桥梁工程的最新进展及技术创新.pdf

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1、桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 1桥梁工程的最新进展及技术创新桥梁工程的最新进展及技术创新 主讲人：主讲人：浙江大学浙江大学 项贻强 教授 博士生导师项贻强 教授 博士生导师 第第 1 部分部分 国内外大跨桥梁现状及发展趋势国内外大跨桥梁现状及发展趋势 1.1 国内外大跨桥梁现状及发展趋势国内外大跨桥梁现状及发展趋势 1.1.1 我国公路桥梁建设水平我国公路桥梁建设水平 改革开放以来，我国公路建设事业迅猛发展，作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也得到了相应发展，特别是近十年来，我国大跨径桥梁的建设进入了一个最辉煌的时期，一大批结构新颖、技术复杂、设计和施工难度

2、大和科技含量高的大跨径桥梁相继建成，标志着我国的公路桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。近几年建成的特大桥梁，不少在世界桥梁科技进步中具有显著地位。诸如正在建设的重庆朝天门大桥是世界最大跨度钢拱桥，并创造了该类型桥梁十余项世界第一；苏通大桥以主跨 1088m 为世界第一跨度斜拉桥，同时成为世界上连续长度最大的双塔斜拉桥；润扬长江公路大桥南汊悬索桥，以 1490m 跨度为世界第三大悬索桥；刚通车的杭州湾跨海大桥为世界第一长跨海大桥；万县长江大桥为目前世界上跨度最大的混凝土拱桥；此外江阴长江公路大桥、香港青马大桥，其跨度分别在悬索桥中居世界第四位和第五位；南京长江二桥、白沙洲长江大桥、荆沙长江大桥、

3、鄂黄长江大桥、大佛寺长江大桥、李家沱长江大桥等特大桥的跨度名列预应力混凝土斜拉桥世界前十位。一座座桥，实现了天堑的跨越，缩短了时间与空间的距离，美化了秀美山川，为我国疆域的沟通和经济的腾飞起着了重要的作用。1.1.2 我国公路桥梁发展趋势我国公路桥梁发展趋势 随着科技的发展，新材料的开发和应用，在桥梁设计阶段采用高度发展的计算机辅助手段，进行有效的快速优化和仿真分析，运用智能化制造系统在工厂生产部件，利用 GPS 和遥控技术控制桥梁施工。目前，我国桥梁建设正在与国际接轨，开始向大跨、新型、轻质和美观方向发展。桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 2（1）（1）跨径不

4、断增大 目前，世界上钢梁、钢拱的最大跨径已超过 500m，钢斜拉桥为 890m，而钢悬索桥达 1990m。随着跨江跨海的需要，钢斜拉桥的跨径已经突破 1000m，钢悬索桥将超过 3000m。至于混凝土桥，梁桥的最大跨径为 300m，拱桥已达 420m，斜拉桥为 530m（2）（2）桥型不断丰富 本世纪 5060 年代，桥梁技术经历了一次飞跃：混凝土梁桥悬臂平衡施工法、顶推法和拱桥无支架方法的出现，极大地提高了混凝土桥梁的竞争能力；斜拉桥的涌现和崛起，展示了丰富多彩的内容和极大的生命力；悬索桥采用钢箱加劲梁，技术上出现新的突破。（3）（3）结构不断轻型化 悬索桥采用钢箱加劲梁，斜拉桥在密索体系的

5、基础上采用开口截面甚至是板，使梁的高跨比大大减少，非常轻盈；拱桥采用少箱甚至拱肋或桁架体系；梁桥采用长悬臂、薄板件等，这些都使桥梁上部结构越来越轻型化。（4）（4）重视美学及环境保护 桥梁是人类最杰出的建筑之一，闻名遐尔的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、中国上海杨浦大桥、南京长江二桥、香港青马大桥，这些著名大桥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。因此，21 世纪的桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，重视环境保护，达到人文景观同环境景观的完美结合。1.2 大跨径桥梁的分类与特点大跨径桥梁的分类

6、与特点 对桥梁按结构体系分类是以力学特征为基本着眼点，以主要的受力构件为基本依据，可分为梁式桥、拱式桥、斜拉桥、悬索桥、刚架桥五大类。1.2.1 梁式桥梁式桥 梁式桥种类很多，也是公路桥梁中最常用的桥型，其跨越能力可从 20m 直到300m之间。公路桥梁最常用的大跨径梁式桥主要为预应力混凝土连续箱形梁桥（图桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 31-1），70 年代我国公路上开始修建连续箱梁桥，到目前为止我国已建成了多座连续箱梁桥，如一联长度 1340m 的钱塘江第二大桥和跨越高集海峡全长 2070m 的厦门大桥等，目前，我国预应力混凝土连续梁最大跨径为 165m（

