大学毕业设计论文 - 国内外桥梁设计施工新技术展示技术开发研究

国内外桥梁设计施工新技术展示技术开发研究
系别交通工程系
专业道路桥梁与渡河工程
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为提升我国桥梁设计施工新技术水平，快速、及时、准确的了解桥梁施工技术状况，提高桥梁施工管理水平和效率，建设创新型施工体系，我们进行了国内外桥梁设计施工新技术展示技术开发研究。

全文围绕国内外桥梁设计施工新技术展开思路，重点研究桥梁施工、设计过程中所用的新技术材料等，主要包括超大跨径桥梁设计施工的关键技术问题、中小跨径桥梁的目前设计需求、新技术材料的介绍与应用、国内桥梁设计存在的问题以及我国所面临的机遇与挑战五部分。

第一部分：超大跨径桥梁设计施工的关键技术问题主要包括斜拉桥和悬索桥目前国内外的发展水平以及根据目前现有的技术和材料的发展水平，桥梁的可能极限跨径，以及对于超大跨径桥梁以后我们还需要进一步加大研究，需要突破的一些关键技术问题。

从世界桥梁的发展来看，桥梁在向跨度更长、规模更大，向跨越海峡工程、外海海洋工程的方向发展。

目前世界上已经建成的斜拉桥跨径的世界记录里，前六名中包括了我国的四座大桥，并且前四名分别是我国的苏通大桥、昂船洲大桥、鄂东长江大桥和荆越的长江大桥（后三座桥梁目前正在建设）。

有的专家曾经说过，二十世纪三、四十年代是欧美的桥梁时代，八、九十年代是日本的桥梁时代，二十一世纪则是中国的桥梁时代。

欧美国家和日本，他们在上世纪五十年代就开展了斜拉桥的研究，从美国跨径504m的贝尔桥到法国的诺曼底大桥856m跨径,一直到日本的多多罗大桥890m跨径。

我国虽然起步比较晚，从上世纪七十年代中期开始研究，到90年代初杨浦大桥建成突破了600m 的跨径。

进入二十一世纪，我们从600m一步跨越到了1088m。

我国斜拉桥的发展历程虽然起步较晚，但发展比较迅速，当然这也是在借鉴其它国家经验的基础上，继承创新，博采众长，取得的成果。

在斜拉桥方面我国也做出了突出贡献，我们首次突破了千米跨径建成了苏通大桥。

苏通大桥的关键技术研究得到了国家科技部科技攻关项目的支持，被列入国家科技支撑计划项目，目前该项目正在进行，共进行了6个课题的研究：第一个是千米级斜拉桥技术标准和关键结构及特性研究：主要对千米级斜拉桥技术标
准、千米级斜拉桥结构特性及合理体系、千米级斜拉桥关键结构及设计方法、超长大直径群桩基础受力机理与实用计算方法、钢混组合索塔锚固结构与构造、千米级斜拉桥设计指南与典型设计示例等进行研究。

通过研究，将拓展千米级斜拉桥研究手段和方法，探索千米级斜拉桥结构特性，解决千米级斜拉桥技术标准、结构体系和关键构件设计方法等问题。

；第二个是长索制作、架设及减振技术研究与示范：主要对高强镀锌钢丝材料、耐久性拉索体系、高强耐久性超长斜拉索制作工艺和控制技术、长索安装成套工艺及专用设备、长索减振技术研究及阻尼器等进行研究。

通过研究，将开发具有自主知识产权高强耐久斜拉索，解决长索制作、架设与减振关键技术难题。

；第三个是大跨钢箱梁制作、架设与施工控制技术研究与示范：主要对复杂建设条件下大节段宽幅钢箱梁组拼及吊装工艺、复杂梁段匹配施工工艺、桥面吊机系统及设备、塔梁临时固结体系、施工控制体系及方法等进行研究。

通过研究，将研发大节段钢箱梁制作、架设成套技术，攻克大节段、长悬臂宽幅钢箱梁架设与施工控制技术难题；第四个是300米索塔监测与控制技术研究：主要对索塔形态测控技术、索塔变形自动监测技术、复杂环境对索塔施工影响、索塔线形控制方法与分析手段等进行研究。

