超千米特大跨斜拉桥的技术优势及对若干设计关键的思考.doc
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1、热烈欢迎各位来宾参加江西省公路学会学术年会祝愿江西省桥梁工程业界广大同仁 为国家工程建设作出更大贡献!超千米特大跨斜拉桥的技术优势及对若干设计关键的思考0 钧 同济大学土木工程学院桥隧工程研究所上海市城建集团院士工作研究室2015年11月25日 南昌市2悬索桥/吊桥,是大跨径桥梁(l 1000m)传统的 古老桥型;而斜拉桥则始建于上世纪50年代中期,但 发展迅速,短短60年的时间里,其跨径已从180多米发 展到今天的近1100m(苏通斜拉大桥主跨1088m,而 正在施工中的公铁合建沪通大桥,l =1092m)。跨径 上几可与悬索桥平起平坐,相互竞争。由于该桥是当今全球最富时代亮点和特色的特大跨
2、 斜拉桥,此处将作为示范案例作讲授说明;文后更兼 及本人对斜拉桥发展的一点粗浅认识,请在座专家指 正。3演 讲 纲 目一. 我国大跨度桥梁建设的今天和未来 二. 超千米特大跨铁公路合建沪通斜拉桥设计中的若干问题简述 三. 沪通斜拉桥需慎酌考虑过的若干主要问题四. 关于兴建超千米公铁两用斜拉桥的技术特点和难点 五. 关于斜拉桥主梁体系及其结构型式研究4六. 关于特大跨斜拉桥有否“极限跨度”问题的议论 七. 可以有效增强特大跨斜拉桥刚度,并对大变形过度时施作控制策略的可能途径八. 几个基本论点 九. 大桥运营管理、政策与展望十. 对某拟建城市公路大桥桥型方案的浅见5一. 我国大跨度桥梁建设的今天和
3、未来 我国大桥的世界之最:世界最大跨度的钢拱桥(中承式)上海卢浦大桥,获 国际桥协IABSE 杰出结构国际大奖;曾为当时世界第一跨度斜拉桥(1088 m)苏通大桥,获 杰出桥梁国际大奖;世界第二、中国第一舟山西堠门悬索大桥(1650 m);当年世界第一长度跨海大桥(34 km)杭州湾跨海大桥;世界第一跨度钢筋混凝土拱桥万县长江大桥(进入三峡第一桥);6我国位列世界前10位的悬索大桥,还有 香港青马大桥; 江阴长江大桥; 润扬长江大桥; 南京长江四桥;泰州千米级双跨连续长江大桥,等等。(其它,如:宜昌、阳逻、武汉、芜湖、九江、南京、马鞍山等新建 长江大桥,不一而足,其中大多数为公路大桥)7跨长位
4、列世界前10位采用预应力砼箱梁的斜拉大桥 中,其中的6座在中国:南京长江二桥; 白沙洲长江大桥; 荆沙长江大桥; 颚黄长江大桥; 大佛寺长江大桥; 李家沱长江大桥。我国的母亲河万里长江,为我国桥梁建设者施展抱负和 才华,提供了大好平台。8江海、深谷,天堑跨越。它缩短了时间与空间的距离,美化了我中华锦绣大地秀美山川,对我国辽阔 疆域间的沟通和经济建设的腾飞,这些大桥的建成起 到了极其重要的推动作用。9带纵向加劲梁的斜拉大桥10苏通大桥 主航道双塔扇形索面斜拉桥(1088m)11杭州湾大桥全长34km,主、副航道分别为钻石型和A型双主塔斜拉桥12重庆朝天门长江大桥全长1741m,主跨932m,双层
5、,宽36.5m,国内最大跨径的钢桁桥 13斜拉大桥悬臂施工,正安装斜缆并吊装主梁 14纽约韦拉札诺海峡大桥,跨距1290m,1964年完工之初为全世界最长悬索桥15世界最长公铁两用多跨连续带加劲梁悬索大桥16千米级双跨连续三塔泰州公路长江大桥17泰州公路长江悬索大桥方案比选18三塔双跨悬索桥,属世界之最 (泰州公路跨江大桥)19多塔斜拉桥(日本濑户大桥) 20大跨悬索桥的纵向加劲梁21跨海大桥,国内已建和待建的,除杭州湾大桥外,还有:珠江口外伶仃洋港珠澳大桥(36 km)桥隧结合,人工岛 过渡,号称“世界七大奇观之一”;渤海湾跨海工程(初拟选为隧道过海);琼州海峡桥隧工程(方案阶段);台海大桥