7、南京二桥北汊主桥）。由于预应力混凝土连续箱梁它具有桥面接缝少、梁高小、刚度大、整体性强，外形美观，便于养护等在构造、施工和使用上的优点，近年来已成为建成较多的桥梁。其发展趋势为：减轻结构自重，采用高标号混凝土。随着建筑材料和预应力技术发展，其跨径增大，葡萄牙已建成 250m 的连续箱梁桥，超过这一跨径，也不是太经济的。大跨径梁桥的上部结构大多采用箱形截面，是因为箱形截面有较大的抗扭刚度，箱梁允许有最大细长度，同 T 形梁相比徐变变形较小。由于嵌固在箱梁上的悬臂板，其长度可以较大幅度变化，并且腹板间距也能放大，能适应各种使用条件，特别适合于预应力混凝土连续梁桥、变宽度桥，因此，箱梁能在独柱支墩上

8、建成弯斜桥。图 1-1 连续梁桥 图 1-1 连续梁桥 连续箱梁桥的施工方法多种多样，只能因时因地，根据安全经济、保证质量、降低造价、缩短工期等方面因素综合考虑选择。一般常用的方法有：立支架就地现浇、预制拼装（可以整孔、分段串联）、悬臂浇筑、顶推、用滑模逐跨现浇施工等。预应力钢束采用钢绞线，可以分段或连续配束，一般采用大吨位群锚。为了减轻箱梁自重，可以采用体外预应力钢束。虽然连续箱梁桥采用预应力混凝土建造，能就地取材、工业化施工、耐久性好、适应性强、整体性好且美观；这种桥型在设计理论及施工技术上都发展得比较成熟。但由于结构本身的自重大（约占全部设计荷载的 30%至 60%），且跨度越桥梁工程的

9、最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 4大其自重所占的比值更显著增大，大大限制了其跨越能力。还有大跨径连续箱梁要采用大吨位支座，如南京二桥北汊桥 165m 变截面连续箱梁，盆式橡胶支座吨位达 65O0kN。这种样大吨位支座性能如何、将来如何更换等一系列问题有待研究。1.2.2 拱式桥拱式桥 拱桥，在桥梁的发展史上曾经占有重要地位，迄今为止，已有三千多年的历史，当今亦因其形态美、造价低、承载潜力大而得到广泛的应用，也是大跨径桥梁形式之一，跨径从几十米到四百多米。我国大跨度混凝土拱桥的建设技术，居国际领先水平。拱桥的受力特点为拱肋承压、支承处一般有水平推力，按其建造材料来分，可分

10、为圬工拱桥、钢筋（骨）混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥、钢拱桥等。（1）（1）圬工拱桥最常见的为石拱桥，我国古代石拱桥建造就有很高的成就，如修建于公元 606 年的河北赵县安济桥，跨径 37.4m，矢高 7.23m，宽约 9m，在跨度方面曾保持记录达 1350 年之久，且至今保存完好。圬工拱桥不便于实现工厂化施工，施工周期较长，相应的费用较高。同时，圬工材料尽管适合承压，但其自重相对于许用应力而言较大，因而不适于用作大跨度桥梁。（2）（2）钢筋混凝土拱桥为拱桥的主要形式，它分箱形拱、肋拱、桁架拱。根据近年的实践，常用的拱桥施工方法有主支架现浇、预制梁段缆索吊装、预制块件悬臂安装、半拱转体法、刚性或半

11、刚性骨架法。我国钢筋混凝土拱桥的发展趋势为拱圈轻型化，长大化以及施工方法多样化。刚建成的万县长江大桥为劲性骨架箱拱，跨径 420m，居世界第一。（3）（3）在我国自 90 年代以来，钢管混凝土拱桥（图 1-2）迅速发展，现已建成跨径大于 200m 的十几座，最大跨径为 2005 年建成的重庆巫山长江大桥（主跨460m）中承式钢管混凝土双肋拱桥，为世界第一钢管混凝土拱桥。钢管混凝土钢管混凝土是在钢管内填充混凝土，使钢管和混凝土在受压方面实现优势互补：钢管借助于其内部的混凝土其抗压性能和稳定性得以增强；而内部的混凝土由于处于三向受压状态而使自身的强度得以提高。钢管混凝土更接近于一种新材料，具有强度

12、高、塑性好、耐高温、耐腐蚀、抗冲击性能好等优点。它不仅在力学方面性能优越，而且在施工方面也有许多优点。例如钢管本身可以兼作模板骨架，不用拆模、支模，混凝土可以泵灌；钢管本身可以兼作纵筋和箍桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 5筋，卷制钢管较制作、绑扎钢筋骨架容易。图 1-2 钢管混凝土拱桥 图 1-2 钢管混凝土拱桥 由于钢管混凝土本身的优点决定了它的经济指标：在自重和承载能力相近的情况下，同钢结构相比，可以节约钢材 50%左右。在用钢量相近、承载能力相同的情况下，构件的横截面积可以减小一半，自重减少近 50%。钢管混凝土在桥梁工程中的应用钢管混凝土的上述优点，一

