世界桥梁发展中的主要技术创新

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世界桥梁发展中的主要技术创新 同济大学 项海帆

引 言
18世纪前,桥梁大都是由天然材料,如木,石砖所建造
石拱桥跨度小于30米,主跨37米的中国赵州桥
是佼佼者
木桥跨度更小,且防火、耐久性差,难以保存
北宋清明上河图中的大木桥是杰作 中国6世纪已有铁链索人行桥,18世纪传入欧洲 1779年,英国第一座铸铁拱桥, 跨度30.65米的Coalbrookdale桥问世 1801年英国伦敦泰晤士河桥 (L=183米,600呎)
— 扁平箱梁代替钢桁架主梁
— 混凝土桥塔代替钢塔(箱形或桁架式) — 主跨988米的英国塞文桥(1966)
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20世纪70年代的技术创新
70年代是预应力技术的成熟期 斜拉桥从德国向欧、美、日推广 在法国,斜拉桥和预应力结合出现了PC斜拉桥 1974年Müller设计建成了主跨320米跨越塞纳河的 Brottone桥,预应力箱梁和单索面独柱桥塔形成另一种 风格的斜拉桥,并首创千吨级拉索和万吨级盆式支座
德国首创结合梁桥面保留钢筋混凝土桥面板, 但与钢主梁
共同工作 各种计算理论(预应力混凝土,各向异性桥面,结合梁) 逐步建立并完善,为 60 年代战后第一次建设高潮准备 了理论基础
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20世纪60年代的技术创新
在欧美各国大兴土木的高潮中,创造了许多工艺
斜拉桥从稀索发展到密索,从钢桥面发展到预应力混凝土桥 面和各种结合形式,提高了斜拉桥的竞争力和适用范围
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20世纪60年代的技术创新(续)
采用先进施工技术建造的大跨度桥梁有:
德国Bendorf桥,挂篮现浇工法 法国Oleron桥,架桥机悬拼工法 德国,移动托架拼装工法 另一重大创新是英国式悬索桥诞生
日本明石海峡大桥 L=1991m 悬索桥 1998 180MP高强度钢丝 塔墩深水基础技术 桥塔抗震设计和减振技术 挪威Stolmasundet桥 L=301m P.C.连续刚架桥 预应力悬臂施工技术 1998
瑞典厄勒松海峡大桥 L=490m 公铁两用斜拉桥 1998 9000t 巨型浮吊整孔架设技术
日本多多罗大桥
L=890m 斜拉桥 长拉索防雨振措施
1999
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20世纪90年代的技术创新(续)
在日本、丹麦完成跨海工程的带动下,世界进入跨海工程前期工作热 潮 意大利墨西拿海峡桥工程 分体桥面的抗风技术 欧非直布罗陀海峡工程 英伦三岛之间的跨海工程 欧亚白令海峡工程 日本第二国土轴工程(太平洋沿岸高速公路) 包括六个跨海工程(跨越纪淡海峡、丰予海峡、长岛海峡、

20世纪50年代的技术创新(战后)
法国Freyssinet于1928年已创立预应力混凝土,但因 二次大战而未能实用 德国Dishinger于1938年提出现代斜拉桥的构思,也未
能实现
50年代在修复和重建被破坏的欧洲桥梁中开始崭露头角 预应力技术和斜拉桥复兴是战后桥梁发展中的两项最伟
大的成就
法国Freyssinet公司开发了一整套预应力材料、锚固、 防腐、施工张拉设备
预应力夹片锚和抗疲劳的拉索镦头锚问世
预应力混凝土预制节段的悬拼工法
在移动托架上的拼装工法 在移动架桥机下的悬挂拼装工法
高强度螺栓摩擦式连接代替铆钉连接
德国Leonhardt首创的斜拉桥施工控制的倒退分析法
(Back Analysis)得到推广,促进了斜拉桥向大跨度 发展
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现代斜拉桥, 主跨182.6米的Strömsund桥
斜拉桥迅速在德国推广,建成了 杜塞尔多夫北桥
(L=260m, 1958)
和科隆Severin桥(L=301m, 1960)
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20世纪50年代的技术创新(战后)(续)
斜拉桥以其便于悬臂拼装、经济及多姿多态, 在桥梁设计 竞赛中战胜传统桥型,成为大跨度桥梁主流 德国Leonhardt首创各向异性钢桥面, 代替笨重的钢筋混 凝土桥面板
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20世纪90年代的技术创新(续)
IT技术在规划、设计、结构分析、施工管理以及 健康监测和养护管理等方面的应用 跟踪变形状态的非线性分析 考虑极限状态的全过程弹塑性稳定分析 全断面和复杂部位的三维空间分析
桥梁结构分析向数值化、精细化方向发展
强震作用下的坍塌过程分析

