橋梁與橋梁施工方法漢語(yǔ)版

橋梁和橋梁施工方法

一．橋梁

簡(jiǎn)支桁架橋

在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，美國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)師把他們的創(chuàng)造才能都用在設(shè)計(jì)新型的桁架梁和板梁上，他們做這種努力的目的是要找到一種橋梁形式使其金屬使用量盡可能減小。每一種設(shè)計(jì)出來(lái)的橋梁形式都要受到實(shí)際應(yīng)用的嚴(yán)峻考驗(yàn)，只有通過(guò)實(shí)際應(yīng)用才能確定這種形式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。根據(jù)適者生存的原則，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，少數(shù)幾種橋梁形式保留下來(lái)了，而其他的形式則被湮沒在橋梁的歷史中。像人們預(yù)期的那樣，保留下來(lái)的為數(shù)不多的橋梁形式是所有形式中最簡(jiǎn)單的。雖然現(xiàn)在，人們偶爾還聽說(shuō)某些桁架橋的改進(jìn)形式，但是這種設(shè)想的改進(jìn)卻很少得以實(shí)現(xiàn)。那些經(jīng)受了時(shí)間考驗(yàn)而保留下來(lái)的橋梁形式包括普拉特型、佩蒂特型以及其他一些形式。

普拉特桁架是梁美國(guó)在橋梁跨度小于250英尺的最常用的一種形式。它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單節(jié)約鋼材，而且便于同橋面和橫向系統(tǒng)聯(lián)接。佩蒂特桁架梁是普拉特桁架橋的修正形式，一般用于跨度超過(guò)250-300英尺的橋梁。相對(duì)來(lái)說(shuō)，這種形式也比較簡(jiǎn)單，而且也像普拉特桁梁一樣節(jié)約鋼材，而且便于同橋面和橫向系統(tǒng)聯(lián)接。

懸臂橋

懸臂橋的橋跨是由懸臂支撐的。懸臂由支撐它的橋墩向前后延伸，并在橋跨中心會(huì)合而聯(lián)接在一起。懸臂的設(shè)計(jì)可以采取不同的形式，但都遵循在一個(gè)共同中心平衡的原則。

懸臂橋主要有兩大優(yōu)點(diǎn)。一是，在修建高架橋的時(shí)候，用這種方法建橋可以使用體積較小，結(jié)構(gòu)更緊密的橋墩，而要是讓每個(gè)橋墩都支撐相鄰的兩段板梁橋跨，就做不到這一點(diǎn)。其次，在鐵路必須穿越寬闊水道的情況下，如果水流又急又深，難以做到基礎(chǔ)設(shè)置中間橋墩，在這種情況下，可以采用懸臂橋形式。

但是，除非出現(xiàn)上述情況，否則不宜采用懸臂橋的形式，因?yàn)樗�的剛度不如�?jiǎn)支桁梁橋，而且建造起來(lái)需要使用更多的鋼材。

拱橋

拱橋特別適合建在兩邊是石壁的深谷上，以及具有巖石河底與天然橋臺(tái)的淺灘上。拱橋的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約鋼材，而且外形美觀。而它的缺點(diǎn)是剛度不夠。而且對(duì)大多數(shù)拱橋來(lái)說(shuō)，其構(gòu)件的應(yīng)力具有不確定性。

當(dāng)橋梁的基礎(chǔ)建立在橋樁或是熱河其他容易輕微下陷的材料上，或者橋臺(tái)可能橫向移動(dòng)，哪怕是一點(diǎn)點(diǎn)，上部結(jié)構(gòu)都不適宜采用拱橋，因?yàn)椴徽撌菢蚨栈蚴菢蚺_(tái)發(fā)生任何下陷或移動(dòng)都會(huì)推翻設(shè)想的計(jì)算條件，從而造成某些應(yīng)力增加到難以確定的數(shù)值，而這些應(yīng)力在上部結(jié)構(gòu)中應(yīng)是成比例的。

斜拉橋

在過(guò)去的十年中，斜拉橋得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在西歐。在世界其他地方，應(yīng)用的廣泛性則相對(duì)小一些。斜拉橋是按照這樣一種結(jié)構(gòu)體系造建的，這種體系包括一個(gè)由拉索吊住的正交異性橋面板和連續(xù)梁。拉索是指通過(guò)或固定在主橋塔上的斜纜。

用纜索來(lái)支撐橋跨的這種想法并不新鮮，在很久以前就記載有這種結(jié)構(gòu)的一些例證。不幸的是，一般來(lái)說(shuō)，這種辦法都沒有獲得成功，其原因是當(dāng)時(shí)人們沒有充分理解靜力學(xué)，而且使用了不適當(dāng)?shù)牟牧希�例如用板條和鏈條來(lái)做斜支撐或拉索。