13、直受到桥梁工程专家的重视，并不遗余力地在工程实践中加以推广和应用。（4）（4）我国大跨径钢拱桥起步较晚，但发展迅速。己建成的上海芦浦大桥（主跨 550m）为中承式钢箱拱桥，比原世界第一的美国新河桥还长 31.8m，而在建的重庆朝天门长江大桥（钢桁架拱桥）将以主跨 552m 创世界第一。拱桥相对于梁桥而言，跨越能力大，结构自重小，外型美观，有利于广泛采用，但由于它是一种推力结构，对地基要求较高。在大跨度桥梁造型，拱桥的竞争性明显弱于斜拉桥和悬索桥。1.2.3 斜拉桥斜拉桥 斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一，目前为止建成或正在施工的斜拉桥共有 4O 余座（图 1-3）。大跨径混凝土斜拉桥的数

14、量已居世界第一。整体来说，我国斜拉桥设计施工水平已迈入国际先进行列，部分成果达到国际领先水平。目前，我国正建设的香港昂船洲大桥、建设将要通车的江苏苏通大桥，其主跨均达到 1000m 以上。我国至今已建成各种类型的斜拉桥 100 多座，其中有 52 座跨径大于 200m，数量占世界第一。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成主要承重构件，利用索塔上伸出的若干斜拉索在梁跨内增加了弹性支承，减小了梁内弯矩，受力特点为外荷载从梁传递到桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 6索，再到索塔。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、

15、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。斜拉桥的施工方法主要采用悬臂浇筑和预制拼装。图 1-3 斜拉桥 图 1-3 斜拉桥 斜拉桥优点：梁体尺寸较小，使桥梁的跨越能力增大；受桥下净空和桥面标高的限制小；抗风稳定性优于悬索桥，且不需要集中锚锭构造；便于无支架施工。斜拉桥缺点：由于是多次超静定结构，计算复杂；索与梁或塔的连接构造比较复杂；施工中高空作业较多，且技术要求严格。斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥有更大的跨越能力。由于拉索的自锚特性而不需要悬索桥那样巨大

16、锚碇，加之斜拉桥有良好的力学性能和经济指标，已成为大跨度桥梁最主要桥型，在跨径 200800m 的范围内占据着优势。1.2.4 悬索桥悬索桥 悬索桥是特大跨径桥梁的主要型式之一，其造型优美，规模宏伟，常被人们称为“桥梁皇后”。从 1883 年美国建成布鲁克林桥（主跨 486m）开始，至今已有 120 多年历史。20 世纪 80 年代末，世界上修建悬索桥到了鼎盛时期，建成跨径大于 1000m 的悬索桥 17 座。日本于 1998 年建成了世界最大跨度的明石海峡大桥（主跨 1991m），将悬索桥跨径从 20 世纪 30 年代的 1000m 提高到接近 2000m，是世界悬索桥建设史上的一座丰碑。我

17、国在悬索桥建设方面犹如异军突起，1995 年在国内率先建成了汕头海湾大桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 7桥（主跨 452m），在近五年内，相继建成西陵长江大桥（主跨 900m）、虎门大桥（主跨 888m）、宜昌长江大桥（主跨 960m）以及名列世界第四位的江阴长江大桥（主跨 1385m），名列世界第五位的（公铁两用桥名列第一位）香港青马大桥（主跨 1377m）等 11 座大跨度悬索桥。多年来，我们积累了丰富的悬索桥设计与施工经验，已建成的润扬长江大桥（主跨 1490m），标志着我国悬索桥设计和施工水平已迈入国际先进水平行列。悬索桥由索塔、锚碇、主缆、吊索（或吊

18、杆）和主梁（加劲梁）5 大部分组成（图 1-4）。主缆为主要承重构件，受力特点为外荷载从梁通过系杆传递到主缆，再到两端锚锭。主要材料为预应力钢索。图 1-4 悬索桥 图 1-4 悬索桥 悬索桥由于主缆采用高强钢材，受力均匀，因此具有很大的跨越能力，但亦具有整体刚度小、抗风稳定性不佳产，费用高、施工难度大等缺点。此种结构当跨径大于 800m 时，方具有很大的竞争力。1.2.5 刚构桥刚构桥 八十年代以后，特别是九十年代以来，随着高速公路交通事业的迅速发展，要求行车平顺舒服，连续梁桥得到了迅速的发展，但由于此桥型在施工过程中需要梁墩临时固结和进行体系转换，同时需设置大吨位的橡胶支座，增加了工程费用

19、及养护成本，于是预应力混凝土连续刚构桥应运而生，近年来得到较快的发展。刚架结构体系桥梁的上部结构梁（板）与下部结构墩柱（竖墙）整体结合在一起，梁与墩柱的结合处具有很大刚性。连续刚构在竖向荷载作用下，梁（多为箱型）主要受弯，而在柱脚处有水平反力，其受力状态介于梁桥与拱桥之间，梁因柱的桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 8抗弯刚度而得到卸载作用。（1）（1）刚构桥的分类 T 型刚构型刚构 早期刚构桥大多为 T 型刚构，它分为有跨中设挂梁（如福州乌龙江大桥，保持跨径纪录 10 年）和跨中带剪力铰（如福州洪塘大桥）两种基本形式（图 1-5）。前者属静定体系，各 T 构单元