6、/隧道工程(有待争取立项),等等。22再说几座国内已建的、最长的跨海大桥:上海东海大桥(2005,32.5 km);0 杭州湾大桥(2008, 34 km); 0 舟山五连岛工程(2009); 0 青岛市胶州湾海湾大桥(2010, 41.58 km); 0 厦漳跨海大桥(2013, 9.335 km),等 10 余座; 23按:质量、安全、适用、经济、耐久、美观, 先后排序国际桥协随着桥跨的日益增大,设计施工要求上突出的 特点与其发展趋势:0 桥跨结构的柔性化,使进一步减轻桥身自重 (详后述,及所带来的问题); 0 施工架设的安全、便捷、且又更具特色(四渡河大 桥、矮寨大桥); 0 柔度过大以
7、后,高速行车中的平稳性和舒适性问题; 0 桥梁抗风、抗震的安全性。 240 新材料、新工艺、新型架桥机械和各种新型 技术手段的开发与应用; 0 计算机辅助设计、专用设计软件程序研制; (有效的快速优化和虚拟仿真模拟与分析) 0 部件工厂化生产的智能化制造工艺系统; 0 桥梁施工,利用 GPS 和遥测、遥感技术做定位 测量与控制。 0 桥梁美学(城市桥为最),等等。 25桥跨结构的日益轻型化,主要体现在:0 悬索、斜拉大桥采用钢箱主梁; 0 密索体系斜拉桥采用钢桁式主梁(沪通大桥),梁的 “高跨比”大大降低,桥型更显轻盈,且透风性能好,使 之能适应跨越大跨的钢斜拉桥至1200 m;而悬索桥今后有
8、 望突破3000 m(日本明石大桥 l = 1990 m,属世界之 最)。2621世纪人类用桥梁征服自然的目标 :以跨海工程言,从全球看:宽度在 100 km 以内的海峡共 20多处;而孤立于大陆之外、具有开发使用价值的近海岛屿可谓 无数,一个个处女地足够桥梁人去自由驰骋、建功立业。山岭地区,遇山凿洞、遇谷架桥、崇山峻岭、黄土高坡、 岩溶暗河,再困难也难不倒为“造福当代、功在千秋”,勤劳智 慧的桥隧人。27二. 超千米特大跨铁公路合建沪通斜拉桥设计中的若 干问题简述。所介绍内容的要点是:0 桥位介绍 0 斜拉桥与悬索桥的桥型比较 0 超千米特大跨公铁两用斜拉桥的设计特点和技 术难点 0 大桥竖
9、向和横向变形刚度及其抗风稳定性 0 列车高速运行时的大桥平稳性和安全风险控制 0 大桥主梁结构体系和型式 几个基本论点的商榷28江苏公路网规划图中锡通通道位置国内外已建的公、铁两用斜拉桥序号桥 名国家跨径(m)材料1岩墨岛桥日本420钢2柜石岛桥日本420钢3P-E桥阿根廷330钢4巴拿马运河D桥和G桥阿根廷330钢5芜湖长江大桥中国312钢桁架6赛弗林桥德国302钢7库尔特舒马赫桥德国287钢8上卡赛尔河桥德国257.8钢30上层:双向6车道公路 下层:上下行三股铁道三. 沪通斜拉桥曾慎酌考虑过的若干主要问题 1. 关于大桥采用斜拉桥或悬索桥桥型的比较(1) 越洋、跨海大桥所要求的通航跨径,
10、一般 1,8002,000m;而 江、河下游段的通航跨径,一般1,200 (1,400m),则已在斜拉桥的安全跨度之内。 (2) 斜拉索从“稀索”到“密索”(索距610m)转变,使 大桥主箱梁由受弯改为受压为主,这样梁高将大大减小;320 钢板砼叠合桥面、预应力砼(pc)箱梁和钢箱梁的 采用。 上二者,使斜拉桥跨度可达到1,200m,甚至 1,400m,早已突破了早年经济跨度600800m的约 束。主梁高度降低后( h / l 700座,含:钢箱梁、PC 箱梁和 加劲梁、钢板砼迭合梁、混合加劲梁,等等; 0 斜拉桥多属自锚,节约了庞大的江中水下锚碇工 程,也有用部份地锚式(双锚体系,后墙)。
