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第3章 高科技的产物—斜拉桥

1.什么是斜拉桥

斜拉桥又称斜张桥,是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,它是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。

斜拉桥可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。这种桥可使梁体内弯矩减小,从而降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料。

斜拉桥作为一种拉索体系,比梁式桥的跨越能力更大,是大跨度桥梁的最主要桥型。

2.斜拉桥的结构和建造

(1)斜拉桥的结构

斜拉桥是通过许多直接连接到塔上的钢缆将桥面吊起,它由索塔、主梁、斜拉索组成。索塔两侧是对称的斜拉索,通过斜拉索将索塔和主梁连接在一起。

索塔型式有A型、倒Y型、H型、独柱,材料有钢和混凝土的。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。

我国斜拉桥的主梁形式:混凝土以箱式、板式、边箱中板式为主;钢梁以正交异性极钢箱为主,也有边箱中板式。

现在假设索塔两侧只有两根斜拉索,左右对称各一条。这两根斜拉索受到主梁的重力作用,对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力。

根据受力分析,左边的力可以分解为水平向左的一个力和竖直向下的一个力。同样,右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力。由于这两个力是对称的,所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了,最终,主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力。这样,力又传给索塔下面的桥墩了。

斜拉索数量再多,道理也是一样的。之所以要很多条,那是为了分散主梁给斜拉索的力而已。

(2)斜拉桥的建造

20世纪50年代中期,瑞典建成了第一座现代斜拉桥,其跨径为182米。50多年来,斜拉桥的发展具有了强劲的势头。

斜拉桥是我国大跨径桥梁最流行的桥型之一。在20世纪70年代中期,我国开始修建混凝土斜拉桥。改革开放以后,我国修建斜拉桥的势头一直呈上升趋势。到目前为止,我国建成或正在施工的斜拉桥共有30多座,仅次于德国、日本,而居世界第三位。而大跨径混凝土斜拉桥的数量已居世界第一。

一直以来,我国都是以发展混凝土斜拉桥为主,近几年我国开始修建钢与混凝土的混合式斜拉桥,如汕头石大桥,主跨为518米;武汉长江第三大桥,主跨为618米。钢箱斜拉桥如南京长江第二大桥南汊桥,主跨为628米;武汉军山长江大桥,主跨为460米。前几年,上海建成的南浦(主跨423米)和杨浦(主跨602米)大桥为钢与混凝土相结合的斜拉桥。

目前,世界上建成的最大跨径的斜拉桥为中国的苏通大桥,其主跨径为1088米,于2008年4月2日正式通车。

现在已建成的斜拉桥有独塔、双塔和三塔式,以钢筋混凝土塔为主。斜拉索仍以传统的平行镀锌钢丝、冷铸锚头为主。钢绞线斜拉索目前在汕头石大桥采用。钢绞线用于斜拉索,无疑使施工操作简单化,但外包PE(聚乙烯)的工艺还有待考究。

斜拉桥的钢索一般采用自锚体系。近年来,开始出现自锚和部分地锚相结合的斜拉桥,如西班牙的鲁纳桥,其主垮为440米;我国湖北郧县桥,主跨为414米。

地锚体系把悬索桥的地锚特点融于斜拉桥中,可以使斜拉桥的跨径布置更能结合地形条件,灵活多样,从而节省了费用。

斜拉桥的施工方法:混凝土斜拉桥主要采用悬臂浇筑和预制拼装;钢箱和混合梁斜位桥的钢箱采用正交异性板,工厂焊接成段,现场吊装架设。钢箱与钢箱的连接,一是螺栓,二是全焊,三是栓焊结合。

一般说,斜拉桥跨径300~1000米是合适的。在这一跨径范围,斜拉桥与悬索桥相比,斜拉桥有较明显的优势。

而德国桥梁专家认为,即使跨径1400米的斜拉桥也比同等跨径悬索桥的高强钢丝节省1/2,其造价减少30%左右。

斜拉桥的发展趋势:跨径会超过1000米;结构类型多样化、轻型化;加强斜拉索防腐保护的研究;注意索力调整、施工观测与控制及斜拉桥动力问题的研究。

3.世界十大斜拉桥

(1)苏通大桥

苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州(常熟)市之间,是我国建桥史上工程规模最大、综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程。

