橋梁概論與高速鐵路的橋梁PPT（303頁）

1、橋梁概論與高速鐵路的橋梁主講-劉海波 電話西南交通大學1Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學一、 橋梁概述二、高速鐵路橋梁類型與特點 Pg.107-end 橋梁概論與高速鐵路的橋梁2Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學1 橋梁概論2 大跨度橋梁的類型與橋例一、 橋梁概述3Haibo Liu PhD. SWJTU1.1 橋梁術語基本概念橋梁起源橋梁組成橋梁分類橋梁發(fā)展4Haibo Liu PhD. SWJTU基本概念橋梁供車輛和行人跨越障礙物的建筑工程結構線路跨越障礙的延伸部分或連接部分橋梁工程橋梁建筑的實體建造橋梁所需的科技知識意義技術

2、經(jīng)濟美學5Haibo Liu PhD. SWJTU橋梁起源樹橋：梁橋的雛形6Haibo Liu PhD. SWJTU橋梁起源（續(xù)）原始木梁橋天然石梁橋早期石梁橋7Haibo Liu PhD. SWJTU橋梁起源（續(xù)）世界上最長的天然石拱橋，跨度119.5米，位于美國猶他州國家公園中國最長的天然石拱橋，跨度80米，位于重慶涪陵小溪法國阿爾代什峽谷天然石拱橋8Haibo Liu PhD. SWJTU橋梁受力9Haibo Liu PhD. SWJTU 橋梁組成上部結構（superstructure），包括橋跨結構，也叫承重結構橋面構造（deck）下部結構（substructure），也叫支承結構，包

3、括橋墩與橋臺（abutment and pier）墩臺基礎（foundation） 多種結構形式支座（bearing）附屬結構物10Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學橋梁專業(yè)部分名詞專用名詞、技術術語 主橋：橋梁跨越主要障礙物（如通航河道）的結構部分。 引橋：從橋臺至正橋的結構部分，連接主橋和兩端道路。 跨度/徑：表示橋梁的跨越能力，對于多跨橋，最大跨度稱為主跨。 計算跨徑：橋跨結構相鄰兩支點間的距離l1； 凈跨徑：設計洪水位線上相鄰兩橋墩（臺）間的水平凈距L0，各孔凈跨徑之和稱為總跨徑。 標準跨徑的目的：有利于橋梁制造和施工的機械化，也有利于橋梁養(yǎng)護維修和戰(zhàn)備需要。 11H

4、aibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學1.1 橋梁術語及其分類 標準跨徑： 公路常用10m、16m、20m、40m 鐵路常用20m、24m、32m、48m 橋長：兩橋臺側墻或八字墻尾端之間的距離。 橋下凈空高度：設計洪水位（通航水位）與橋跨結構最下緣的高差H。 橋梁建筑高度：橋面與橋跨結構最下緣的高差h 。12Haibo Liu PhD. SWJTU橋梁分類13Haibo Liu PhD. SWJTU橋梁分類（續(xù)）14Haibo Liu PhD. SWJTU結構體系詳細分類a懸臂梁橋b連續(xù)梁橋c拱橋d懸索橋e剛架橋fT型剛構g斜腿剛構h連續(xù)剛構i斜拉橋j系桿拱15Haibo Liu

5、 PhD. SWJTU西南交通大學橋梁按跨徑的分類橋梁分類公路橋梁鐵路橋梁多孔跨徑總長L1(m)單孔跨徑l(m)橋長L1(m)特大橋L11000l150L1500大 橋100L1100040l100100 L1500中 橋30L110020l4020L11000小 橋8L1305l20L12016Haibo Liu PhD. SWJTU梁橋簡支梁橋懸臂梁橋等截面連續(xù)梁橋變截面連續(xù)梁橋連續(xù)剛構梁為承重結構，主要以其抗彎能力來承受荷載；在豎向荷載作用下，其支承反力也是豎直的；簡支的梁部結構只受彎受剪，不承受軸向力增加中間支承，可減少跨中彎矩，更合理地分配內(nèi)力，加大跨越能力梁式體系分實腹式和空腹式，