直到最近，由于采用高強(qiáng)度的鋼材與正交異性橋面板，以及焊接技術(shù)的發(fā)展和在結(jié)構(gòu)分析方面的進(jìn)步，斜拉體系才得到廣泛而成功的應(yīng)用。電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用開辟了新的、幾乎是無(wú)限的可能性，來(lái)確切地解決這種在靜力學(xué)上非常不確定的體系以及對(duì)這些體系的三維性能進(jìn)行準(zhǔn)確的靜力分析。

把斜拉橋體系應(yīng)用到橋梁工程中，從而產(chǎn)生了許多具有極佳特征和優(yōu)點(diǎn)的新型橋梁結(jié)構(gòu)，其中最突出的是它們的結(jié)構(gòu)特征、效率和應(yīng)用的廣泛性。斜拉橋的基本結(jié)構(gòu)與它能迅速發(fā)展以及得到成功的理由如下：

斜拉橋是一個(gè)空間體系，由加勁梁、鋼或混凝土橋面和支承部分的受壓橋塔和受斜拉纜組成。斜拉橋按照它的結(jié)構(gòu)性能，介于橋梁和懸索橋之間。

斜拉橋的結(jié)構(gòu)特征是它的加勁梁和預(yù)加應(yīng)力或后加拉應(yīng)力的斜纜結(jié)合起來(lái)的整體性，因?yàn)樾崩|是通過(guò)橋塔頂端向下連到加勁梁的錨固點(diǎn)上的。由于斜纜作用產(chǎn)生的水平壓縮力由加勁梁承受，因而不需要巨大的錨固裝置，這樣，下部結(jié)構(gòu)就比較節(jié)約鋼材。 采用正交異性系統(tǒng)產(chǎn)生了新型的上部結(jié)構(gòu)，它能輕易的承受斜纜的水平拉力而幾乎不需要增加材料，即使對(duì)大跨度橋梁也是如此。

在舊式、傳統(tǒng)的上部結(jié)構(gòu)中，平板、縱梁、橋面托梁和主梁都被視為起獨(dú)立作用的。這種上部結(jié)構(gòu)不適合斜拉橋。但是，使用正交異性橋面，具有巨大截面積的加勁板不僅用作主梁和橫梁的上弦桿，而且還可以用作水平板梁以抵抗風(fēng)力，使現(xiàn)代橋梁比舊式橋梁的抗風(fēng)支撐具有更大的橫向剛度。事實(shí)上，在正交異性體系中，所有的車行道構(gòu)件和上部結(jié)構(gòu)的輔助部分都在主橋體系中起作用，其結(jié)構(gòu)是減低了梁的高度，節(jié)約了鋼材。

這個(gè)體系的另一個(gè)結(jié)構(gòu)特征是在橋梁任何位置承受荷載的情況下其幾何形狀不會(huì)改變，而且所有纜索都處于拉緊的狀態(tài)之下。斜拉橋的這種特征使得它可以用相對(duì)來(lái)說(shuō)比較輕而且柔軟的材料—纜索來(lái)制造。

這種三維橋梁的重要特征是其橫向結(jié)構(gòu)在縱向方面也充分分擔(dān)了主結(jié)構(gòu)的任務(wù)。這意味著這個(gè)結(jié)構(gòu)的慣性矩有了很大的增加，這樣可以降低梁的高度從而節(jié)約鋼材。

正交異性體系使得在橋塔和橋梁主跨中心之間的橋面成為連續(xù)體�？缭蕉鄠�(gè)橋孔的上部結(jié)構(gòu)成為連續(xù)體具有很多優(yōu)點(diǎn)。這實(shí)際上是一座不多的斜拉橋所必需的。

二．橋梁施工方法

一座橋梁的最終造價(jià)是建造橋梁結(jié)構(gòu)物的材料費(fèi)用與這項(xiàng)工程相關(guān)的機(jī)械費(fèi)用和臨時(shí)工程及勞動(dòng)力的費(fèi)用的總和。材料的費(fèi)用能夠被預(yù)算的相當(dāng)準(zhǔn)確的，承包商們借助施工經(jīng)驗(yàn)是能夠估算施工機(jī)械和勞動(dòng)力的費(fèi)用的。但是勞動(dòng)力的費(fèi)用是不能夠精確分析的。最近的一項(xiàng)比較有競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)計(jì)試圖通過(guò)減少臨時(shí)工程和工程的工期來(lái)革新施工方法。

