我国长大桥梁技术发展与展望

【摘要】我国于70年代中期开始建造斜拉桥，悬索桥的修建就更早，但以这两种结构为主的长大桥梁的设计与施工基本上是90年代初开始，短短十年时间我国长大桥架设计及施工技术已迈入世界先进行列，本文总结介绍我国长大桥梁技术发展的成就，展望未来发展前景及课题。
【关键词】长大桥梁 技术发展 展望

一、长大桥梁建设的必要性和经济性
交通运输是国民经济的动脉，桥梁是交通运输设施必不可少的重要组成部分，近十年来，随着国民经济的发展，科学技术的进步，工业水平的提高，新建筑材料的出现，施工工艺的不断革新，设计理论及计算手段的突飞猛进，桥梁工程也日新月异，迅速发展。到1999年年底，我国公路建设总里程已突破130万km，各类公路桥梁23万座，800万延米，并先后在长江、黄河、珠江、闽江、黄浦江等大江大河上，建成一批深水、大跨、施工难度大、技术含量高的长大公路桥梁，如东明黄河大桥，黄石、铜陵、西陵长江大桥，南浦、杨浦大桥，虎门大桥、厦门海沧大桥、江阴长江大桥以及在建的荆沙长江大桥、军山大桥、南京长江第二大桥等为代表的位于长江中下游的长大桥梁，这些桥梁的建设，展示了我国长大桥梁发展的最新技术水平和成就，代表了长大桥梁发展方向，使我国公路桥梁建设步入世界先进行列，并对促进区域经济繁荣和发展，完善国道主干线网起到十分重要作用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。
大江大河往往成为公路交通贯通的屏障，形成公路"断头"，随着国民经济的发展，交通运输的需求迅速增长，在大江大河上修建更多的桥梁已成为可能和现实。跨越大江大河的桥梁往往由于水深流急，工程地质条件复杂，使桥梁基础工程浩大，技术复杂，难度高，工期长，费用昂贵，在这样的场合修建一般大跨度桥梁，往往难以获得满意的经济效果，通过桥梁
上、下部构造技术经济综合分析比较，最终确定采用更大跨度（300～500m以上）的长大桥梁，作为建设方案仍是较为经济合理的。跨越大江大河的桥梁，为满足通航的要求而采用长大桥梁建设方案的情况，也是常见的。

二、我国长大桥梁技术发展及现状
目前，我国PC连续梁最大跨径为165m（南京二桥北汊主桥），PC连续刚构最大跨径270m（虎门副航道桥），拱式体系桥梁最大跨径420m（万县长江大桥），石拱桥最大跨径146m（丹河大桥），斜拉桥最大跨径628m（南京二桥南汊大桥），悬索桥最大跨度1385m（江阴长江大桥）。回顾我国长大桥梁发展的历史和现状，我国长大桥梁的发展主要是以斜拉桥和悬索桥为标志的，本文主要对这两种桥型的技术发展作一分析。
1.斜拉桥技术发展及现状
斜拉桥是我国长大桥梁主要桥型之一，据分析，其经济跨径达200～700m，甚至在更大跨径水平上，也具竞争力。
我国第一座斜拉桥是建于1975年的四川云阳桥，它是一座跨径76m的双塔双索面混凝土斜拉桥。自那以后，在吸收国外先进技术和经验的基础上，我国斜拉桥建设和技术有了长足的发展，并从80年代末、90年代初开始长大斜拉桥设计与施工，至今已建成斜拉桥60余座，其中跨径超过400m的10座，最大跨径达602m，在建跨度在500m以上的斜拉桥四座，其中南京长江第二大桥跨度达628m，正设计的珠海伶仃洋大桥跨度达900～1000m，仅十来年时间我国长大斜拉桥的发展与建设跨入世界先进行列。