6、前者的梁截面為T形、工字形和箱形等，后者指桁架結構；梁的高度可等高或變高17Haibo Liu PhD. SWJTU剛構（架）橋門式剛架T形剛構斜腿剛構V形剛構18Haibo Liu PhD. SWJTU拱橋三鉸拱兩鉸拱無鉸拱系桿拱結構特征：主要承重結構具有曲線外形受力特點：在豎向荷載作用下，拱主要承受軸向壓力，但也受彎受剪。支承反力不僅有豎向反力，也承受較大的水平推力 靜力學分類：單鉸拱、雙鉸拱、三鉸拱和無鉸拱常用材料：石材、鋼筋混凝土、鋼材施工方法：有支架和無支架施工 系桿吊桿主拱圈立柱行車道系19Haibo Liu PhD. SWJTU懸索橋組成：主要由纜、塔、錨碇、加勁梁等組成受力：在

7、豎向荷載作用下，索受拉，塔受壓，錨碇受拉拔反力材料：纜通常用高強度鋼絲制成圓形大纜，加勁梁多采用鋼桁架或扁平箱梁，橋塔可采用鋼筋混凝土或鋼材跨度：因懸索的抗拉性能得以充分發(fā)揮且大纜尺寸基本上不受限制，故懸索橋的跨越能力一直在各種橋型中名列前茅 纜塔錨錠加勁梁20Haibo Liu PhD. SWJTU斜拉橋形式：由梁、塔和斜索組成的組合體系，結構型式多樣，造型優(yōu)美壯觀受力：在豎向荷載作用下，梁以受彎為主，塔以受壓為主，斜索則承受拉力材料：斜索采用高強鋼絲制成，塔多采用鋼筋混凝土，梁采用預應力混凝土梁或鋼箱梁斜拉索索塔主梁21Haibo Liu PhD. SWJTU人行橋（pedestrian

8、bridge）上：德國的兩座人行橋；左下：倫敦的一座人行橋；右下：美國的一座人行橋造型輕盈別致、線條流暢、與環(huán)境協(xié)調(diào)，是其特點22Haibo Liu PhD. SWJTU開啟橋（活動橋）左：伊拉克的一座平轉開啟橋；中：巴西的一座提升開啟橋；右：豎轉開啟橋右下：天津塘沽海門開啟橋 （64m）目的和特點：節(jié)省總造價，可保證水上交通；陸地交通受限制，維修管理費用較高23Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學橋梁的主要橋型： 梁橋、剛構橋 拱橋 斜拉橋 懸索橋 組合橋 1.2 橋梁的類型與橋例24Haibo Liu PhD. SWJTU宋代虹橋虹橋（10321033年），見宋代畫家張澤端

9、的名畫清明上河圖構造奇特，采用兩套木拱并配以橫木，形成穩(wěn)定的超靜定結構 。25Haibo Liu PhD. SWJTU灞陵橋位于在渭源縣南城門外的清源河上，是一座古典純木結構臥式懸壁拱橋，俗稱“臥橋”，結構獨特，工藝精巧，已成為渭水一大景觀始建于明洪武初年（1368年），1919年重建，跨度29.5m，高15.4m，寬4.8m；橋底部以十根粗壯圓木并列十一組，從兩岸橋墩逐次遞級，飛挑凌空，形成半圓狀橋體，橋面有臺階通道三條，并配有扶手欄桿，橋頂為飛檐挑閣式廊房，共13間64柱 26Haibo Liu PhD. SWJTU趙州橋在隋大業(yè)元年（公元605年左右），李春在河北趙縣修建了趙州石拱橋（又