橋梁上部結(jié)構(gòu)比較適宜的施工方法將隨施工場(chǎng)地不同而不同，并主要取決于橋梁的長(zhǎng)度和跨度、橋梁的類型、基礎(chǔ)條件及其所使用的材料。例如：現(xiàn)場(chǎng)澆注混凝土的施工方法適用于40米以下的短跨徑橋梁，如果河床在一年中的大部分時(shí)間是干燥的，那么預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂施工方法在有通航要求的大跨橋梁中是比較合適的�，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是盡可能避免使用臺(tái)架施工，而在最大程度上采用預(yù)制構(gòu)件；另一方面，起重機(jī)、滑拽梁等施工機(jī)械的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。這些都是從對(duì)施工方法的密切關(guān)注甚至是設(shè)計(jì)過(guò)程的密切關(guān)注而取得的巨大收獲，而不是在善于解決永久材料。

小跨度橋梁

當(dāng)橋梁的跨度小于40米左右時(shí)，它的上部結(jié)構(gòu)可以通過(guò)支承在地面上的趾甲施工。其它的施工方法中的梁可以整體預(yù)制，然后利用頂推梁或起重機(jī)架設(shè)。如果這座橋梁是等跨的，在后一種施工方法中，由于架設(shè)設(shè)備而增加的費(fèi)用和由于施工工期短而減少的費(fèi)用之和將會(huì)比前一種施工方法的模板制作費(fèi)用低。

大跨度橋梁

大跨度橋梁經(jīng)常是連續(xù)梁形式或懸臂梁形式的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁。以前許多的施工方法已發(fā)展為連續(xù)梁橋的施工方法。如果模板和地面之間的距離較小并且土質(zhì)堅(jiān)硬，橋梁的上部結(jié)構(gòu)可以使用支架施工方法。不過(guò)這種施工方法已經(jīng)越來(lái)越過(guò)時(shí)了。目前，自由懸臂法和移動(dòng)模架法的應(yīng)用漸廣并能節(jié)省時(shí)間和提高安全性。

移動(dòng)模架法是利用固定在鋼制臺(tái)架上的移動(dòng)系統(tǒng)而形成，這種系統(tǒng)能夠達(dá)到一跨長(zhǎng)并支承在一端支承在橋墩上并借助于第二根鋼導(dǎo)梁逐跨移動(dòng)的鋼梁上。

一種經(jīng)濟(jì)的施工方法是被廣泛知曉的由Baur-leonhard團(tuán)隊(duì)所發(fā)展的使用廣泛的頂推法。整個(gè)的連續(xù)梁被劃分成10-30米長(zhǎng)度的節(jié)段，這種劃分主要依據(jù)跨徑和能夠利用

的施工時(shí)間。每個(gè)節(jié)段在橋臺(tái)后面的鋼模上能夠快速澆注，鋼模可以周轉(zhuǎn)使用而澆注所有的節(jié)段。這樣設(shè)計(jì)模板是為了能夠橫向移動(dòng)或在鉸上轉(zhuǎn)動(dòng)，以便在混凝土充分硬化后脫模。在第一節(jié)段的頂端安裝上一個(gè)由輕型桁架組成的鋼導(dǎo)梁，以實(shí)現(xiàn)第一節(jié)段以后的節(jié)段順利架設(shè)而防止在施工出現(xiàn)過(guò)大的懸臂部分。第二節(jié)段及以后的節(jié)段可以直接在第一節(jié)段的硬化面上澆注并在施工過(guò)程中將節(jié)段連接起來(lái)。頂推是通過(guò)支承在橋臺(tái)上的液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)的，由于聚四氟乙烯的滑塊的摩擦系數(shù)只有0.02，低效能的千斤頂就足夠完成長(zhǎng)度甚至達(dá)數(shù)百米的橋梁的頂推。這種方法可以應(yīng)用在長(zhǎng)度在120米左右的直線橋梁或曲線橋梁上。

自由懸臂法是由法國(guó)的Dyckerhoff和Willmann所創(chuàng)始。這種施工方法中，橋梁的上部結(jié)構(gòu)是通過(guò)節(jié)段長(zhǎng)度基本在3.5米的懸臂機(jī)上施工，懸臂機(jī)的費(fèi)用相對(duì)比較低并且固定在橋梁承重結(jié)構(gòu)上，由于它的重復(fù)利用性使它能在長(zhǎng)橋上使用。由于施工速度的加快和時(shí)間的節(jié)省使得這種施工方法的費(fèi)用比較低從而避免了使用臺(tái)架施工，自由懸臂法比較適用于橋墩較高并且懸臂能伸到跨徑中部的橋梁上。