这座大桥主要由北岸接线工程、跨江大桥工程和南岸接线工程三部分组成。到目前为止,苏通大桥创造了四项世界之最。

最大主跨:苏通大桥跨径为1088米,是当今世界跨径最大的斜拉桥。

最深基础:苏通大桥主墩基础由131根长约120米、直径2.5米至2.8米的群桩组成,承台长114米、宽48米,面积有一个足球场大。它是在40米水深以下厚达300米的软土地基上建起来的,是世界上规模最大、入土最深的群桩基础。

最高桥塔:原先世界上已建成最高桥塔为多多罗大桥224米的钢塔,苏通大桥采用高300.4米的混凝土塔,为世界最高桥塔。

最长拉索:苏通大桥最长拉索长达577米,比日本多多罗大桥斜拉索长100米,为世界上最长的斜拉索。

2008年,全长32.4千米、主跨1088米的苏通大桥正式通车,它成为了世界上最大的跨径斜拉桥,创造了最深桥梁桩基础、最高索塔、最大跨径、最长斜拉索等4项斜拉桥世界纪录,其雄伟的身姿成为横跨在长江之上的一道亮丽风景。

这座大桥也是中国由“桥梁建设大国”向“桥梁建设强国”转变的标志性建筑。

(2)香港昂船洲大桥

昂船洲大桥是香港一座现正兴建中的双塔斜拉桥,原计划中建成时为世界上跨度最长(1018米)的斜拉桥(但已被苏通长江公路大桥超越),而其桥塔是全球首次采用“不锈钢+混凝土”的混合式结构。

大桥主跨长1018米,连引道全长为1596米。大桥属于香港8号干线的一部分,并位于青沙管制区内,跨越蓝巴勒海峡,将昂船洲和青衣岛东南角的9号货柜码头连接起来。

昂船洲大桥可以缓和目前青葵公路拥挤的情况。它对香港的港口物流业发展非常重要,也将是香港新的建筑地标之一,当船只通过汲水门大桥后可在北方看到整座桥。

昂船洲大桥离海面高度有73.5米,而桥塔高度则为298米,两者都比青马大桥高,桥面为三线双程分隔快速公路。

昂船洲大桥于2004年4月奠基,2005年开始动工兴建。这条桥在2009年4月7日“合龙”,年底前有望开通。

(3)多多罗大桥

多多罗大桥是位于日本濑户内海的斜拉桥,位于广岛县的生口岛及爱媛县的大三岛之间。

这座大桥于1999年竣工,同年5月1日正式启用。多多罗大桥的主梁采用钢箱梁,它最高的桥塔是224米钢塔,主跨长890米,是当时世界上最长的斜拉桥,连引道全长为1480米,四线行车,并设行人及自行车专用通道,属于日本国道317号的一部分。

多多罗大桥像一条巨大的青龙,将本州的广岛市和四国的松山市的公路交通连接了起来。

(4)诺曼底大桥

诺曼底大桥守卫着法国北部塞纳河上的泥滩,看上去像一个从混凝土桥塔上伸出的钢索所编成的巨大蜘蛛网。这座斜拉桥落成后(1995年)堪称世界上同类桥梁中极为壮观的一座。

诺曼底大桥是一座1995年1月才开始启用的新桥,它连接着翁弗勒尔和勒阿弗尔两城镇。它是钢索承重桥,很像金门大桥之类的悬索桥,但支撑桥身的钢索直接从桥塔连到桥身。

这座桥由33个部分组成。中间一部分是最后嵌进桥中,由下往上提升而成。桥的重量由2000千米长的钢绳支撑。两座混凝土桥塔高215米,耸立在相当于20层高楼的基座上。诺曼底桥的中央跨度为856米,但这不包括靠近桥两端的引桥。桥的总长是2200米。

诺曼底大桥计划缩短驾车横越法国北部的时间。据估计,每天已有6000辆汽车通过大桥。

(5)南京长江三桥

南京长江三桥是长江南京段继南京长江大桥、二桥之后建设的又一座跨江通道,2005年10月三桥建成通车,这样长江南京段已拥有三条快速过江通道。

南京长江三桥位于现在南京长江大桥上游约19千米处的大胜关附近,横跨长江两岸,南与南京绕城公路相接,北与宁合高速公路相连,全长约15.6千米。

其中跨江大桥长4.744千米,主桥采用主跨648米的双塔钢箱梁斜拉桥,桥塔采用钢结构,为国内第一座钢塔斜拉桥,也是世界上第一座弧线形钢塔斜拉桥。

(6)南京长江二桥

南京长江二桥位于现在南京长江大桥下游11千米处,全长21.337千米,由南、北汊大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成。

