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现代桥梁工程60年

2012-3-30 10:06| 发布者: lansebeiai| 查看: 4326| 评论: 0

摘要: 现代桥梁工程60年文/项海帆 肖汝诚 近代土木工程从17世纪中叶到20世纪中叶的约300年间,经历了最初的“奠基时期”(1660-1765年)和以英国工业革命为标志的“进步时期”(1765-1900年),以及第一次世界大战前后包括3 ...
现代桥梁工程60年
文/项海帆  肖汝诚

        近代土木工程从17世纪中叶到20世纪中叶的约300年间,经历了最初的“奠基时期”(1660-1765年)和以英国工业革命为标志的“进步时期”(1765-1900年),以及第一次世界大战前后包括30年代大发展的“成熟时期”(1900-1945年),完成了近代土木工程的发展,进入了以计算机和信息技术为标志的现代土木工程新时期,相应地,也开始了现代桥梁工程的发展阶段。
        第二次世界大战结束后,世界进入了相对和平的建设时期。经过一段时间的战后恢复期,欧美各国于50年代陆续开始实施高速公路建设和城市化的计划,出现了许多作为现代桥梁工程标志的创新技术,其中预应力技术及有关的施工方法、斜拉桥的复兴以及流线形扁平钢箱梁悬索桥的问世,是战后现代桥梁工程的三项最重要的标志性成就,它们分别由法国、德国和英国的著名工程师及学者所发明和创造,大大推进了现代桥梁工程的飞速发展。

现代桥梁工程的主要创新技术
创新桥型和体系

(1) 斜拉桥,德国Dischinger,瑞典Str•msund桥,1956年
(2) 带挂孔混凝土斜拉桥,意大利Morandi,委内瑞拉Maracaibo桥,1962年
(3) 提篮拱桥,德国Leonhardt,Fehmamsund海峡桥,1963年
(4) 流线形箱梁悬索桥,英国GiIbert Roberts,Severn桥,1966年
(5) 密索体系斜拉桥,德国Homberg,Friedrich Ebert桥,1967年
(6) 无风撑拱桥及斜拉桥,考虑非保向力效应的稳定理论,德国Knie莱茵河桥,1969年
(7) 混合桥面斜拉桥,德国Leonhardt,Kurt Schumacher桥,1971年
(8) 悬带桥,美国T.Y.Lin国际,哥斯达黎加科罗拉多桥,1972年
(9) 脊骨梁桥,美国T.Y.Lin国际,旧金山机场高架桥,1973年
(10) 倾斜索面斜拉桥,德国K  hlbrand桥,1973年
(11) 单索面混凝土斜拉桥,法国Müller,Brottone桥,1977年
(12) 连续刚构桥,瑞士Menn,Figire桥,1979年
(13) 矮塔斜拉桥,瑞士Menn,Ganter桥,1980年
(14) 斜拉一刚构协作体系,德国Leonhardt公司Svensson,E.Huntington桥,1985年
(15) 用波折钢板做腹板的结合梁桥,法国Maupre桥,1987年
(16) 无背索斜拉桥,西班牙Galatrava,Alamillo桥,1992年
(17) 斜拉一悬索协作体系,英国 Flint-Neil公司,印度尼西亚巴厘(Bali)海峡大桥方案,1997(尚未建)