另一種施工方法是整體沉箱法。沉箱是一種底邊有刃腳的大型圓筒，其刃腳可以切入水底。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入沉箱內(nèi)部時(shí)水就會(huì)被排出。沉箱的利用必須嚴(yán)加注意。首先，工人們只能在這種壓縮空氣的空間里呆很短的時(shí)間；另一方面，如果工人們從沉箱進(jìn)入正常的大氣壓條件下過(guò)于迅速，他們將比較容易患上潛水病（也被稱作沉箱�。�，這在能使人致殘的甚至致命的環(huán)境中由于血液中氧氣過(guò)多所引起的一種病。

當(dāng)St.louis市的密西西比河Eads上的橋在1867-1874年施工時(shí)，由于人們對(duì)在壓縮空氣中工作的危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)不足，最后由于患潛水病而導(dǎo)致14人死亡。

當(dāng)在橋墩上有外力作用時(shí)，基樁經(jīng)常需要嵌入基巖，也就是說(shuō)它們的下部一直延伸到基巖。這種方法曾經(jīng)用來(lái)建造位于強(qiáng)風(fēng)和地震區(qū)域的舊金山金門大橋的橋墩。鉆孔是在水下由深水潛水員進(jìn)行的。

在不能到達(dá)基巖的地方，樁通常被打進(jìn)河床。今天，在施工的基樁基本上是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。在建造紐約哈德遜河上的泰平.吉橋時(shí)所采用的一種巧妙技術(shù)是將一個(gè)空心混凝土箱置于橋樁層上，當(dāng)它里面的水被抽干時(shí)，它的浮力足夠支承橋梁重力的一大部分。

每一種類型的橋梁實(shí)際上代表了特殊的問題。許多桁架橋的施工是先將橋上桁架運(yùn)到已施工完畢的基樁位置，然后再利用千斤頂或起重機(jī)架設(shè)到適當(dāng)位置。拱橋是在腳手架或臨時(shí)腳手架上施工的，這種方法通常用于預(yù)應(yīng)力混凝土拱橋。然而對(duì)鋼拱橋來(lái)說(shuō)已發(fā)展了一種技術(shù)，用這種技術(shù)將已裝好的部分借助起支承作用的鋼索控制就位（鋼拱在安裝過(guò)程中還沒有合攏前，是兩個(gè)懸臂，需要用鋼索拉住兩個(gè)懸臂以免傾倒）。當(dāng)鋼索中的拉力增加時(shí)，起重機(jī)就沿著拱橋的頂部移動(dòng)以架設(shè)新的鋼拱。

對(duì)懸索橋來(lái)說(shuō)，需要首先施工基礎(chǔ)和索塔。這時(shí)鋼索從錨碇（一個(gè)固定鋼索的大混

凝土塊）穿過(guò)直至索塔并且通過(guò)另一索塔而錨固在錨碇上，然后從卷線盤上放松鋼索的輪子沿著鋼索運(yùn)動(dòng)，當(dāng)卷線盤到達(dá)另一面時(shí)，另一根鋼絲又裝進(jìn)卷線盤并最終到達(dá)它的原位置。當(dāng)所有的鋼索被放在固定的位置后，另一臺(tái)機(jī)器沿著鋼索移動(dòng)并對(duì)其進(jìn)行張拉錨固。當(dāng)鋼索施工完畢時(shí)，逐漸開始在支架上從兩端向中間施工。

在橋梁下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要考慮的荷載包括：從上部結(jié)構(gòu)傳下來(lái)的荷載和直接作用于下部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)的荷載。

AASHTO荷載。 AASHTO規(guī)范第三部分總結(jié)了橋梁設(shè)計(jì)（上、下部結(jié)構(gòu)）要考慮的荷載和作用力。主要有：恒載、活載、活載沖擊力或動(dòng)力作用、風(fēng)荷載以及其他荷載——如縱向力、離心力、溫度力、土壓力、浮力、收縮及徐變、拱肋縮短、安裝應(yīng)力、冰及水流壓力、沖撞力及地震應(yīng)力。除了這些通常能夠量化大的典型荷載外，AASHTO同樣認(rèn)識(shí)到諸如活動(dòng)支座處產(chǎn)生的摩擦以及由于橋梁的沉降差而產(chǎn)生的應(yīng)力等間接荷載效應(yīng)。

LRFD規(guī)范將荷載按不同的方式劃分為兩種：永久作用和可變作用。

永久作用

荷載：包括所有橋梁構(gòu)件、器件及輔助設(shè)備、道路面層的凈重及未來(lái)鋪裝重量、填土恒載。AASHTO及LRFD規(guī)范都給出了表格，總結(jié)了橋梁工程重常用的單位重量。

可變作用

汽車荷載 小跨度橋梁的汽車荷載：美國(guó)和加拿大已致力于發(fā)展一種比H或HS AASHTO模型更實(shí)際的代表高速公路活荷載的模型。到目前為止，AASHTO模型仍被廣泛采用。

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