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科普百科 | 梁桥回眸

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龙行天下 发表于 2017-12-12 05:51:10 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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钢铁板梁桥和箱梁桥
众所周知,英国铁桥(Iron Bridge)建成于1779年,是世界上第一座铸铁桥;美国伊兹桥(Eads Bridge)建成于1874年,是世界上第一座钢桥。不过,有资料表明,荷兰1867年建成(1982年被替换)的屈伦博赫(Culemborg)铁路桥(桁梁,跨度154.4m),也是钢桥。大体上讲,从铁桥到钢桥,时间跨度约百年。在这百年间,建造了较多的铸铁桥和熟铁桥。现存的铸铁桥,几乎无一例外都是拱桥;对于熟铁桥而言,除了拱结构外,还有不少桁架梁结构和极个别的管箱梁结构。与大跨度的拱桥和桁架梁桥相比,中小跨度的钢铁板梁桥实在不起眼。因此,今天也很难找到这类桥梁的早期信息。不过,从英国早年水道建设和铁路建设中,还可一窥端倪。文献记载的最早的铸铁板梁结构,是英国著名的土木工程师托马斯·特尔福德(Thomas Telford, 1757–1834)建造的Longdon upon Tern(村名)水道桥(图1)。这桥建成于1797年(1944年弃用),长57m,宽2.7m,梁高0.91m,跨度14.5m;铸铁结构采用槽型梁形式,板件之间的连接采用熟铁螺栓。
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图1  英国Longdon upon Tern水道桥(1797-1944)在18世纪和19世纪之交,英国建造了一些梁式和拱式的铸铁水道桥,其中规模最大的是特尔福德在1805年建成的庞特卡萨斯特(Pontcysyllte)高架水道(图2,世界文化遗产)。桥跨为铸铁的槽型梁与实腹拱的组合,19孔,跨度13.7m,总长307m。可以认为,铸铁水道桥的建设,为接下来的铁路板梁桥发展积累了一定的工程经验。
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图2  英国Pontcysyllte水道桥(1805- )在铁路中,最早建设的铁桥就是梁桥。1825年,乔治·斯蒂芬森(George  Stephenson, 1781-1848)主持建造了冈勒斯(gaunless)河桥,见图3。这桥位于世界上第一条采用蒸汽机车的斯托克顿-达林顿铁路的一条支线(1901年弃用)上。结构采用特别的透镜式桁架,其由上下两条“曲梁”及立柱组成,立柱顶上铺设木板形成桥面,最大跨度3.78m。所用材料为熟铁和铸铁,熟铁用于“曲梁”,铸铁用于立柱和管形桥墩。
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图3  英国冈勒斯河铁路桥(1825-1901)另一座(因事故而出名的)铁梁桥,就是罗伯特·斯蒂芬森(1803-1859,乔治·斯蒂芬森之子)设计的迪河(Dee)桥,1846年11月建成,见图4。这桥位于一条双线铁路上,分跨3×29.9m,每跨设置三片并列的铸铁板梁,每片梁由三段榫接而成,再在全跨内设置熟铁拉杆用以加劲。1847年5月,一列客车过桥时一片板梁突然断裂,列车落于水中,造成5死9伤的事故。这一桥梁事故,暴露出用熟铁拉杆加劲铸铁梁的弱点(当时采用这样的构造,估计是因为铸铁便宜而熟铁昂贵),也表现出在“疯狂的铁路时代”(后来英国人对19世纪中期铁路飞速发展的描述),桥梁建设普遍缺乏科学指导、各类事故时常发生的现状。

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图4  英国迪河铁路桥事故(1846-1847)可以合理判断,铸铁板梁桥萌芽于18世纪末期,不过,当采用铸铁建造动载更大的铁路梁桥时,材料的局限性就暴露无遗了。从19世纪下半叶开始,熟铁逐步取代铸铁用于铁路桥,同时也催生了铆接技术(因熟铁需要轧制和加工拼接,不能像铸铁那样铸造出大尺寸构件)。到钢材问世、尤其是转炉炼钢法(1857年英国发明家贝塞麦获得的专利,其可大幅提高钢的产量和品质)得到推广以后,熟铁自然就被钢材取而代之了。举一个例子。图5所示的美国宾州金祖阿(Kinzua)桥,为一单线铁路高架桥,长625m,始建于1882年。先是采用熟铁桁架梁结构,1900年改为钢板梁结构。1959年,铁路停运,当地政府将桥和周边土地买下,改为州桥梁公园。1986年开通铁路旅游线路,2002年关闭桥梁拟开展维修加固。2003年7月,一场由中尺度对流系统诱发的龙卷风(时速151 km/h,F1级)将桥大部摧毁。2011年,残留的桥跨经整修后向游人开放。