新材料及连接技术
(1) 高性能钢材HPS-460-700-1100(中国Q345-370-420),德、美等国,20世纪50~90年代
(2) 高性能混凝土HPC-80-100-130-150(中国C40-50-60),法、德、美等国,50~90年代
(3) 高强螺栓连接,美、德等国,金门大桥的加固中首次采用,1951年
(4) 粗钢筋锚Dywidag,德国DSL公司,Worms桥,1953年
(5) 封闭索(Lock-coil),德国,早期斜拉桥使用,Str  msund桥,1955年
(6) VSL夹片锚,瑞士VSL公司,1958年
(7) 钢绞线群锚,法国Müller,Brottone桥,1977年
(8) HiAm冷铸镦头锚,德国Leonhardt,Flehe桥,1979年
(9)PE护套平行钢丝成品索,日本新日铁公司,名港西大桥,1983年
(10)FRP复合材料,瑞士、德、美、日,20世纪70~90年代
(11)大行程伸缩缝,瑞士、德国,日本明石海峡桥,20世纪70~90年代
(12)碳纤维拉索,瑞士、日本,20世纪90年代
(13)组合结构新型剪力器(PBL),德国Leonhardt,日本鹤见航道桥,1994年
(14)超高强钢丝,1860~2000年(中国1600~1770年),日本新日铁公司,明石海峡大桥,1998年

创新结构构造及附属设备
(1)各向异性钢桥面,德国Leonhardt,Koeln-Mannheim桥,1948年
(2)大直径钻孔灌注桩基础,意大利Morandi,委内瑞拉Maracaibo桥,1962年
(3)软土地基摩擦锚碇,丹麦,小海带桥,1970年
(4)分体箱桥面抗风构造,英国Brown,20世纪80年代
(5)桥梁纵向缓冲装置,美、英,20世纪90年代
(6)悬索桥主缆除湿装置,日本,明石海峡大桥,1998年
(7)全装配式三向预应力桥,法国JMI国际公司,泰国曼谷机场高架路,1999年
(8)加筋土隔震基础,法国Combault,希腊Rion-Antirion桥,2003年
(9)剪力键抗震塔柱,美国T.Y.Lin国际公司邓文中,旧金山新海湾大桥,2007年

创新工法及装备
(1)挂篮悬浇工法,德国Finsterwalder,Worms莱茵河桥,1953年
(2)斜拉桥施工控制的 “倒退分析法”,德国Leonhardt,Theodor Heuss桥,1957年
(3)顶推法,德国Leonhardt,奥地利阿格尔桥,1959年
(4) 移动模架现浇法,德国勒沃库森(Lever Ku Sen)桥,1959年
(5)移动托架拼装法,德国Wittfoht,Krahnenberg桥,1961年
(6)预制节段架桥机拼装法,法国Müller,Oleron高架桥,1964年
(7)前置式轻型挂篮悬浇法,美国T.Y.Lin国际公司邓文中,Dames Point桥,1988年
(8)悬索桥主缆PPWS法,日本,南备赞桥,1988年
(9) 整体化大型浮吊安装,9000t大天鹅号浮吊, 丹麦瑞典联合建造厄勒松海峡大桥,2000年
(10) 连续斜拉桥顶推施工,法国Virlogeux,Millau桥,2004年