20、单独作用而使受力和变形均较大，存在一定的结构缺陷；后者是一种超静定结构，该结构的特点是剪力铰起到传力（只传递竖向剪力而不传递纵向水平力和弯矩）和牵制悬臂端变形的作用。但存在跨中挠度较大、行车不顺，剪力铰不易制造安装、年久容易变形损坏等缺点，并且各种外因都能产生结构的附加应力。(a)带挂梁（半结构）(b)带剪力铰 图 1-5 T 型刚构基本形式 图 1-5 T 型刚构基本形式 连续刚构连续刚构 T 型刚构体系在设计中不断改进，逐步与连续梁体系的优点相结合，T 型刚构的粗大桥墩被柔性薄壁墩所取代，形成墩梁连固的连续刚构体系（图 1-6），开辟了大跨桥梁向轻型结构发展的途径。预应力混凝土连续刚构桥数

21、跨相连，跨中不设铰或挂梁，行车舒适，特别适用于大跨度、高桥墩的情况。它利用薄壁高墩的柔性来适应各种外力所引起的桥纵向位移。此外，桥墩柔性大，对梁的嵌固作用小，其受力情况接近于连续梁桥。但柔性墩需要考虑主梁纵向变形与转动的影响，以及墩身偏心受压时的稳定性。当连续长度太大时，宜设置伸缩缝，做成数座分离式的连续刚构。我国 1997 年建成的虎门大桥辅航道上的连续刚构桥，主孔跨度达 270m，曾是世界最大跨径的预应力混凝土连续刚构桥；2006 年建成的重庆市石板坡长江复线桥以主跨 330m 成为当今世界第一跨径梁桥。斜腿刚构斜腿刚构 斜腿刚构是由刚架演变而来的，将刚架的立柱做成斜的就成为斜腿刚架。斜腿

22、刚构桥的工作情况与拱桥更接近。其梁与腿中的弯矩比门式刚构桥要小，但支承反力却有所增加。由于桥墩置于岸坡上，有较大斜角，在主梁跨度相同的条件下，斜腿刚构桥的跨度比门式刚构桥要大得多。跨越陡峭河岸和深邃峡谷时，采桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 9用斜腿刚构桥是经济合理的方案。1982 年建成的陕西安康汉江桥，是我国第一座 图 1-6 连续刚构 图 1-6 连续刚构 铁路钢斜腿刚构桥，跨度达 176m，在目前世界同类铁路桥中，居于首位。法国 1974年建成的 Bonhomme 桥，是世界跨度最大的公路预应力混凝土斜腿刚构桥，两支承铰的间距为 186.25m，桥高 2

23、3m，主梁为单箱，基础设有支承铰。目前我国高速公路上已建有多座斜腿刚构桥（图 1-7），不仅造型轻巧美观，施工也较拱桥简单。图 1-7 斜腿刚构 图 1-7 斜腿刚构 V 型刚构桥型刚构桥 V 型刚构桥也是一种连续刚构桥，所不同的是将桥墩做成 V 型。它具有连续刚构桥和多跨斜腿刚构桥的受力特性和共有的优点。1988年建成的广西桂林漓江桥（图1-8），为三跨连续的预应力混凝土 V 型刚构桥，主跨 95m。该桥位于漓江风景区，外形美观，别具一格。V 型刚构桥在设计上与连续梁比较，跨度加长了，弯矩峰值进一步削减，梁高却可降低；与连续刚构相比，跨中和支点弯矩较小，在结构外观上更显轻巧美观。桥墩较高时，

24、V 型墩腿以下部分可连接一段竖墩，形成 Y型刚构，其工作性能与 V 型刚构相同。桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 10 图 1-8 V 型刚构 图 1-8 V 型刚构 我国已建成的 T 形刚构和大跨度连续刚构桥及其特点见表 1-1 表 1-1 国内已建的典型刚构桥 表 1-1 国内已建的典型刚构桥 序号 桥 梁 名 称 竣工 年份 用 途 结 构 形 式最大跨度（m）全长（m）结 构 特 点 1 石棉桥 1966 公路 预应力混凝土 84 126 第一次采用悬拼法施工的预应力混凝土桥 2 柳州桥 1968 公路 预应力混凝土 T 型刚构124 408.2第一次采

25、用挂篮悬浇的公路桥 3 江津仁沱桥 1977 公路 预应力混凝土桁式 T 构72.8 146 国内最大跨度的跨中带铰的桁式 T 构 4 台湾圆山桥 1977 公路 预应力混凝土 T 型刚构150 671 国内最大跨度的带剪力铰的桁式 T 构 5 黄陵矶桥 1979 公路 预应力混凝土桁式 T 构90 380.2国内最大跨度的带挂梁的桁式 T 构 6 重庆长江大桥 1980 公路 预应力混凝土 T 型刚构174 1120国内最大跨度的预应力混凝土 T 构 7 三江大桥 1981 公路 预应力混凝土 T 型刚构158 762.8我国承载能力最大的公路T 构桥 8 浊漳河桥 1981 铁路 预应力混