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图5  美国宾州Kinzua高架桥(1882-2002)把话题转回来。尽管迪河桥事故让罗伯特·斯蒂芬森遭受严重质疑,但似乎并没有拖累到他建造大跨度铁路桥的步伐。1846年,他设计的一座系杆拱桥和两座管箱梁桥同时开工建设。1849年,他设计的高桥(High level bridge)建成。这是位于英格兰泰恩河上的一座公铁两用桥(双线铁路,铁路桥面在上,公路桥面在下),采用双层桥面的系杆拱(拱结构采用铸铁),主跨6×38.1m,桥宽12.2m,是英国一级保护建筑,现仍服役。1846年开工的另两座熟铁管箱梁铁路桥,一座是大名鼎鼎的不列颠桥,1850年建成,1970年遭火灾后改建(参见“亚东桥话13”)。另一座则是默默无闻的康威(Conwy)桥(图6),1848建成。该桥早于不列颠桥问世,构造形式与不列颠桥类似(由两个管箱并列而成),跨度125m(1899年通过添加铸铁支墩予以补强),至今仍在服役。这两座管箱梁桥的建设(尤其是通过加劲肋来提高板的稳定性的做法),对后续的钢板梁和钢箱梁桥的发展,提供了有用借鉴。

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图6  英国康威铁路桥(1848- )因列车从箱中穿过,这样的管箱桥可看作为“下承式”箱梁桥。1986年,前苏联建成了新西伯利亚地铁专用桥(钢梁桥,主桥长896m,分跨7×128m),也采用了这种型式。当然,从今天的技术角度看,这样的方式限制了箱梁的优化设计,不尽合理。把“下承式”箱梁桥改为“上承式”箱梁桥,是百年以后的事了。1950年前后,二战后的德国(原西德)在城市桥梁重建过程中,开始建设钢箱梁桥,并由此发展出正交异性钢桥面板构造。第一座钢箱梁桥,是雷昂哈特设计的德国科隆道依泽尔(Deutzer)桥,公轨(有轨电车)两用,1948建成,见图7。在这个桥位处修建的第一座桥,是一座自锚式链杆式悬索桥,建于1913-1915年,其在1945年的修复过程中垮塌。重建的钢箱梁桥利用原有桥墩,采用变截面连续梁、铆焊并用的构造;分跨132-184.4-121m,桥宽20.6m,用钢量仅为老桥的61%。1980年,紧邻钢桥再扩建了一座预应力混凝土箱梁桥,其跨度、梁高等尺寸与钢桥相同,桥宽12m。
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图7  德国科隆道依泽尔桥(1948- )最早采用正交异性桥面板构造的是德国曼海姆的库法尔茨(Kurpfalz)桥。这是一座变截面钢板梁桥,分跨56.1-74.8-56.1m,桥宽28m,公轨两用,建成于1950年。仅仅一年之后,德国建成红衣主教弗林斯(Cardinal Frings)桥,见图8。该桥在诺伊斯和杜塞尔多夫之间跨越莱茵河,主跨206m,用以替代一座1929年建成的悬臂钢桁梁桥。该桥是世界上第一座跨度超过200m、采用正交异性桥面板的钢箱连续梁桥,也是德国早期的焊接钢桥。
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图8  德国弗林斯桥(1951- )接下来的几十年内,德国、巴西、塞尔维亚、日本等国家建造了一些跨度在200-300m之间的大跨度钢箱梁桥,如德国的动物园桥(主跨259m,1966),前南斯拉夫的布兰科桥(主跨261m,1956,1979),巴西的里约-尼泰罗伊桥(主跨300m,1973),日本的海田大桥(主跨250m,1991)等。值得一提的是,布兰科桥由两座钢梁桥并列而成。一座建于1956年,采用钢板梁构造;一座建于1979年,采用钢箱梁构造。
混凝土肋梁桥和箱梁桥19世纪20-30年代,波特兰水泥(即普通硅酸盐水泥)问世,随即得到大量生产和应用。波特兰水泥是由英国制造商约瑟夫·阿斯平丁(Joseph Aspdin)父子发明的,因这水泥硬结后的颜色和强度与英国波特兰岛(Isle of Portland)上的石灰岩相近,故如此称呼。最早应用波特兰水泥的大型工程,是伦敦泰晤士河隧道。将混凝土用于桥梁,最早出现在法国。1812-1824年,法国工程师路易·维卡(Louis Vicat,1786-1861)采用自行研制的水泥拌制混凝土,建造了跨越多尔多涅河的苏亚克(Souillac)石拱桥(7×22m)的桥墩基础。自然,没有钢筋的帮助,混凝土材料难以用于梁桥。法国花匠约瑟夫·莫尼尔(Joseph Monier,1823-1906)被认为是钢筋混凝土的主要发明者。1849年,他将铁丝布置在混凝土中来制作花盆,用以解决混凝土抗拉强度低的问题。1853年,法国实业家弗朗索瓦·凯歌涅(François Coignet)建造出世界上第一座钢筋混凝土建筑。1873年,莫尼尔获得钢筋混凝土桥(一说是拱桥)的专利,采用这一专利,1875年建成了沙泽勒(Chazelet)人行桥(跨度16.5m,宽4.0m)。在美国,1884年工程师埃内斯特·兰塞姆(Ernest Ransome)获得了类似于今天的螺纹钢筋的扭曲钢筋专利,并于1889年在旧金山金门公园内建成北美第一座钢筋混凝土桥。这桥名为艾尔沃特湖(Alvord Lake)桥,桥宽19.5m,跨度8.8m,框架结构。参见图9。1892年,法国工程师弗朗索瓦·因内比克(François Hennebique,1842-1921)获得了钢筋混凝土体系(带肋板、矩形梁、箱形截面梁等,可组合成结构)专利,推动了钢筋混凝土结构(包括桥梁)的快速发展和广泛应用。