创新理论及分析方法
◆  计算机技术和有限元分析理论
1946年世界上第一台电子计算机“埃尼阿克”(ENIAC)诞生,1981年世界上第一台个人电脑问世,电子计算机的应用大大促进了人类文明的进步。1943年,Courant首先用了单元概念;1945-1955年,Argyris发展了结构矩阵分析;1956年,Clough将结构矩阵分析思路引入弹性力学分析,并于1960年首先提出“有限元法”的名称,并在20世纪60年代逐步形成和完善。一大批数学家、力学家和工程师在这一领域内做出了重要贡献。
◆ 桥梁设计分析软件
        有限元分析理论与计算机技术的发展为设计分析软件的研发奠定了基础,20世纪70年代,逐步出现了许多大型商用软件(下表),有限元法开始逐步应用于桥梁设计分析。
◆ 抗震理论
        20世纪初,旧金山和关东大地震两次灾难引起了工程界对结构抗震研究的重视。工程界在地震基础理论、强震记录、模型试验、分析理论方面开展了基础性研究工作。1940年后,结构抗震研究进入迅速发展时期。1943年,Biot发表了以实际地震记录求得的加速度反应谱; 50~70年代,以美国Housner、Newmark、Clough和日本武藤清为代表的一批学者进行了结构弹性和弹塑性动力反应时程分析方面的研究工作,奠定了现代反应谱抗震设计理论的基础;70年代Newmark、Park、Paulay等提出抗震结构延性设计概念;90年代中期,美国、日本学者先后提出了基于性能的抗震设计方法。
◆ 抗风理论
        1940年塔科马悬索桥在低风速下发生的风毁事故开启了全面研究大跨度桥梁风致振动和气动弹性理论的序幕,美国T. Van Karman等开展了桥梁模型风洞试验。抗风理论研究从20世纪60年代逐步形成和完善。Davenport提出采用统计数学的方法来进行风工程研究,创造性地解决了随机抖振问题,并将风效应表示成等效风荷载形式;Scanlan建立了桥梁颤振理论和考虑颤振作用力的颤抖振理论;90年代计算流体力学有了显著进步,目前已能解决均匀流、简单形体、低雷诺数下的数值模拟计算问题。
◆ 非线性及稳定理论
        19世纪末,科学家发现固体力学线性理论在许多情况下并不适用,开始了对非线性力学问题的研究。1888年,Melan首次提出挠度理论并应用于悬索桥分析;20世纪中,奠定了非线性力学的理论基础; 1959年,Newmark首先提出了求解非线性动力问题的Newmark-β法;20世纪60年代初,Turner、Brotton等开始发表求解结构大位移、初应力问题的研究成果。60年代末,有限元法与计算机相结合,使工程中的非线性问题逐步得以解决。
在稳定方面, 欧拉(L.Eular) 1744年提出了压杆稳定的著名公式;恩格塞(Engesser)和卡门(Karman)等根据大量中长压杆在压曲前已超出弹性极限的事实,分别提出了切线模量理论和折算模量理论。20世纪80年代起,逐渐建立起了空间弹塑性稳定理论。
◆ 健康监测及振动控制理论
        1969年,Lifshitz和Rotem所写的论文被视为阐述通过动力响应监测评估结构健康状态的现代结构健康监测理念的第一篇论文;1987年起,英国在总长522m的三跨连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器,监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应,该系统是最早安装的较为完整的健康监测系统之一。
20世纪60年代,线性系统理论、现代控制理论的进展为结构主动振动控制奠定了理论基础;1972年姚治平结合现代控制理论,提出了土木工程结构振动控制的概念;开创了结构振动主动控制研究的新阶段; 1973年加拿大多伦多电视塔首次安装了被动控制式的调谐质量阻尼器(TMD);1989年日本东京京桥成和大楼第一次采用了主动控制式的主动质量阻尼器(AMD)。结构控制研究经历了被动控制及主动控制理论研究、主动控制装置应用研究等阶段。
◆ 车桥耦合振动及船撞理论
        20世纪初,克里洛夫、铁摩辛柯(Timoshenko)等人用解析法开展了移动常量力过桥时桥梁动力响应的研究,随后夏仑开普(A.Schalenkamp)、英格利斯(Inglis)、毕格斯(Bigggs)等人进一步研究了移动质量和弹簧质量模型过桥的桥梁动力响应,这些研究可统称之为古典车桥振动理论。60年代后,有限元理论的出现和计算机的逐步广泛应用以及西欧一些国家相继开始了高速铁路的修建,使车桥耦合振动理论和试验迅速发展,现代车桥振动研究计算模型更加精细逼真,计算理论从平面转向空间发展,车桥之间的动力相互作用和耦合关系得到较为深入的研究,分析的桥型也从过去梁桥扩展到拱桥、斜拉桥、悬索桥等复杂桥型。研究成果已开始应用于高速铁路桥梁的设计以及桥梁规范相关条文的制定。
船撞桥问题的系统研究始于20世纪80年代,IABSE、AASHTO、Eurocode等组织或规范中已经制定了专门的设计规范或指南,国内外多座大型桥梁中也实施了各式各样的防撞设施。但目前该领域研究还不成熟,研究集中在设计思想、防护策略、船撞力计算及防护设施设计等方面。
◆ 耐久性分析理论
        1960~1970年,混凝土的耐久性问题被发现,成为世界瞩目的问题。Holland于1993年对耐久性给出如下定义:在正常维护条件下,经过一段时间,材料和结构的承载能力和使用性能没有发生大的变化的能力。国内一般定义为:结构在设计要求的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。近年来,耐久性方面的研究在材料层次主要集中在大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀问题研究方面,在构件层次主要集中在锈蚀钢筋混凝土构件的受力性能研究方面,在结构层次主要集中在调查、评估等方法方面。目前该领域内的研究热点包括耐久性计算机数值模拟分析系统、耐久性基础试验、基于全寿命的混凝土桥梁设计方法等方面。