其中南汊大桥为钢箱梁斜拉桥,桥长2938米,主跨为628米。当时建成时,该跨径仅次于日本多多罗大桥和法国的诺曼底大桥,位居同类型桥中世界第三,中国第一。而北汊大桥为钢筋混凝土预应力连续箱梁桥,桥长2172米,主跨为495米,该跨径在国内也居于领先地位。

全线还设有4座互通立交、4座特大桥、6座大桥,设计标准为双向六车道。工程于1997年10月6日正式开工,2001年3月26日建成通车。

(7)白沙洲长江大桥

白沙洲长江大桥是武汉建成的第三座长江大桥,该桥为双塔双索面栓焊结构钢箱梁悬索桥,主跨为618米,钢箱梁全长906.72米,全宽30.2米。

这座桥主要分流外地过汉车辆,是武汉88千米中环线上的重要跨江工程。1997年3月28日开工,2000年9月8日通车。

白沙洲长江大桥位于武汉长江大桥上游8.6千米处。南岸在洪山区青菱乡长江村与107国道正交;北岸在汉阳江堤乡老关村与318国道连通。白沙洲大桥的建成,使107、316、318等国道由“瓶颈”变通途。

(8)青州闽江大桥

青州闽江大桥位于福州市马尾区青州路及长乐县筹东村之间,是福州长乐国际机场连接福州市区的专用通道上跨越闽江的交通工程,目前已成为同三线国道的组成部分。

2001年,青州闽江大桥建成通车。这座大桥是一座主跨为605米的双塔双索面叠合梁斜拉桥,其桥宽为29米,主梁采用工字型边梁与预应力混凝土桥面板叠合断面。A字型桥塔高175米。空间索面、梁上索距为13.5米。

(9)杨浦大桥

杨浦大桥是一座跨越黄浦江的由我国自行设计、建造的双塔双索面迭合梁斜拉桥。杨浦大桥于1991年4月29日动工,1993年9月15日建成,历时仅2年5个月。

桥的总长为7654米,主桥长1172米、宽30.35米,共设6车道,主跨为602米,主塔高208米。塔的两侧32对钢索连接主梁,呈扇面展开。

杨浦大桥位于上海市杨浦区宁国路地区。桥址离苏州河5.3千米,离吴淞口20.5千米,与南浦大桥相距11千米。该桥是市区内跨越黄浦江、连接浦西老市区与浦东开发区的重要桥梁,是上海市内环线的重要组成部分。

(10)徐浦大桥

徐浦大桥,是上海市区第3座跨越黄浦江的特大型桥梁,位于徐汇区华泾镇和浦东新区三林镇附近的江面上,下游距南浦大桥10.2千米。

大桥全长6.017千米,主桥长1.074千米,主跨590米,总宽35.95米,主塔高217米,设双向8车道,设计时速为80千米。

徐浦大桥西接朱梅路,东连新辟的杨高南路,纵贯东西,形成一条长10多千米的通街大道,为外环线西南段划上了第一条线。它将和建成后的外环线一期工程连成一体,成为沪宁和沪杭高速公路进入上海的交通枢纽,也是今后虹桥国际机场和浦东国际机场之间最便捷的主要通道。

徐浦大桥在1994年4月正式开工,1997年6月24日建成通车。

美国因风振垮塌的桥

塔科马海峡吊桥是位于美国华盛顿州塔科马的两条悬索桥,也是华盛顿州16号干线的一部分。每桥长1.6千米,横跨塔科马海峡。

第一座桥于1940年首度通车,但不到5个月便倒塌,其后重建及另建的新桥分别于1950年及2007年启用。第一座桥倒塌的原因,是因为其桥面厚度不足,在受到强风的吹袭下引起卡门涡街(当介质以一定的速度流过三角柱体时,在三角柱体两侧后面产生一个交替排列的漩涡带),使桥身摆动;当卡门涡街的振动频率和吊桥自身的固有频率相同时,引起吊桥剧烈共振而崩塌。

茅以升和钱塘江大桥

钱塘江大桥位于浙江省杭州市西湖之南,六和塔附近的钱塘江上,是我国自行设计、建造的第一座双层铁路、公路两用桥。它横贯钱塘南北,是连接沪杭甬、浙赣铁路的交通要道。

钱塘江大桥为上下双层钢结构桁梁桥,全长1453米,宽9.1米,高71米。大桥由我国著名桥梁专家茅以升主持设计施工,于1935年4月动工,1937年9月26日建成通车。钱塘江大桥不仅是我国桥梁史上的巨大成就,也是中国铁路桥梁史上一个辉煌的里程碑。

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