26、凝土斜腿刚构82 171.1国内第一座预应力混凝土斜腿刚架桥 9 安康江大桥 1982 铁路 钢斜腿刚构176 1152国内第一座钢斜腿刚构桥10 雉山漓江桥 1987 公路 预应力混凝土 V 形刚构95 263.5国内第一座采用 V 字形桥墩 11 洛溪大桥 1988 公路 预应力混凝土连续刚构180 1916国内跨度最大的预应力混凝土连续刚构 12 沅陵大桥 1991 公路 预应力混凝土连续刚构140 767.2横桥向为无粘结力筋；引桥顶推采用滑动与永久合二为一的支座 13 黄石长江大桥 1995 公路 预应力混凝土连续刚构245 2580国内最大连续长度预应力混凝土连续刚构 14 虎门大

27、桥 副航运桥 1997 公路 预应力混凝土连续刚构270 当时为该桥型世界之最，在预应力束的布置上消除弯起和连续束 15 重庆黄花园大桥 1999 公路 预应力混凝土连续刚构250 1030国内同类型桥型连续长度最长的桥型 16 厦门海沧大桥西航道桥 1999 公路 预应力混凝土连续刚构140 380 双副并是平曲线及缓和曲线上桥梁 17 下沙大桥 2003 公路 预应力混凝土连续刚构232 718 国内同类桥型规模跨经最大 桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 1118 黄州大桥 2003 公路 预应力混凝土V型连续刚构 160 1205亚洲跨度最大 V 型支撑连

28、续刚构组合梁桥 19 渝怀铁路黄草乌江大桥 2004 铁路 预应力混凝土连续刚构168 410.65 我国双线铁路连续刚构跨度最大的桥梁 20 石板坡长江复线桥 2006 公路 钢混结合连续刚构 330 1100世界第一跨刚构桥（2）（2）刚构桥的特点 由于采用传统的钢桥悬臂施工方法，使得预应力混凝土梁式桥的悬臂体系得到了新的发展，形成了 T 形刚构。随后又出现了将 T 形刚构粗厚桥墩减薄，形成柔性桥墩，使得墩梁固结、主梁连续从而形成连续刚构。它与连续梁的主要区别在于柔性墩的作用，使结构在竖向荷载作用下，基本上属于一种墩台无推力的结构。而上部结构具有连续梁施工的一般特点。T 形刚构桥、连续梁桥

29、及连续刚构桥的主要优缺点对比见表 1-2。表 1-2 大跨度预应力混凝土梁桥优缺点比较表 表 1-2 大跨度预应力混凝土梁桥优缺点比较表 桥型 优 点 缺 点 T 形 刚 构 1.主墩无支座。2.施工无体系转换。3.带挂孔 T 构为静定结构，因此温度，混凝土收缩徐变不产生附加内力。1.伸缩缝多，行车不舒服。2.跨中可能产生较大挠度。3.顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度小，不利于悬臂施工的横向抗风要求。连 续 梁 桥 1.伸缩缝少，行车舒适。2.滑动支座时连续长度可增加。3.滑动支座时温度、混凝土收缩徐变产生的附加内力较小。4.有较好的抗震性能。1.主墩有支座。2.施工时需梁墩固结，有体系转换。3

30、.顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度小，也不利于悬臂施工的横向抗风要求。连 续 刚 构 桥 1.主墩无支座。2.施工体系转换方便。3.伸缩缝少，行车舒适。4.顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度大，受力性能好。顺桥向抗推刚度小，对温度，混凝土收缩徐变及地震影响均有利。1.上部结构连续长度有一定的限制，长度再增加时应改用连续刚构和连续梁组合体系。2.主墩的抗撞击的能力较弱。3.对地基不均匀沉降的要求高。预应力混凝土连续刚构桥的结构特点是主梁连续、墩梁固结，既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的特点，又保持了 T 型刚构不设支座、无需体系转换的优点，方便施工，而且有很大的顺桥向抗弯和横向抗弯，能很好地满足较大跨

31、经桥梁的受力要求，因此它是一种生命力极强的桥梁结构形式。但连续刚构桥对地基承载能力的要求更高,若地基发生过大的不均匀下沉，将产生巨大的附加力，造成墩梁结合处拉应力过大，极易产生裂缝，严重的造成结构破坏。桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 12第部分 桥梁运营、养护和管理面临的问题及技术创新第部分 桥梁运营、养护和管理面临的问题及技术创新 摘要：摘要：本文讨论了目前已建道路桥梁运营、养护和管理中所面临的问题、现状，对未来的桥梁运营、养护和管理的发展及研究提出了新思路，并就有关的关键技术进行了研究和阐述。关键词：关键词：桥梁 运营 养护 管理 健康监测 检测 损伤识别