现代桥梁工程的未来
        1945年二战结束,标志着以IT技术和计算机应用为特征的现代桥梁工程的开始,至今我们已经经历了第一个60年。从前面介绍的60年来现代桥梁工程的约60项创新技术可以看出,和战前相比,现代桥梁技术有了巨大的进步,其中高性能材料、有限元法及计算机分析软件、施工工法及大型自动化施工装备等方面的创新,显示出现代桥梁的设计更为精细,施工更为优质和高效,养护管理的监测技术也日益先进。
        在20世纪的最后10年中,有许多国际桥梁会议都以展望21世纪作为主题。2006年6月,美国土木工程师学会(ASCE)在弗吉尼亚州兰德斯敦市举行了一次“土木工程未来峰会”,形成了一份展望“2025年的土木工程”的报告。会议文件呼吁全世界土木工程同行一起努力采取行动,为21世纪初期的土木工程创造一个更为美好的明天。
        桥梁工程是土木工程的重要分支学科,我们是否也可以仿照近代土木工程的分期认为:从1945~1980年是现代桥梁工程的奠基时期;1980~2010年是进步时期,上世纪50~70年代创造的许多新技术在世纪末20年的跨海工程和超大跨度桥梁的冲刺中得到了充分的应用和发展;2010年后,现代桥梁工程将进入成熟期,在这一发展的转折时刻,我们也需要展望一下桥梁工程师在今后20年的行动目标和肩负的重要使命。

桥梁工程的使命和任务
        报告说:“土木工程师肩负着创造可持续发展世界和提高全球生活质量的神圣使命。”可见,“可持续发展”和“提高生活质量”是21世纪两个重要的命题,也是过去60年所暴露的主要问题和面临的挑战。因此我们的任务可归纳为以下几个方面:
(1) 桥梁工程师不仅是项目的规划者、设计者和建造者,还应当是全寿命的经营者和维护者;
(2) 桥梁工程师应当具有可持续发展的理念,成为自然环境的保护者和节约资源和能源的倡导者;
(3) 桥梁工程师应当参与基础设施建设的决策,并通过不断的创新建造优质和耐久的工程,成为提高人民生活质量的积极推动者;
(4) 桥梁工程师应当成为人们免遭自然灾害、突发事件、工程事故和其他风险的护卫者;
(5) 最后,桥梁工程师还应当具有团队合作精神和职业道德,成为抵制各种腐败现象的模范执行者。

