技术,已居世界领先水平。1988年建成的广东洛溪大桥(主跨180米),开创了我国修建大跨径PC连续刚构桥的先例。世界已建成跨度大于240米PC梁桥17座,中国占7座。1997年建成的虎门大桥副航道桥(主跨270米)为当时PC连续刚构世界第一。
PC刚构桥由于完全用钢筋混凝土建成,所以以往都不用涂料进行保护。近来发现这些大型的桥梁如果不妥善进行保养的话,隐患很大。