（1）从我国斜拉桥技术发展和建设情况来看，大体可分为三个阶段。从1975年建设第一座斜拉桥至1982年，是我国斜拉桥发展的起步阶段，也是我国斜拉桥发展的第一次高潮，这一阶段以1982年建成的跨度为220m的山东济南黄河斜拉桥为代表，短短七年里，我国斜拉桥跨度增加了三倍，共建成11座斜拉桥，这标志着我国已基本掌握大跨度斜拉桥设计与施工技术。在这一阶段中，我国桥梁工作者先后研究开发了斜拉桥静力分析、非线性静力分析以及自动调索施工控制等专用程序，并对斜拉索的非线性动力性能按空间体系进行了分析研究；在对双塔双索面斜拉桥的静、动力特性大量深入研究之后，提出了把斜拉桥分类为四种基本体系。即漂浮体系、梁墩固结体系、支承体系和刚构体系，以及相应的结构措施，如纵向约束，在梁塔相交处加垂直拉索、主梁中部设剪力铰、边跨设铺助墩、设外边跨等，并对这些措施的结构性能作了仔细的研究，这种体系的划分，对复杂多变的斜拉桥结构，结出了十分清晰而简单的概念，大大方便了这种桥型的规划和设计。
这一阶段修建的斜拉桥均为混凝土斜拉桥，多数跨度不大，主梁断面多为抗风稳定性稍
差的矩形梁（箱）加桥面系的形式，门型塔，拉索多采用φ5高强钢丝，未镀锌，稀索布置，防护也多为耐修性差的防水涂料多层涂覆、玻璃钢防护层、钢丝网水泥壳套、钢、铝、塑料套管灌以水泥浆、黄油等。
（2）1983～1986年为我国斜拉桥发展的第二阶段。由于第一阶段已建斜拉桥的拉索防护，要么层次多、成本高，要么过于简单，或不当而失败，以至有的桥建成3～4年，拉索防护就损坏，危及桥梁安全，促使桥梁工作者进一步思索研究、总结提高的阶段，也是为下一阶段斜拉桥持续发展的准备阶段。这一阶段仅建设了少数几座斜拉桥，但却有两座是独塔斜拉
桥（四川曾达桥和浙江章镇桥），并对采用聚乙稀（PE）材料进行拉索防护，做了有益的尝试。
（3）80年代中后期至今，是我国斜拉桥技术发展鼎盛时期，这阶段修建的斜拉桥达40余座，跨度从200余m到600m以上，我国400m以上的长大斜拉桥均在此时间设计，并于90年代初开始建设的，这些大跨度桥梁的工程实践，使我国长大斜拉桥的发展和技术开发逐趋完善和成熟，并开始迈入世界先进行列。
（4）我国长大斜拉桥技术发展主要成就
a.主梁材料多样化和形式的完善。由于桥梁跨径不断增大，所建斜拉桥，除修建了跨度444m、在建跨度500m的混凝土斜拉桥外，在更大跨度上，为减轻桥梁结构自重，节省投资，还修建了主跨达602m的叠合梁斜拉桥及跨度618m的混合梁斜拉桥，在建跨径628m的全焊钢斜拉桥和设计跨度为900～1000m的混合梁斜拉桥，并在总结借鉴国外建桥经验基础上，对叠合梁斜拉桥许多关键技术作了重大改进，有效地防止了混凝土桥面裂缝的产生，主梁断面形式除采用抗风性能良好的流线形箱形截面外，混凝土长大斜拉桥主梁断面逐渐演变为双边肋板式断面。
b．总体布局及结构体系的合理化。桥梁工作者根据不同桥梁的功能和结构特性，合理地修建了双塔双索面、双塔单索面、独塔双索面、独塔单索面斜拉桥，以及结构体系上漂浮体系、支承体系、梁墩固结和刚构体系的斜拉桥，对多跨斜拉桥也进行了有益的工程实践。
c.索塔。均为混凝土塔，由于桥梁美学、抗风和后期调索的考虑，除门型塔外，也修建了造型较美观的倒Y型、钻石型及H型、A型索塔。广东九江大桥（2 * 160m独塔斜拉桥），在建成营运两年后，就成功地利用H型塔的水平隔板作为工作平台，用十天的时间完成44根拉索索力的后期调整。同时对长大斜拉桥，由于倒Y型和钻石型塔的独特优美造型，以及其空间索可使主梁获得较高的扭转自振频率，提高其临界颤振风速，而被广泛应用。
d.拉索构造。由稀索向密索演变。大多采用镀锌高强钢丝平行索，对钢绞线斜拉索也做了有益的工程尝试，并以镀锌作为拉索第一层防护。在引进吸收国外斜拉索防护经验的基础上，成功地开发研制了斜拉索热挤高密度PE和PU防护工艺和冷铸锚具，制订了《桥梁线索用热镀锌钢丝》标准和《斜拉桥热挤聚乙烯拉索技术条件》等技术规范及工艺标准。并已有多个具有相当规模的斜拉索专门生产厂家，使斜拉索从下料编束、锚头制造、检验安装及测试，到拉索防护整套工艺流程工厂化、专业化、拉索商品化，进一步保证和提高了斜拉索制造的质量。
e．结构计算与分析。制订并颁发了《公路斜拉桥设计规范》，并初步确立了考虑长大桥梁设计的荷载标准：引进、开发、研制并完善了适合于长大斜拉桥线性和非线性的静、动力计算分析程序及局部应力分析空间有限元程序，并通过大量实桥设计运用检验证明其可靠性。