10、稱安濟橋）。該橋凈跨37.02m，寬9m，構思巧妙，造型美觀，工藝精致，歷1400年而無恙，舉世聞名，被譽為“國際土木工程里程碑建筑”。27Haibo Liu PhD. SWJTU玉帶橋 十七孔橋北京頤和園內(nèi)的十七孔橋建于清乾隆年間（17361795年）拱洞從橋中間向兩端逐漸收小 玉帶橋建于清乾隆十五年（1750年）兩端有反彎曲線的玉石拱 28Haibo Liu PhD. SWJTU湖州三橋位于江蘇湖州雙林鎮(zhèn)，主拱跨12.6m，寬3.5m居中的拱橋大約建于800年前中國南方地區(qū)拱橋特點29Haibo Liu PhD. SWJTU大渡河鐵索橋建于1706年，長約103m，寬約2.8m，由13條錨

11、固于兩岸的鐵鏈組成 30Haibo Liu PhD. SWJTU錢塘江橋主跨1665.84m，公鐵兩用，由我國橋梁先驅茅以升先生主持修建1937年9月通車，同年12月侵華日軍攻陷杭州，我國軍隊西撤后將橋炸毀，1947年3月修復 31Haibo Liu PhD. SWJTU武漢長江大橋中國第一座跨越長江的大橋，1957年完成鋼桁架連續(xù)梁橋，主跨128m，雙層橋面，公鐵兩用懸臂拼裝法施工 32Haibo Liu PhD. SWJTU南京長江大橋1968年完成，其材料、設計、施工全部自己承擔鋼桁架連續(xù)梁橋，主跨160m，雙層橋面，公鐵兩用懸臂拼裝法施工，深水基礎施工 33Haibo Liu PhD.

12、 SWJTU南昆線清水河橋鐵路預應力混凝土連續(xù)剛構橋主跨128m，墩高100m，1996年完成34Haibo Liu PhD. SWJTU南昆線板其二號橋采用曲線連續(xù)剛構體系，曲線半徑R = 450m我國鐵路上的第一座彎梁橋主跨布置為447244m35Haibo Liu PhD. SWJTU排序橋名主跨(m)橋址年份1斯托爾馬橋(Stolma)301挪威19982拉脫圣德橋(Raftsundet)298洛福坦(Lofoten)，挪威19983虎門輔航道橋270珠江，中國19974瓦羅德2號橋(Varodd-2)260克里斯蒂安桑德(Kristiamsand)，挪威1994門道橋(Gateway

13、)260布里斯班(Brisbane)，澳大利亞19865奧波托橋(Oporto)250道羅河(Douo Eiver)，葡萄牙1991諾日姆伯蘭海峽橋(Northum Berland Strait crossing)250(43孔）新布魯斯維克(New Brunswick)，加拿大1998斯克夏橋(Skye)250斯克夏島( Skye laland)，英國19956黃石長江大橋245安徽，中國19967*科羅巴卜圖瓦普橋(Koror-Babelthuap)241太平洋托管區(qū)(Pacifictrust)，美國19778濱名大橋(Hamana)240靜岡縣(Shizuoka)，日本19769彥島大橋

14、(Hikoshima)236山口縣(Yamaguchi)，日本197510諾達爾斯弗喬德橋(Norddalsfjord)231索恩-弗喬丹(Sogn-Fjordane)，挪威最大跨徑的混凝土連續(xù)梁（連續(xù)剛構）橋36Haibo Liu PhD. SWJTU大跨混凝土梁橋的長期撓度問題近10多年來，我國相當多的大跨梁橋在通車25年后出現(xiàn)持續(xù)下?lián)虾涂缰械装彘_裂的現(xiàn)象。預拱度法：傳統(tǒng)設計方法，按總彎矩包絡圖配筋（對預應力及其附加力進行估算），在懸臂施工狀態(tài)，占主體荷載的恒載彎矩大于預加力產(chǎn)生的反向彎矩，這就導致成橋后跨中撓度的持續(xù)發(fā)展。零彎矩法：(建議的方法、有成功設計的例子），從施工順序出發(fā)，先以懸