20世纪80年代的技术创新(续)
日本首创平行钢丝索股的悬索桥主缆施工法,代替传统 的美国“空中纺缆法” 高性能混凝土的发展
— 从50年代C20,25通过磨细水泥和掺加硅粉技术, 提高到C60,80的商品化混凝土 — 减轻自重,增加跨越能力 — 提高防腐和耐久性指标 — 出现C100,130的试验桥
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20世纪上半叶的技术创新(二次大战前)(续)
1940年, 美国华盛顿州塔科马桥风毁 开始了桥梁抗风研究的新纪元 1932年,主跨503米的 澳大利亚悉尼拱桥建成 1943年,瑞典Sandö 桥, 主跨260米的钢筋混凝土拱桥
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20世纪上半叶的技术创新(二次大战前)(续)
大跨度悬索桥和拱桥的发展
1931年纽约华盛顿桥, 主跨突破千米, 达到1067米
1937年旧金山金门大桥, 主跨1280米
1931年主跨503.6米的Bayonne桥
三位美国悬索桥的设计大师
Roebling Ammann Steinmann 布鲁克林桥(19世纪) 金门大桥和Bayonne桥 桁架式华丽桥塔
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20世纪上半叶的技术创新(二次大战前)
进入20世纪后,电气、汽车和飞机相继发明, 人类生活发生巨变
1867年法国人发明了钢筋混凝土,从房屋进入桥梁
1905年第一座钢筋混凝土桥问世,替代钢桥成为 中小跨度桥梁的主流 20年代,美国大萧条时期率先修筑高速公路 30年代,德国纳粹上台,为战争需要,修筑高速公路 欧洲首创“米兰法”劲性骨架拱桥施工法,改变了过去 满堂支架的落后和不安全工法
— 跨越深谷的长桥、曲线桥的经济施工
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20世纪70年代的技术创新(续)
瑞士著名教授,设计大师Christian Menn的创作
Salginatobel镰刀形拱桥,20世纪最美桥梁第一名
板拉桥,采用预应力体外索,是介于连续梁和斜拉桥
之间的新桥型 矮塔斜拉桥,Sunniberg 桥
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20世纪50年代的技术创新(战后)(续)
1953年, 德国Finsterwald在建造Worms莱茵河桥, 首创挂篮悬浇的预应力施工工艺, 开发了德国 Dywiday预应力系统,以后成为著名的DSI公司 1956年, 德国Dishinger在瑞典成功地建造了第一座
— 造型美观,适用曲线段的城市高架
纤维增强塑料(FRP)加固技术 混合结构新发展(Mixed Structure) 从传统的上下层结合,发展到横向结合和纵向结合以及 替代腹板,充分发挥钢和混凝土两种材料的优点
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20世纪90年代的技术创新
90年代是20世纪桥梁的冲刷阶段,纪录跨度桥梁相继建成
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20世纪上半叶的技术创新(二次大战前)(续)
30 年代,各种桥梁结构分析和设计理论相继建立,著名的有:
法 德 俄 美 国 Guyon, Freyssinet 钢筋混凝土设计理论 国 Melan, Bleich, Stüssi, Homberg, Leonhardt
连续刚架桥 Fegire桥,用双薄壁柔性克服温度效应,
削减负弯矩,使跨度突破200米 1983年 澳大利亚门道桥,主跨260米
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20世纪80年代的技术创新
60年代末,日本和丹麦二个岛国开始实施跨海工程计划
1973年,日本建成关门桥,主跨712米的美国式悬索桥 1970 年,丹麦建成主跨600米的小海带桥
非线性耦合风振分析
为大跨度柔性跨海大桥工程作好技术准备
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21世纪桥梁展望