通过研究，将攻克大风、多雾、温变等复杂条件下钢混桥塔施工与控制技术难题，形成高塔监测与施工控制成套技术；第五个是深水群桩基础施工与冲刷防护成套集成技术研究：主要对潮汐河段深水大流速条件下钻孔平台搭设技术、超长大直径钻孔灌注桩施工工艺、超长大直径钻孔灌注桩压浆施工技术、超大型钢吊箱整体同步沉放技术及施工工艺、复杂流场下特大型群桩基础冲刷机理和永久防护技术、信息化施工技术等进行研究。

通过研究，将解决深水潮汐河段超大群桩基础平台搭设、超长大直径钻孔灌注桩质量控制、超大钢吊箱整体沉放和永久冲刷防护技术难题，形成成套技术；第六个是针对大型复杂的交通工程如何进行建设管理和安全减灾的研究：主要开展大型复杂交通工程建设系统分析与综合研究、大型复杂交通工程建设系统决策方法研究、大型复杂交通工程建设合作—冲突分析研究、大型复杂交通工程建设知识创新与管理体系研究、大型复杂交通工程文化建设研究、大型复杂工程建设信息管理系统研究、施工期桥位气象环境监测及预警系统研究、施
工期水情预报系统研究、复杂通航水域施工安全应急系统研究等。

通过研究，将建立高效的大型复杂工程建设管理体系和项目管理信息平台；开发施工气象、水情监测及预警系统和施工与通航安全应急系统，合理规避工程风险。

苏通大桥在设计过程中面临了很多关键技术问题，第一个关键难题是千米级大跨径的结构体系问题。

众所周知，不同的结构物体系它的受力性能是不一样的，通过结构体系的优化，来解决整个桥梁的抗风、抗震、温度等各种荷载的作用。

苏通大桥的索塔和主梁之间安装了一个大型阻尼器，一方面是解决抗风抗震的问题，另一方面是静力限位的作用，相当于在梁上设了一个挡块，在一定的条件下限制梁的纵向位移，这个设备也是在世界上首次采用。

第二个关键难题就是针对刚度比较小又长、又柔、又大这样的一个构件它的抗风问题是我们设计能否成功的一个关键。

第三个关键难题就是长索的减震和设计问题，因为苏通大桥的拉索长度达到了580m，这么长的拉索它的震动如何控制目前仍是世界上普遍存在的难题。

第四个关键难题就是抗震设计，因为苏通大桥的基础是建立在一个深厚的软土层上面，从河床底面到岩石大概有300～400m的距离，所以地震力的作用经过深厚的土层放射以后反映到地震的加速度上很大，是抗震设计需要解决的问题。

第五个关键难题是钢箱梁的构造、设计与优化问题，还有超长群桩基础的设计和施工问题。

苏通大桥每个索塔的基础有131根桩，每根桩长121m，桩的直径是从2.5m到2.8m，在这个特殊的地层条件下基础的安全非常重要。

昂船洲大桥是跨径1018m的一个斜拉桥，采用独特的造型，索塔是一个独柱型的，它的静力和动力的稳定性是一个需要解决的问题。

索塔的上半部是一个外包钢板的砼结构，是一个组合结构，而斜拉索锚固是钢锚箱结构，是一个混合结构，它的设计和施工也是这座大桥的一个亮点。

此外昂船洲大桥的设计周期是120年，如何实现120年的使用寿命，这从耐久性和管理维护方面也需要重点的研究。

另外，为了适合这个索塔的造型，钢箱梁采用的是两个分离箱。

在建的鄂东长江大桥跨径是926m，它解决的技术难题主要是：第一、大直径长嵌岩桩的施工技术。

第二、它是一个混合梁的斜拉桥，边跨采用的是砼结构，
所以存在一个钢、混两种不同刚度的桥梁的连接，它的施工控制的问题也是需要解决的。

第三、主桥的边跨砼箱梁防裂和耐久性以及施工技术。

第四、钢梁和砼混合梁怎么连接，保证它安全可靠。

法国的米洛桥采用的是七塔八跨的全漂浮连续斜拉桥，跨径342m，总长2460m，这个桥是建在高山峡谷的典型桥梁，和当地的风景结合非常优美，采用现代化的顶推施工，技术含量非常高。