32、 加固 研究 2.1 面临的问题面临的问题 随着交通运输事业的发展，交通运输量大幅度增长，行车密度及车辆载重越来越大，而现有道路中部分桥梁或由于当初设计标准低，经过一段时间的交通发展，荷载标准或桥上、桥下的净空不能满足新交通的需要，或结构陈旧老化、破损影响到它原有设计能力而危及运行的，严重影响了交通运输的发展。目前公路桥梁运营养护和管理所面临的问题主要有：目前公路桥梁运营养护和管理所面临的问题主要有：1)交通量越来越大，旧桥的承载能力很多已经不能满足新的荷载等级要求。2)桥梁耐久性问题 由于设计考虑欠周，钢筋腐蚀、冻融损坏、碱集料反应和化学物质侵袭、环境影响等，使得结构的承载力会随着时间推移而

33、降低。尤其是，当混凝土保护层剥露、钢筋腐蚀后，其有效截面积会不断减小，就使得结构的承载能力迅速下降，并不可恢复，严重时还会出现钢筋断裂。当结构的剩余承载能力低于作用荷载时，桥梁结构就有可能发生破坏。因此，由钢筋腐蚀病害而引起的桥梁耐久性问题，已成为一个非常突出的灾害性问题。3)疲劳问题 桥梁所采用的材料往往含有微小的缺陷,在循环荷载作用下,这些微缺陷(微裂纹和微孔洞)会成核，发展及合并形成损伤,并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制,极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。疲劳损伤是钢桥设计中的核心问题,有不少因疲劳断裂引起桥梁垮塌的案例。早期疲劳损伤往往不易被检测到,但其带来的后

34、果可能是灾难性的。4)桥梁的超载 桥梁的超载现象是客观存在的，在某些路段十分突出，有两种情况：其一是早期修建的老桥超龄、超负载运营;另一种情况是违规超载车辆的存在。前者产生的原因主要是设计规范的变化和交通量的增加及重载车辆的发展所致,这种现象是必然的;而后者是由于车辆使用者违反交通运输法规超载营运,这样的违规超载桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 13现象在中国公路运输中是很普遍的。超载会使桥梁损伤和裂缝加剧,甚至会出现一些过载引发的结构破坏事故。5)偶然事件的发生、撞击 船只和车辆撞击桥梁、火灾等突发事件时有发生，严重的发生车毁、船沉、桥塌的恶性事故，极大威胁着

35、桥梁的正常使用和耐久性。6)维修资金紧缺、缺乏有效的监测和管理 限于资金和材料的紧缺，一方面不可能大量地拆除旧桥改建新桥，另一方面，还缺乏一整套有效的桥梁运营监测和管理的系统，帮助管理者维护桥梁。另外，从桥梁的设计到使用，由于科技发展水平的限制，还有许多我们所未知的，如桥梁的地震特性，风振特性及控制及复杂结构的确切的空间受力行为和强度机理等方面研究都只能说是初步的，至少是不全面的。针对目前公路桥梁所面临的问题，对桥梁采取有效的监测检测、分析、维修与加固等技术措施，对于降低投资、延长结构的使用寿命、减少灾难性事故的发生、维持和缓解当前交通压力显得尤为重要。而桥梁的养护、监测、检测、分析、加固改造

36、过程处在一种位置、结构形式不断变化，材料、空间都受到局限的被动的技术状态之下，加上桥梁结构形式多样，地形、地质变化差别很大，跨径大小不同，建筑方法和材料特性各异等因素，使桥梁检测加固成为当前广泛存在而又变化多端、极其复杂的一项课题，必须利用现有的科学技术及新材料、新方法，对现有道路桥梁的运营、养护和管理提出一种全面的解决方案。2.2 桥梁运营养护和管理及检测技术现状桥梁运营养护和管理及检测技术现状 针对桥梁运营养护和管理面临的问题，目前常规的主要的手段和检测方法、技术有外观目测调查分析及借助部分仪器设备的检测判断，检测方法根据问题的不同，分为以下几个方面：2.2.1 混凝土强度的检测 2.2.

37、1 混凝土强度的检测 1）无损检测法 比较常用的是超声波速法与回弹仪法,可使测定的强度误差缩小到 12%以内。2）挖取试样法 桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 14这种检验方法的优点是既能做强度试验又能做弹性摸量与密度试验，测定结果也符合实际情况。缺点是破损了结构、费工、试验条件要求较高。因此常用于测定精度要求高的含筋量较小的大体积混凝土。2.2.2 裂缝检测2.2.2 裂缝检测 桥梁结构出现裂缝之后，应加强检查与观测。根据裂缝的特征，结合设计、施工资料进行分析、查明裂缝性质、原因极其危害程度，确定是否需要修补并为修补方案的制定提供可靠的依据。检测内容包括：（1