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引 言(续)
1850年英国第一座铁路钢箱梁桥Britinnia桥 (L=141米)问世 1883年美国纽约Brooklyn桥, 主跨486米的城市悬索桥
1890年苏格兰福思桥,
主跨520米的铁路悬臂桁架桥
1875年俄罗斯敞开式桥上弦失稳和
1907年加拿大魁北克桥下弦失稳 推动了稳定理论的发展
中国进入改革开放新时期,广东率先起步,引入 60年代 新材料、新技术和新工艺,进行学习和跟踪
预应力索在水泥灌浆防腐的管道内发生锈蚀,防腐失效,
引起国际桥梁界关注,原用于加固桥梁的体外索具有可 检查、可更换,不预留管道,减薄壁厚,减轻自重等优 点得到了发展
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德国于1979年建成杜塞尔多夫Flehe桥,混合桥面、独
塔不对称,主跨368米,相当于双塔斜拉桥已突破700米
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20世纪70年代的技术创新(续)
预应力连续梁桥的顶推施工技术问世
— 桥头预制,完成工厂化施工,每周一个节段 — 在鼻梁帮助下,逐段向前顶托 — 聚四氟支座减少摩擦力
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20世纪80年代的技术创新(续)
脊骨梁大挑臂城市高架桥
— 小型预制中间脊梁和独柱墩用纵向预应力形成骨架 — 安装两侧预制大悬臂板,用横向预应力成型 — 第一代单车道匝道桥到第二代双车道(宽8-10m) 最后达到四车道(宽18-20m)
— 不影响地面交通条件下施工,占地小
津轻海峡、东京湾和伊势湾)
日韩朝鲜海峡工程
日俄拉彼鲁兹海峡工程和鞑靼海峡工程
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20世纪90年代的技术创新(续)
中国也同步开展了跨海工程的规划工作
中国沿太平洋高速公路包括五个工程
(跨越渤海海峡、长江口、杭州湾、珠江口和琼州 海峡)
中国舟山连岛工程 中国台湾海峡工程 马来西亚—印尼马六甲海峡工程 印尼连岛工程(如爪洼和巴厘之间) 菲律宾连岛工程
法国诺曼第大桥 丹麦大海带桥 中国万县长江大桥 L=856m 斜拉桥 悬索桥 1995
平行钢绞线拉索和施工控制技术 L=1624m 塔墩防撞技术 L=420m 钢筋混凝土拱桥 1997 钢管混凝土劲性拱架及其悬拼悬浇控制技术 1997
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20世纪90年代的技术创新
世界桥梁发展中的主要技术创新 同济大学 项海帆
同济大学 项海帆
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世界桥梁发展中的 内容简介
一. 二. 三. 四. 五. 六. 七. 八. 九.
主要技术创新
引 言 (历史的回顾) 20 世纪上半叶的技术创新 20 世纪 50 年代的技术创新 20 世纪 60 年代的技术创新 20 世纪 70 年代的技术创新 20 世纪 80 年代的技术创新 20 世纪 90 年代的技术创新 21 世纪桥梁展望 结 束 语
悬索桥挠度理论,钢梁排空间分析理论
国 Timoshenko, Dinnik, Vlasoff
稳定和振动理论,薄壁杆件理论
国 Von Karman, Newmark 空间和非线性分析理论
比利时 Massonett, R.C.梁排分析理论,箱梁分析理论 中 国 李国豪(K.H. Lie) 悬索桥实用挠度理论

20世纪60年代的技术创新(续)
60 年代建造的斜拉桥,著名的有:
委内瑞拉 Maracaibo桥,
意大利Morandi设计
L=235m, 1962

德 德
国 汉 堡 Köhlbrand桥, L=367m, 1970
国 波 恩 Ebert桥, L=280m, 1967
国 杜塞尔多夫Knie桥, L=320m, 1969
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