它的方案是索塔上半截采用钢塔，钢塔和钢箱梁是固结的，墩和梁之间设支座，采用滑动支座来解决温度力和位移的问题。

另外，因为特殊的地形，是在高山峡谷里面，经常有风的作用，所以梁上设置了防风罩来解决行车的舒适和抗风问题。

目前斜拉桥的跨径已经突破了1000m，专家学者都在研究斜拉桥的极限跨径到底有多少，跨径的极限是和我们的材料、技术水平紧密相关的。

在悬索桥的跨径记录里，前六名中我国占3座，其中西侯门大桥排在第二位，是1650m。

我国在上世纪90年代开始大跨径悬索桥的研究，都采用钢箱梁悬索桥，钢箱梁悬索桥里面跨径最大的就是舟山的西侯门大桥，钢桁梁里面是日本的明石海峡大桥。

舟山西侯门大桥的关键技术研究也得到了国家科技支撑项目的支持，它重点解决了三个关键技术方面的难题：第一、它采用一个两跨连续的钢箱梁悬索桥，因为目前我们见到的要么是一跨要么是简支状态，再不然就是三跨连续的悬索桥，舟山桥为了适应地形条件，边跨和中跨采用的都是有吊索的，而到了另一岸，上岸后呈简支状态，没有采用连续结构。

第二、舟山地区每年都要遭受台风的侵袭，所以抗风的要求非常高。

舟山桥由于交通量不大，只有四车道，很窄的桥抗风能力比较弱，为解决这个难题，采用了分离钢箱这种结构。

泰州长江大桥，采用的是三塔悬索桥，跨径1080m，它的技术挑战就是三塔体系，跨径得到了明显的提升。

以往三塔的悬索桥也就是在400～500m，在建的泰州大桥提高到1080m这样一个跨径。

另外三塔悬索桥的结构体系和双塔还是不一样，尤其是中塔的受力比较复杂，所以需要对这部分受力特性进行研究。

第三，中塔的基础采用沉井基础，水中施工，沉井的设计都是面临的关键难题。

第二部分：中小跨径桥梁的设计施工现状
中小跨径桥梁的设计主要体现在二个方面：集成设计和多元需求。

集成设计，就是充分考虑桥位处建设条件的要求，把设计和施工紧密结合起来，转变我们的设计理念。

目前对于规模比较大的中小跨径的桥梁，都是采用了构件在工厂加工制作，现场大型机械施工，在施工过程或者建成以后通过自动化技术进行检测，从而形成一个运营过程中一种系统化的管养技术。

如杭州湾大桥，全长36km，水文气象条件非常复杂，有的地方是滩涂，施工非常困难。

其50m 跨径的连续梁采用整孔预制、整孔吊装，运输是在已经建成的桥梁上通过设备滑移到现场安装位置。

70m跨径的连续箱梁采用整孔的预制吊装，而且是运架一体化的工艺，体现了现代桥梁发展的一种机械大型化的发展趋势。

正在建设的京沪高速铁路，全长1318km，80%都是预制梁段进行安装，这样能够保证质量，快速安装，体现了大跨径桥梁规模化制作、施工的发展方向。

我们现在正在进行的城市化的进程非常快，很多环线、高架桥包括轻型轨道都要建设，如果采用常规的支架现浇工艺的话，就很难解决城市桥梁建设需要面对的比如一要快速运转二要不中断交通三要减少城市占地四要环境保护五要消除噪声六要保证运营安全。

传统的一些施工工艺或者我们的设计理念可能跟不上现在的社会发展进程。

多元需求即设计时充分考虑技术因素，在确保安全的基础上融入文化理念。

在多元需求里面，可能以后会用到的比较多的结构就是钢结构和组合结构，而钢结构和组合结构可以说在我国尤其是在公路行业起步是比较晚的，比如说我们的设计规范是比较滞后的。

意大利佛罗伦萨某一个桥，其实这个桥是一个异型的斜拉桥结构，它的设计过程中就考虑了四个方面的因素：一是当地的文化、二是保护环境、三是斜拉桥受力的原理、四是斜拉桥的结构在发展过程中的演变，可以说是融合了技术、文化、理念，是一个精品的创作。

另外一个突破点是异型结构，因为现在大家都在追求桥梁的造型，造型的要求多了，相应的很多非常规的结构、形状就出来了，这样的话就对设计人员在设计和计算方面提出了很高的要求，另外在施工图的加工方面、设计方面也提出了很高的要求。