15、臂梁為基本圖式，通過預應力手段取得了力學上平衡，由此不設預拱度，使施工的立模安裝標高與成橋標高能夠保持一致。這樣不但極大的簡化了工程控制，而且實踐證明它對控制長期撓度的效果也十分理想。其他因素：材料，徐變系數(shù)難以準確考慮，各程序計算結果不準確37Haibo Liu PhD. SWJTU成昆鐵路一線天橋鐵路石拱橋，跨度54m有支架（鋼拱架）施工，1966年建成38Haibo Liu PhD. SWJTU雙曲拱河南前河大橋中國最大的公路雙曲拱橋,跨度150m， 1970年建成有支架施工39Haibo Liu PhD. SWJTU四川宜賓金沙江小南門大橋中承式混凝土提籃拱橋，跨度240m， 1990

16、年建成，時稱“亞洲第一大中承式鋼混拱橋”勁性骨架法施工2001年11月7日4：30分左右橋面突然垮塌40Haibo Liu PhD. SWJTU四川宜賓金沙江小南門大橋41Haibo Liu PhD. SWJTU重慶綦江新虹橋原虹橋為鋼管混凝土系桿拱，因質量事故于1999年1月4日整體垮塌，死40人，傷14人，震驚全國新虹橋系X型鋼筋混凝土人行拱橋，全長160米，凈跨130米，寬7.5米，1999年9月28日開工，2000年12月峻工并投入使用，立碑紀念四川省交通廳設計院設計，大橋局施工，“全國最老最大的建橋隊正建造一座該隊建橋史上最小但影響最大的橋”42Haibo Liu PhD. SWJT

17、U四川旺蒼東河大橋我國第一座鋼管混凝土系桿拱橋跨度115m，1990年建成43Haibo Liu PhD. SWJTU三峽工程專用公路黃柏河橋上承式鋼管砼拱，橋長276.71m，跨度160m轉體施工，1996年竣工44Haibo Liu PhD. SWJTU桁架拱：貴州劍河橋主跨150m，1985年建成45Haibo Liu PhD. SWJTU組合桁架拱：江界河橋位于貴州甕安跨度330m，世界上跨度最大的桁架拱橋懸臂拼裝施工1995年建成46Haibo Liu PhD. SWJTU重慶萬州長江大橋世界上跨度最大的鋼筋混凝土拱橋，主跨420m采用勁性骨架（含鋼管混凝土）和纜索吊裝方法施工199

18、7年建成47Haibo Liu PhD. SWJTU斜拉橋19世紀出現(xiàn)雛形，20世紀中期出現(xiàn)現(xiàn)代意義上的斜拉橋，后期得到迅猛發(fā)展（全世界約有400余座，我國占大約1/4）。斜拉橋發(fā)展的原因和條件結構造型新穎（直線感和柔細感）新材料的應用（高強鋼絲，特別是斜拉索卷材）設計理論和計算技術的進步施工技術的進步經(jīng)濟效益（在400800m跨度內(nèi)具有很強競爭力）總體趨勢：稀索密索，混凝土斜拉橋，造型多樣化技術問題：斜拉索的防腐，抗風抗震48Haibo Liu PhD. SWJTU排序橋名主跨(m)橋址年份1蘇通大橋1088長江，江蘇，中國20072昂船舟大橋1018香港，中國20093多多羅橋(Tatar

19、a)890日本本州四國聯(lián)絡線19984諾曼第橋(Normandie)856法國19945南京二橋628長江，中國20006武漢三橋618長江，中國20007*青州閩江大橋605福州，中國20008上海楊浦大橋602上海，中國19939中央名港大橋(Meiko-Chuo)590日本199610上海徐浦大橋590上海，中國1997最大跨徑斜拉橋49Haibo Liu PhD. SWJTU中外斜拉橋跨度統(tǒng)計蘇通昂船洲南京三橋仁川50Haibo Liu PhD. SWJTU上海南浦大橋結合梁，主跨423m，1991年51Haibo Liu PhD. SWJTU南京長江二橋鋼箱梁，主跨628m，2000