38、）裂缝发生的部位、走向、宽度、深度、分布状况以及大小和长度等；（2）裂缝的变化发展情况。观测裂缝的仪器一般有塞尺、手持式读数显微镜。也可采用长标距裂缝应变片、千分表引伸仪等。裂缝宽度的检测一般用手持式读数显微镜,测量结构较为精确，精度可以达到0.01mm。为了了解裂缝对结构的危害程度对一些主要裂缝要进行深度的检测，现在比较常用的方法是超声波技术检测裂缝深度，这种技术对结构没有损害，且精度也较高。但是还有一些不足，当有钢筋穿过裂缝时，如果发射和接收换能器的联线靠近钢筋，则沿钢筋传播的脉冲首先到达接收换能器，测试结果不能反映裂缝的深度。试验证明，当换能器与钢筋的距离大于或等于1.5倍的裂缝深度时，

39、可基本避开钢筋对测试结果的影响。2.2.3 承载力的检测2.2.3 承载力的检测 现有桥梁承载力的检定，常采用以下两种方法：1)荷载试验法荷载试验法 此法是比较普遍采用的方法，通过现场荷载试验及测试，可以直接检验桥梁的实际承载力。它又分为：静载试验和动载试验。静载试验测试内容包括应变、挠度和裂缝。动载试验法主要是通过对桥梁载在动荷载作用下产生的动力系数、自振频率和阻尼数据进行分析，求得桥梁的实际承载能力。近年来,桥梁动载试验由于工作量较小,费用低,试验时间短,操作方便、快捷而受到青睐，因此，桥梁动载试验迅速发展起来,并得到了广泛的应用，但是桥梁动载试验在真正的实际应用中还存在一些局限，有待进一

40、步解决。(1)目前国际上广泛采用的以结构自振频率或结构位移模态为基础的损伤识别指标体系不够理想。桥梁作为一个由多种材料,不同结构组合而成的大型综合系统,系统各个成分应力状态、易损性不一,刚度、动力特性相差甚大。笼统地用某种单桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 15一的动力特性变化指标去评估整体结构的状态,是难以取得预期的效果的。(2)桥梁动载试验对桥梁结构的功能(承载力、变形量、可靠性等)进行定性分析比较容易，但进行定量评估则相当困难。由于上述局限，在许多方面，桥梁动载试验、损伤识别还必须与最成熟的静载试验结合使用。随着计算机和计算分析技术的不断进步，先进的智能化

41、数字化仪器仪表的广泛使用，以及其本身技术的发展，桥梁动力试验、损伤识别的局限将很大程度地被克服，必将显示出其令人振奋的发展前景。2)长期跟踪法长期跟踪法 此法是由实际交通情况来检定桥梁承载力的动态求法。它是对被检定桥梁进行相当长期的观测，根据桥梁通过的车辆荷载，测定车辆通过时桥梁各主要部位的挠度（跨中或产生挠度最大处）、应变、应力、裂缝开展情况等数据，然后对这些数据进行统计分析，从而得出桥梁可以承受的荷载等级。但是一般用于结构监测的传统传感器，其测量能力只局限于逐点检测，当需要对大型结构如桥梁的状况进行评估时，采用具有的大面积检测能力的传感器就显得非常重要了。此外，对桥梁结构的承载能力的“非侵

42、入式”检测也是桥梁工程界的迫切需求。2.2.4 钢筋腐蚀及氯化物含量的检测2.2.4 钢筋腐蚀及氯化物含量的检测 用于预测桥面系或混凝土结构钢筋腐蚀等病害的一般方法是：测量氯化物含量和钢筋腐蚀的半电池电势，并进行肉眼观测，这样既费时又妨碍交通。更糟的是它不能就沥青桥面铺装的整个病害情况提供准确数据。因只把注意力集中在由于腐蚀而导致的顶面钢筋保护层的层裂上，而忽视了由于冻/融循环造成的沥青铺装层下的混凝土裂崩的检测。使用雷达、红外热像仪、激光光学、超声波和其它一些心得技术手段可在仅仅一天之内就能准确地测量成百上千公里路面或几十座桥的桥面。“红外热像仪”是利用一台红外摄像机来产生一幅桥面温度图的。

43、这种温度图像揭示了在阳光照射下混凝土裂层之上那个的桥面“热点”。这种温度较高的“热点”是由于薄的充满空气的裂层就象绝热体一样，使得其上的混凝土的温度上升得更快些而形成的。“雷达”的工作原理是发射短促的电磁脉冲，然后由这些电磁脉冲形成的电磁波可被混凝土中的各种异质界面反射回来而产生回波。雷达回波桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 16的交替变化之波形和混凝土发生病害及出现层裂后状况有密切的对应关系（但解释判读困难）。将雷达检测混凝土的冻/融裂崩和高含水量以及红外热像仪在干燥情况下检测混凝土层裂这两种方法结合起来就可以创造一种有效地检测大多数病害类型的检测方法。2.2