f.长大桥梁抗风设计。制定并颁布了《公路桥梁抗风设计指南），作为长大桥梁抗风设计的依据；建立具有相当规模和水平的风洞试验室和一批一流水平的科学试验研究人员，通过风洞试验评价结构抗风性能，提出结构抗风措施，确保结构施工和运营安全。
g.抗震设计。采用桥址场地地震危险性分析结出的场地地震工程动参数和反应谱，利用反应谱理论或时程分析法，应用引进开发的空间有限元程序。对长大桥梁上下部结构整体模型进行结构地震反应分析和抗震设计。
h．对于长大桥梁（如厦门海沧大桥、南京长江二桥等）全面引入景观及环境美化设计，将环境工程纳人桥梁总体系统工程一并考虑。
i．开发长大斜拉桥、悬索桥CAD系统。
j.完善斜拉桥施工计算机控制系统，主梁施工过程的索力、标高由计算机跟踪控制，取得满意的效果。
k.长大桥梁大型深水基础工程获得成功，在水深流急的长江中下游，有效地运用了大体积水下混凝土封底技术，成功地解决了大型钢围堰下沉着岩安全渡洪及4m大直径钻孔灌注桩基础施工成孔关键技术问题，以及PC斜拉桥主梁板式断面和前支点挂篮的成功应用。
l.开发、研究、设计、安装桥梁结构安全预警系统，对桥梁结构的承载能力、营运状况及耐久能力等进行监测评估及警示。
m.斜拉索风、雨致振性状及机理的研究及其抗震措施的试验研究与初步实践。
n.索塔拉索锚固区小半径环向预应力及真空压浆技术的应用研究与实践。
o.钢箱梁制造、焊接工艺、工地接头型式的研究与实践，以及相应地方与行业标准的制订。
P.开发、引进、设计研究、应用正变异性钢桥面板铺装成套技术，向这一世界级难题的解决迈进了一大步。
2.悬索桥技术发展和现状
进入90年代以前，我国修建了数十座中等跨度（200～300m以内）的悬索桥。我国现代化长大悬索桥技术起步于90年代初，1995年建成的主跨跨度为452m的汕头海湾大桥，它是一座三跨双绞预应力混凝土箱形加劲梁悬索桥。随后于1996年和1997年又相继建成主跨900m的单跨钢箱加劲梁的西陵长江大桥和888m的广东虎门大桥，1999年建成的主跨648m的厦门海沧大桥，和主跨1385m的江阴长江大桥，在建960m的宜昌长江大桥，拟建跨径1490m的镇江至扬州长江大桥，仅短短几年，我国长大悬索桥技术也开始步入世界先进行列。
在修建长大悬索桥的同时，开发了适用于悬索这类大变形柔性结构的、充分考虑几何非线性有限元的结构分析程序；制定了《大跨径悬索桥主缆索股技术条件》等有关标准；对长大悬索桥抗风性能和稳定性、地震反应的分析研究和风洞试验研究；对悬索桥的锚道架设、主缆施工、箱梁安装、正交异性钢桥面铺装、软土地带特大型锚碇及基础施工技术和水化热控
制技术等进行了研究与实践，取得良好的效果。桥梁数值风洞试验的建立及长大悬索桥施工状态计算机仿真分析等。

三、长大桥梁技术展望
根据我国国民经济发展的需要，“八五”期间国家制定了两纵两横国道主干线建设计划，两纵之一是由黑龙江同江至海南三亚的同三高速公路，这条主干线自北向南将建设跨越渤海湾海峡、长江口、杭州湾、珠江口伶仃洋和琼州海峡五个巨型跨海工程，展望未来，我国将迎来修建1000m以上长大斜拉桥和2000m级的长大悬索桥的挑战，为此，尚有一系列技术课题有待研究解决：
·海洋测潮、测波、测流（合底层测流），
·海洋地质勘探、海底深层灾害地质分析、海底断层性状调查分析；
·浪击、冲刷试验、不规则波对桥墩的作用研究试验，船舶防撞研究试验；
·高性能新材料、新结构（如斜拉-悬吊协作体系桥梁等）、超大（高）型结构设想、构思及其模型力学试验研究；
·风工程、工程抗震及防侵蚀试验研究；
·海洋平台深海基础构思及施工方案比选试验研究；
·超巨型施工设备研制与试验；
·跨海工程深水基础、强台风、软基条件下，上、下部结构关键施工工艺试验研究等。