20、年52Haibo Liu PhD. SWJTU廣西來賓紅水河橋混凝土梁，主跨96m，1981年53Haibo Liu PhD. SWJTU懸索橋最早的大跨度橋型，依舊保持橋梁跨度記錄與其他橋型相比，懸索橋的優(yōu)勢：材料用量、加勁梁截面，基本不發(fā)生變化構件設計，承重結構在尺寸方面不受限制大纜受力形式，受拉，可充分發(fā)揮材料能力施工，大纜是現(xiàn)成的懸吊式腳手架不足：剛度較小，容易振動54Haibo Liu PhD. SWJTU各國懸索橋的主要特點美國：鋼主塔；直吊索；非連續(xù)的桁架式加勁梁；鋼筋混凝土橋面板；鑄鋼鞍座和眼桿錨拉桿；空中送絲法（AS法）歐洲：混凝土主塔，全焊梭狀扁平鋼箱加勁梁；直吊索和斜吊索

21、； AS法日本：鋼主塔；直吊索；桁式加勁梁（雙層橋面）；預制平行絲股法（PS法）中國：混凝土索塔；（傾向于采用）扁平鋼箱梁；垂直吊索； PS法 55Haibo Liu PhD. SWJTU汕頭海灣大橋混凝土加勁梁，主跨452m，1995年56Haibo Liu PhD. SWJTU西陵長江大橋鋼箱加勁梁，主跨900m，1996年57Haibo Liu PhD. SWJTU廣東虎門大橋鋼箱加勁梁，主跨888m，1997年58Haibo Liu PhD. SWJTU香港青馬大橋鋼箱加勁梁，主跨1 377m，1997年59Haibo Liu PhD. SWJTU江陰長江大橋鋼箱加勁梁，主跨1 385

22、m，1999年60Haibo Liu PhD. SWJTU排序橋名主跨(m)橋址年份1萬縣長江大橋420萬縣，中國19972克爾克1號橋(Krk-1)390克爾克島(Krk lsland)，南斯拉夫19803江界河大橋330黃河，中國19954邕江大橋312廣西，中國19975格萊茲維爾橋(Gladesville)305悉尼(Sydney)，澳大利亞19646艾米贊德橋(Ponte da Amizade)290巴拉那河(Parana River)巴西-巴拉圭19647布洛克蘭斯橋(Bolukrans)272布洛克蘭斯(Bloukrans)，南非19838阿拉比達橋(Arrabida)270奧波

23、托(Oporto)，葡萄牙19639山多橋(Sando)264克拉姆福斯(Kramfors)，瑞典194310拉蘭斯橋(La Rance)261法國1990世界上最大跨徑的混凝土拱橋61Haibo Liu PhD. SWJTU鋼拱橋在20世紀30年代，國外鋼拱橋的跨度就超過500m在90年代，興起鋼管混凝土拱橋目前正熱衷于鋼拱橋拱橋向大跨度發(fā)展，重點在無支架施工方法上62Haibo Liu PhD. SWJTU四川旺蒼東河大橋，跨度115m，1990，第一座鋼管混凝土系桿拱橋鋼管混凝土拱橋柳州市文惠大橋，跨度3180m，1994，第一座中承式鋼管混凝土拱橋63Haibo Liu PhD. SW