目前在国内外都采用了
一个集成出图的方式，就是把做好的设计方案施工图通过一个计算软件或绘图软件转变成计算模型，然后通过空间切割的方式形成工厂的钢结构的加工图，我国09年奥运会鸟巢已经采用了这种技术。

第三部分：新技术材料的介绍与应用
新技术材料主要包括：
1、桥梁设计分析技术：常用设计软件包括Midas Civil（迈达斯）、桥梁博士、桥梁大师、SAP2000、 ANSYSPKPM。

MIDAS/Civil（迈达斯）是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。

特别是针对桥梁结构，MIDAS/Civil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利的功能，目前已为各大公路、铁路部门的设计院所采用。

桥梁博士系统是一个集可视化数据处理、数据库管理、结构分析、打印与帮助为一体的综合性桥梁结构设计与施工计算系统。

系统的编制完全按照桥梁设计与施工过程进行，密切结合桥梁设计规范，充分利用现代计算机技术，完全符合设计人员的习惯。

对结构的计算是宁繁勿简，充分考虑了各种结构的复杂组成与施工情况，使用更方便，计算更精确；同时在数据输入的容错性方面作了大量的工作，使用户不会因一时的失误而造成不必要的工作损失。

桥梁大师系统从技术上来讲，它最大的特色是采用了面向对象的特征设计技术，从工程意义上来讲，它真正实现了面向桥梁、面向整个工程的设计，从信息化角度来看，以往的桥梁CAD软件只是为用户提供了出图工具，解决了图纸的电子化问题，而桥梁大师2006版为用户提供的是设计工具，所有图纸具备了完整的数字信息，实现了真正的数字化设计。

截至2008-7最高版本为"桥梁大师2008"。

桥梁设计者可以用SAP2000的桥梁模板建立桥梁模型，自动进行桥梁活荷载的分析和设计，进行桥梁基础隔震和桥梁施工顺序分析，进行大变形悬索桥分析和Pushover推倒分析。

采用可持续桥梁工程及概率极限状态设计方法。

2、桥梁加固改造技术：主要包括复合材料加固技术（FRP）：复合材料FRP （fiber reinforced polymer ）由纤维及网型树脂两部分构成。

目前常用的复
合材料有玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）、芳伦纤（AFRP）三种，其中又以碳纤维材料应用的最为广泛。

利用碳纤维的高强度高弹性模量来达到对混凝土结构物进行补强和加固，并改善结构受力状况的目的。

SRAP 加固方法：SRAP 加固方法是一种新的导入预应力概念的桥梁加固方法。

利用SR 增强材料的高强特性和AP 树脂砂浆防腐防水，粘合力强的特点，通过特殊的方法施加对SR 高强材料施加预应力，从而达到对桥梁的加固。

填芯法加固双曲拱桥：在双曲拱桥拱波内腔填筑混凝土拱波、拱板、拱肋和新的钢筋混凝土形成整体，通过增加拱圈的断面面积来提高拱桥的承载能力，同时又增加了原双曲拱桥的整体性，且修补了原拱波中的裂缝。

此外还有值筋加固桥面技术、直接喷涂法等。

3、桥梁材料、结构优化技术：FRP 材料组合结构桥梁的新技术：（1）FRP 管材与填充混凝土组合（2） FRP 管材与混凝土顶底板组合箱梁（3）FRP 板材与混凝土顶底板组合箱梁（4）FRP 材料与钢材组合结构（5）FRP 材料与钢材以及混凝土组合结构。

FRP 材料组合桥面板的优点：①FRP 材料与混凝土组合，裂缝容易控制，耐久性提高; ②无需大型起重设备，容易工地施工; ③耐水耐腐蚀，容易维护管理; ④FRP 模板可在工厂制作，缩短在工地的施工工期; ⑤无需木制模板及专业模板工; ⑥容易取得与周边环境的协调。

此外还有局部添加纤维、F RP筋取代部分钢筋、截面优化、材料组合及高性能化（钢筋——FRP筋等）。

4、桥梁施工工艺及技术：简支梁桥：是梁式桥中应用最早，使用最广泛的一种桥型。

它受力简单，梁中只有正弯矩，适用T型截面梁这种构造简单的截面形式；体系温变，混凝土收缩徐变，张拉预应力等均不会在梁中产生附加内力，设计计算方便，最易设计成各种标准跨径的装配式结构。