44、.5 疲劳问题的检测2.2.5 疲劳问题的检测 目前对于钢结构、特别是埋置在混凝土中的缆索锚头间的钢筋的疲劳问题还没有一个很好的检测办法，许多学者正尝试通过各种方法进行检测研究，目前，往往借助直观的检测。2.3 桥梁养护和管理新概念及技术创新桥梁养护和管理新概念及技术创新 2.3.1 增加养护维修和管理资金的投入2.3.1 增加养护维修和管理资金的投入 增加养护维修和管理资金的投入，引进先进的现代化技术，加大对养护和管理科技方面的投入，实施有效的养护维修和管理，可以使目前相当数量的桥梁的使用性能得以改善，寿命得以延长，减少和避免灾难性事故的发生。2.3.2 设计健康的桥梁 2.3.2 设计健康

45、的桥梁 桥梁设计工程师应重视桥梁的设计，选型方面要便于养护、材料要耐久，细部设计要周全，部分构件要尽可能考虑可更换，并应在可能遭受撞击的部位设置防撞设施，尽可能减少结构的暴露面，经济合理美观。2.3.3 建立桥梁健康档案和健康监测评估系统2.3.3 建立桥梁健康档案和健康监测评估系统 现代桥梁建设的跨径越来越大，大桥的安全运营关系到一个国家的交通、经济发展、军事乃至人民生命财产安全。桥梁工程具有投资大、设计周期长、使用环境恶劣，易受周围大气、温度、湿度及天气的影响而发生劣化以及长期承受动荷载等特点，因而对桥梁结构进行施工监控和长期健康监测显得非常必要。随着计算机技术、通讯技术及各类传感技术的发

46、展，使桥梁的养护和管理模式由以往的外观目测调查分析及借助部分仪器设备的检测判断为主逐渐发展为综合运用现代科技和手段，进行全方位的监测检测和计算机管理评估成为可能。目前已有不少学者和养护管理部门研究开发提出了如桥梁健康监测、损伤识别及综合养护管理评估等理论、方法及相关的系统，大型桥梁和结构的健康监测与诊断技术在国外已经受到广泛的关注和重视,成为了桥梁研究的热点问题，它主要表现为以下几个方面。桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 172.3.3.1 桥梁健康监测评估 2.3.3.1 桥梁健康监测评估 Housner(1997)等人将结构健康监测定义为：一种从营运状态的结

47、构中获取并处理数据，评估结构的主要性能指标（如可靠性、耐久性等）的有效方法。它结合了无损检测（NDT）和结构特性分析（包括结构响应），目的是为了诊断结构中是否有损伤发生，判断损伤的位置，估计损伤的程度以及损伤对结构将要造成的后果。总的来说，结构健康监测系统应该能够进行结构损伤识别和状态评估。一个典型的桥梁健康监测评估系统如图 1 所示。桥梁健康监测的基本内涵即是通过对桥梁结构状态的监控与评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁营运状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。为此，监测系统应对以下几个方面进行监控：1)桥梁结构在正常环境与交通条件下营运的物理与力学状态；

48、2)桥梁重要非结构构件（如支座）和附属设施（如振动控制元件）的工作状态；3)结构构件耐久性；4)桥梁所处环境条件等。与传统的检测技术不同，大型桥梁健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。然而，桥梁结构健康监测不仅仅只是为了结构状态监控与评估。由于大型桥梁的力学和结构特点以及所处的特定环境，在大桥设计阶段完全掌握和预测结构的力学特性和行为是非常困难的。结构理论分析常基于理想化的有限元离散模型，并且分析时常以很多假定条件为前提，这些往往与实际的真实条件不全相符。因此，通过桥梁健康监测所获得的实际结构的动静力行为来验证大桥

49、的理论模型、计算假定具有重要意义。桥梁健康监测信息反馈于结构设计的更深远意义在于，结构设计方法与相应实际结构系统外界激励数据采集传感器/激励器，NDE技术信号处理监测监测建模模型修正辨识仿真计算损伤识别定位诊断诊断估计剩余强度预测运营寿命可靠度分析与评估运营周期费用分析维修与养护决策状态评估状态评估图 2-1 典型的桥梁结构健康监测评估系统结构典型的桥梁结构健康监测评估系统结构 桥梁工程的最新进展及技术创新 浙江大学 交通研究所 项贻强 教授 18的规范标准等可能得以改进；并且，对桥梁在各种交通条件和自然环境下的真实行为的理解以及对环境荷载的合理建模是将来实现桥梁“虚拟设计”的基础。还应看到，

50、桥梁健康监测带来的将不仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思，它还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。同时，桥梁结构控制与健康评估技术的深入研究与开发也需要结构现场试验与调查。桥梁健康监测为桥梁工程中的未知问题和超大跨度桥梁的研究提供了新的契机。由营运中的桥梁结构及其环境所获得的信息不仅是理论研究和实验室调查的补充，而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息。大型桥梁健康监测不只是传统的桥梁检测加结构评估技术，而是被赋予了结构监控与评估、设计验证和研究与发展三方面的意义。结构健康监测在土木工程领域的研究中十分活跃，目前已开始在一些重大的土木工程项目中应用，如大型的拱桥、海洋平台、斜拉桥