24、JTU廣州丫髻沙珠江大橋，跨度360m，2000年貴州水柏鐵路北盤江鐵路大橋，軌底到峽谷底深達280m，跨度236m，轉體，2001年武漢江漢三橋，跨度280m，2001年鋼管混凝土拱橋（續(xù)）宜賓戎州大橋，跨度260m，纜索，2004年64Haibo Liu PhD. SWJTU歷史上著名的鋼拱橋世界上第一座鋼拱橋，位于美國密西西比圣路易斯，建于1867-1874年，主跨158.80m雙層橋面，上層為公路，下層為雙線鐵路（使用至1974年）美國鬼門（Hell Gate）橋四線鐵路橋，主跨298m1916年建成 65Haibo Liu PhD. SWJTU歷史上著名的鋼拱橋美國新河谷橋，1977

25、，518.2m澳大利亞悉尼港大橋，1932，503m美國貝永橋，1931，503.6m美國弗里芒特橋，1973，382.6m66Haibo Liu PhD. SWJTU67Haibo Liu PhD. SWJTUThatcher Ferry Bridge in PanamaCalled “bridge ofthe Americas” by Panamanian peopleSteel archedtruss arch with span of 344m, completed in 1962Crossing Panama Canal 68Haibo Liu PhD. SWJTU韓國傍花大橋，主跨

26、 540m，2000年美國羅斯福湖橋，主跨330m，1990年日本Kishiwada橋，主跨255m，1993日本Shin-Hamadera 橋，主跨254m，199169Haibo Liu PhD. SWJTU廈門鐘宅灣大橋，主跨208m，2004上海盧浦大橋，主跨550m，2003中國近年來修建的鋼拱橋中承式鋼箱提籃拱橋 云南小灣大橋，主跨130m，2002上海盧浦大橋，主跨550m，200370Haibo Liu PhD. SWJTU新型的組合式系桿鋼拱橋中承式鋼桁系桿拱橋獨塔自錨式懸索橋斜拉拱橋組合體系其他的花式橋組合橋等71Haibo Liu PhD. SWJTU新型的組合式系桿鋼拱

27、橋重慶菜園壩大橋，主跨420m，2007廣州新光大橋，主跨428m，在建美國Alsea海灣鋼拱橋，主跨137.16m，199172Haibo Liu PhD. SWJTU新型的組合式系桿鋼拱橋重慶菜園壩大橋，主跨420m，2007廣州新光大橋，主跨428m，200673Haibo Liu PhD. SWJTU重慶朝天門大橋，2008，552m宜萬鐵路萬州長江大橋，主跨360m的單拱連續(xù)鋼桁梁，02年12月開工，2005年6月合龍190米+552米+190米，三跨連續(xù)中承式鋼桁系桿拱橋 74Haibo Liu PhD. SWJTU西東1936年建成1989年地震中損傷獨塔自錨式懸索橋，替代東側的

28、桁架橋，2002年動工，由于經(jīng)濟原因，工程延誤，預計2012年完工signature span 廣珠城際鐵路小欖水道特大橋主跨220m ，在建，施工控制進行中75Haibo Liu PhD. SWJTU舊金山奧克蘭海灣橋西東1936年建成1989年地震中損傷獨塔自錨式懸索橋，替代東側的桁架橋，2002年動工，由于經(jīng)濟原因，工程延誤，預計2012年完工signature span 76Haibo Liu PhD. SWJTU韓國Yeongjong大橋空間纜自錨式懸索橋，分跨125-300-125m ，200077Haibo Liu PhD. SWJTU獨纜自錨式懸索橋，分跨120-300-120

29、m ，1987日本大阪konohana（此花） 大橋78Haibo Liu PhD. SWJTU馬來西亞Seri Saujana 橋斜拉拱橋組合體系，主跨300m，200279Haibo Liu PhD. SWJTU馬來西亞Seri Wawasan橋主跨168.5m，200380Haibo Liu PhD. SWJTU81Haibo Liu PhD. SWJTUAlameda 橋，主跨130m，1995西班牙的兩座城市道路鋼拱橋Bach de Roda-Felipe II橋，主跨130m，199582Haibo Liu PhD. SWJTUJuscelino Kubitschek Bridge