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图9  早期的钢筋混凝土建筑与梁桥到20世纪初期,中小跨度的钢筋混凝土板梁、T梁、Π梁等桥梁形式已得到普遍应用,并尝试向更大跨度发展。1930年,巴西建成主跨68.50m的钢筋混凝土连续梁桥,第一次采用悬臂浇筑方法施工(参见 “亚东桥话2”)。1939年,法国在塞纳河上建成新城圣乔治(Villeneuve-Saint-Georges)钢筋混凝土连续箱梁桥,分跨41.0+78.2+41.0m;1940年遭爆炸毁坏,1950年重建为一座预应力混凝土悬臂箱梁桥,箱内布置有可调控的体外预应力钢筋,见图10。法国栋泽尔-蒙德拉贡(Donzère-Mondragon)运河桥,分跨79.5+100+79.5m,1950年建成,是跨度最大的钢筋混凝土连续梁桥。20世纪50年代,随着预应力混凝土梁桥及悬臂施工方法的兴起,钢筋混凝土梁桥回归到了中小跨度领域。

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图10  法国新城圣乔治桥几乎就在钢筋混凝土结构开始应用的同时,就有人开始研究预应力混凝土了。1886年美国工程师Peter H. Jackson和1888年德国工程师C. F. Doehring申请了预应力混凝土的专利。之后的几十年内,欧洲和美国的一些工程师持续开展预应力混凝土的实践。囿于当时没有认识到混凝土的收缩徐变对预加应力的影响,也没有高强度低松弛钢筋,这些早期的尝试并不成功。直到1928年,法国工程师弗雷西奈(E. Freyssinet,1879-1962)基于自己在混凝土桥梁设计施工中积累的经验,提出了采用高强钢材和高强混凝土以减少预应力损失的观点,由此拉开了现代预应力混凝土的序幕。到20世纪60年代,林同炎先生提出的“荷载平衡法”简化了预应力混凝土结构的设计,促进了预应力混凝土在世界范围内的快速发展和普遍应用。20世纪40年代,预应力混凝土肋梁桥的应用就比较普遍了,也开始尝试箱梁桥(稍早于钢箱梁桥)。1937年,德国采用支架法建成奥厄(Aue)车站跨线桥。主桥是一座三跨预应力混凝土公路桥,主跨69m,其跨中31.5m长的 T梁搁置在两端长18.75m的悬臂箱梁上,并布置体外无粘结预应力索(见图11);但是,这桥使用效果不佳,后增设支墩处理,1995年后重建。

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图11  德国奥厄车站跨线桥(1937-1995)1946年,法国建成吕藏西(Luzancy)桥,由弗雷西奈设计。这桥采用刚架结构,跨度55m,宽8m,由3片箱梁并列而成;每片箱梁分节段预制,通过穿束张拉将梁段串連成整体;施工时先借助吊架拼装梁端部分,然后采用临时塔和扣索,架设中间长39m、重40t的梁段。见图12。1949-50年间,采用同样的构造和跨度尺寸,弗雷西奈还设计了其他5座桥。

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图12  法国吕藏西桥(1946- )1950年,德国建成的Gänstor公路桥,其将预应力混凝土刚架桥的跨度提升到82.4m。同一年,比利时建成斯克雷(Sclayn)桥,这是一座两跨预应力混凝土连续箱梁桥,分跨2×62.7m,布设体外预应力,采用支架施工。1951年,美国宾州建成Walnut Lane纪念桥,跨度48.8m,是美国最早建成的预应力混凝土肋梁桥的代表。接下来,悬臂施工技术(参见 “亚东桥话2”)、预应力技术和高强材料的发展,推动了连续梁、悬臂梁、T形刚构和连续刚构等各类预应力混凝土梁式桥向更大跨度迈进。与此相关的资料信息较为丰富,这里就不举例赘述了。(未完待续)

转自:西南交大桥梁公众号作者:李亚东

               
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