11、33超大跨斜拉桥(1400m)的新进展部分双地锚、交叉索 (bi-anchor cross stayed cable)斜拉桥3435制约斜拉桥向更大跨度发展的主要因素:0 跨中主梁的轴压值(因拉索水平向拉力导致的)过大, 致梁高加大、加厚,故而桥自重大大增加,成为控制桥 跨的主要制约要害(主梁自重将占全桥荷载的 80% 或 以上,且跨度大时,跨中拉索的水平夹角就越小,其水 平分力则更大,导致主梁轴压力进一步增大); 0 跨度大时,桥塔过高;(H / L 5.0) 0 跨中主梁抗弯刚度偏小。 36上述新体系斜拉桥(较常规的)的技术优势:0 主梁最大恒载和活载轴压力,均可望削减 25% 30%;
12、0 交叉索段拉索的水平分力,因左右对消而可不再 积累,因而使该交叉段各主梁的轴压应力水平可 削减至最低; 0 利用小尺寸地锚,消除因拉索水平分力对边跨主 梁产生的水平轴压力,并进而约束索塔的水平偏 移量; 370 跨中交叉索区段的各主梁重量由两个方向拉 索的竖向分力提供双重支承,从而增大了跨 中主梁的抗弯刚度; 0 桥塔高度有望降低:跨中交叉拉索对主梁的 双重支承,使较原先单根拉索索力减小了一 半;故允许跨中拉索采用更小的水平倾角, 桥塔高度为此而可大幅降低 15% 20%。“ 塔跨比”可望降到 1/5.5,甚至更小。 38(3)以 l1,200m为例,斜拉桥较之悬索 桥的优势,体现在:0 总
13、造价节约20%或更多。 0 采用“倒丫字”型或“钻石”型桥塔,及相应的 扇形索面时,斜拉桥的抗风横向刚度、抗扭空间刚度、竖向抗挠(弯)刚度和抗风力的颤振稳定性,较之同等跨度悬索桥,都将更高。390 双锚体系大跨斜拉桥,其竖向刚度较悬索桥也 将更优。 0 所用“钢材比”,可节约25%或更多。 0 斜拉桥无需庞大的锚碇结构。 0 为解决斜拉桥的跨径更大时、加劲主梁受压的 压力值过大问题,建议采用“双锚索体系”的 构思,它可使斜拉桥的极限跨度进一步拓长。 400 多塔斜拉桥,如下表所示,国内外已建过多 处,但其中的问题可能是: 0 中间桥塔未设置端锚索,故难以有效约束沿桥 轴向的塔顶位移,使全桥柔性
14、过度增大,这 样,会因附加变形导致桥跨结构的刚度有嫌不 足; 0 邓文中院士(美籍)和丹麦吉姆辛教授对上项 问题提出过几种多塔斜拉桥的线型布置改进方 案。不详述。 41国内外已建的多塔斜拉桥序号桥 名国家跨径布置(m)塔数1香港汀九大桥中国127+448+475+12732岳阳洞庭湖大桥中国129.8+310+129.823宜昌夷陵长江大桥中国-34台湾淡水河桥中国67+2*134+6735梅兹卡拉桥墨西77+312+300+84+68+393哥6新卡奎内斯海湾桥美国160+2*358+16037巴特斯桥希腊305+3*560+30548马拉开波桥瑞典160+5*235+1606422. 斜拉
15、桥与悬索桥优缺点的进一步比选 自上世纪60年代始,由于现代斜拉桥的兴起,它具有更多的优点: (1) 斜拉桥整体刚度大,而主梁重量可以减轻;(2) 斜拉桥属自锚式,无需外锚碇,采用节段悬臂 施工,还可利用斜拉索的水平分力为混凝土斜拉桥主 梁施加的预压应力;43(3)斜拉桥各根斜拉索的索力是基本上均匀的,能以充分发挥 材料的作用;而悬索桥的主缆拉力却随着缆身倾角不同而变 化,而且还有弯折等折减,其材料使用不够充分。在荷载、跨 度、材料强度、安全系数等均为相同的情况下,如果“塔高与 跨度之比”也相同,则悬索桥的用索量约为斜拉桥的1.5倍;而 如果两者各取常用的“高跨比”,则斜拉桥与悬索桥的用索量 之
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