桥梁工程的研究与发展
        为了实现上述使命和任务,桥梁工程界必须依靠科学技术发展的最新成就,并通过持续的研究和发展(R&D)工作,不断改进现有的技术,创造和发明更先进的技术,克服存在的缺点,解决出现的新问题,以迎接21世纪更大的挑战。重点的研究领域有以下五个方面
        (1) 材料性能的提高是桥梁工程不断进步的重要原动力。现代桥梁工程仍以钢材和混凝土为主要建筑材料。过去的60年间,钢材从S343发展到S1100,混凝土从C300发展到C150, 有了长足的进步。各种轻质高强复合材料和智能材料已在桥梁工程中得到应用 在可以预见的未来,纳米技术和生物技术可能成为21世纪技术革新的重要动力,并不断进入桥梁工程的应用领域。成为新一代建筑材料的载体。
        (2) IT技术和计算机处理能力的提高以及相应结构分析软件的不断进步,将使桥梁设计日益精细化,为实现仿真数值模拟和 "虚拟现实"  (VR)技术创造了条件。因此,大力开展有关桥梁工程的概念设计、结构设计、施工控制、健康监测、养护管理等方面的先进理论和方法研究,并研发相应的软件和数据库技术,是十分重要的研究领域。
        (3) 智能监测设备 (传感器、诊断监测仪、便携式计算机)以及大型智能机器人施工设备的创造发明,将使桥梁的施工、管理、监测、养护、维修等一系列现场工作实现自动化和远程管理。我国的装备工业还比较落后,大型施工设备、先进测试仪器和精密传感器都依赖进口,我们应当大力开展这一硬件领域的研发工作,逐步加强这一方面的投入,摆脱对外的依赖。
        (4) 自然灾害和恐怖主义威胁,使未来的世界环境存在高风险性。我国国家自然科学基金会最近启动的关于“重大工程动力灾变”的重大研究计划将有助于降低风险,保证人民生活的安全,也是提高人民生活质量的重要方面。此外,对于风险评估和提高结构耐久性的研究也应该受到重视,以保障重大工程的正常使用寿命。
        (5) 最后,规范和标准的制定也是反映一个国家建设水平的重要标志。在容许应力法(1923~1963年)、极限状态法(1963~2003年)之后,发达国家已开始致力于基于性能的设计规范 (Performance-Based Design Code) 的制定,以提高基础设施的建设水平。制定这一新的建立在全寿命设计和可持续发展理念上的基于性能的设计规范和标准,应当是我们在21世纪初期的最重要的任务之一,以跟上世界土木工程的潮流。

结语
        回顾现代桥梁工程走过的60年,许多桥梁新体系、新结构、新材料、新工法以及新的理论和分析方法的创造和发明,使现代桥梁工程呈现出完全不同于近代桥梁工程的崭新面貌。现代桥梁工程的价值源于创新精神。随着新工法的出现和相应施工装备的不断升级换代,使桥梁施工也日益精确、轻便、自动控制,更少依赖人工操作,从而使工程质量更好、更耐久,又推动材料不断向高性能发展。可以说,现代桥梁工程的质量和耐久源于装备的不断创新。我们必须加强质量观念,依靠先进的装备来控制工程质量,大大减少对人力的依赖。
        桥梁工程师还应当不断提高美学素养,掌握美学设计的方法,提倡和建筑师合作,在设计中创造出优美的桥梁,以满足人们对桥梁的审美要求。然而,美观并不是靠多花钱,而是通过寻找结构的比例、平衡与和谐,趋向最合理的受力性能、最经济的结构和最方便的施工,同时也能获得最美丽的桥梁。
        2007年底,美国国家工程院宣布了由50多位专家审定的“21世纪14项重大工程挑战项目”,分别属于可持续发展、卫生健康、防灾和提高生活质量四个方面。其中除了卫生健康领域,其余三个方面都和桥梁工程的未来有关。
最后,展望今后20年的现代桥梁工程,我们要充分认识桥梁工程师所肩负的使命和任务,在材料、软件、硬件(施工装备和监测设备)、防灾以及新一代的规范等五个方面加倍努力,迎接跨海和连岛工程的挑战,为建设符合全寿命和可持续发展理念的21世纪现代桥梁工程贡献我们的力量。

(《桥梁》2008年第2期)
(作者单位:同济大学)
注:本文为第十八届全国桥梁学术会议大会主题发言


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