由于简支梁是静定结构，结构内力不受地基变形的影响，对基础要求较低，能适用于地基较差的桥址上建桥。

在多孔简支梁桥中，相邻桥孔各自单独受力，便于予制、架设，简化施工管理，施工费用低，因此在城市高架、跨河大桥的引桥上被广泛采用。

为减少伸缩缝装置，改善行车平整舒适，国内目前常采用桥面连续的预应力混凝土简支梁桥。

拱桥施工技术及工艺：（1）、施工主桥墩钻孔灌注桩、承台和桥台钻孔灌注桩、台身、台帽等；同时在岸边预制各段拱肋及纵梁；（2）、搭设中孔和边孔支架（中
孔跨中预留20m通航孔，用贝雷梁支架，其余各段可用贝雷梁也可用满趟支架），支架的基础可采用打入圆木桩或少筋钻孔灌注桩，支架应进行超载预压，预压系数1.2；（3）、现浇拱梁联结段，浇筑剪刀撑与相应的加强横梁，使之形成框架，张拉部分预应力筋。

5、桥梁检测技术：包括钻芯检测法：钻芯检测法属于局部破损检测法，它是按规定的抽检比例进行检测，或对桩质量有疑问时采用，通过检测可判断桩身的完整性、混凝土强度、桩长、桩底沉渣厚度及持力层性状能否满足设计及规范要求。

超声波检测法：通过测定超声波在混凝土中传播过程中的声度、波幅、频率、声时等声学参数，而反映混凝土的质量。

高应变动力检测法：它是通过在桩顶量测被激发的阻力产生的应力波和速度波来确定承载力的。

目前工程界应用最广泛的高应变动力试桩法是阻尼系数法(CASE 法) 和曲线拟合法(CAPWAP 法) 。

低应变发射波检测法：我国应用应力波反射法,主要用来检查桩身完整性,检查缩径、扩径、夹泥、断桩、空洞、离析、沉渣,并核对桩长、推算混凝土强度。

还有光纤传感技术（布拉格光栅）以及袋装混凝土用于桥梁深水基础围堰新技术、防止桥梁受盐侵蚀新技术、概念设计技术、养护管理技术等新技术材料。

第四部分：国内桥梁设计存在的问题
现在，国内的结构设计过程中，有这样的倾向：设计中考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现；重视结构的建造而不重视结构的维护。

实际上，目前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注，既没有明确提出使用年限的要求，也没有进行专门的耐久性设计（从材料、结构措施及设计程序上上保证耐久性，并明确声明在何种维护和使用条件下，桥梁具有哪种程度的耐久性）。

这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果；也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背；也不符合结构动态和综合经济性（考虑结构建设、使用、维护等整个周期的费用）的要求。

桥梁安全性、耐久性差的主要原因在于：1、施工和管理水平低：国内外多座桥梁的突然破坏与倒塌，一般的看法认为当前的工程事故主要是野蛮施工和管理腐败所导致。

对于短期内发生的诸如突然破坏与倒塌，多是由于施工质量没有达到规范和设计要求，典型的问题包括材料强度不足和施工工艺不合格等；也有个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理问题，更是对桥梁安全造成致命的损害。

2、设计理论和结构构造体系不够完善：许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。

有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄，这些都削弱了结构耐久性，会严重影响结构的安全性。

面对国内外桥梁建设的发展方向我们应明确改进和努力的方向：1、应该更加重视结构的耐久性问题。

需要指出的是，很多这类问题与没有进行合理的耐久性设计有关，这也促使人们重新认识桥梁的耐久性问题。

大量的病害实例也证明，除了施工和材料方面的原因，影响结构耐久性的决定性因素是来自构造上（也即设计上）的缺陷。

2、重视对疲劳损伤的研究。

桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤，疲劳损伤过去一直被认为是钢桥设计中的核心问题。

3、充分重视桥梁的超载问题。

桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。

4、积极借鉴国外的经验和成果。

第五部分：我国所面临的机遇与挑战
随着我们国家经济实力的提高，交通事业得到了快速的发展，很多的高速公路、很多的大型桥梁在建或者规划建设，这对我们来说是一个发展的机遇，给了。