30、 in Brazil2002年 3240m83Haibo Liu PhD. SWJTU橋梁發(fā)展橋跨結構繼續(xù)向大跨發(fā)展結構型式和構造呈多樣化發(fā)展橋梁設計理論更趨完善和合理橋梁CAD技術應用更趨廣泛建橋材料向高強、輕質、新功能方向發(fā)展84Haibo Liu PhD. SWJTUSpan increment and bridgetypes85Haibo Liu PhD. SWJTU橋梁建設的基本目標 基本目標是適用、安全、經(jīng)濟、美觀。圍繞這一基本目標，橋梁技術的發(fā)展應表現(xiàn)在： 橋梁具有較大的跨越能力和承載能力； 車輛能安全運行于橋上并使旅客有舒適感； 講求經(jīng)濟效益，力圖降低造價； 考慮結構與環(huán)境的協(xié)

31、調(diào)。 86Haibo Liu PhD. SWJTU 橋梁學科的研究及發(fā)展 墩臺和基礎： 總的說來，在橋梁墩臺和基礎技術水平方面，我國僅次于日本。日本因修建了較多的海灣、海峽橋及大跨懸索橋、斜拉橋，使其在施工機械、大體積混凝土施工、無人沉箱、設置沉井和地下連續(xù)墻等技術方面處于世界領先地位。到了90年代，我國深基礎的施工和技術水平僅次于日本，己進入世界先進水平。 87Haibo Liu PhD. SWJTU材料： 橋梁的發(fā)展進程表明，新材料對其發(fā)展具有關鍵性作用。沒有材料科學的發(fā)展，就不會有長大跨及新橋型的演進。從另一方面看，正是由于材料科學的發(fā)展還不滿足橋梁科技進步的需要，一些目前己經(jīng)可以構思、

32、設計的大跨橋梁工程，但因沒有理想的材料而難以實現(xiàn)。由此可見，新材料確實是橋梁的物質基礎和重要依托。橋梁所用材料主要有兩類，一為鋼材，另一為混凝土，目前它們都是向高強、輕質、新功能方向發(fā)展。下面簡介其發(fā)展動態(tài)。 88Haibo Liu PhD. SWJTU高性能鋼橋梁用鋼的歷史，表現(xiàn)出一條低碳鋼低合金鋼高強度鋼高性能鋼的發(fā)展軌跡。高強度鋼（High Strength Steel, HSS）在材料韌性和可焊性等方面往往不盡人意高性能鋼（High Performance Steel, HPS）是一種綜合優(yōu)化了材料力學性能、便于加工制造、適于低溫和腐蝕環(huán)境、具備較高性價比的橋梁結構用鋼。進展：美、日、

33、歐洲從20世紀90年代起，開始研究和應用HPS。97年日本“超級鋼材”項目，98年中國“新一代鋼鐵材料重大基礎研究 ” HPS材料特征：化學成分碳、磷、硫含量有顯著的減少，增加有利于防腐蝕和耐候稀有元素；力學性能對合金元素進行優(yōu)化組合，并采用Q&T或熱力控制處理（TMCP）技術，生產(chǎn)出同時保持高強度、高韌性和可焊性好的細晶粒結構鋼；抗腐蝕和耐候性能通常無需油漆；疲勞性能有待更多試驗 89Haibo Liu PhD. SWJTU 混凝土: 高強混凝土 高強混凝土是相對普通強度混凝土而言，其定義的確定并無統(tǒng)一的標準。我國一般把強度等級大于C60級的混凝土稱為高強混凝土，大于Cl00級的混凝土稱為超

34、高強混凝土；美國ACI363委員會把強度超過4lMPa的混凝土定義為高強混凝土；而前蘇聯(lián)則把500號(相當于48MPa)以上的混凝土稱為高強混凝土。高強混凝土具有抗壓強度高、抗沖擊性能好、耐久性強等優(yōu)點。因用高強混凝土建造橋梁，不僅可減小梁高、又能減輕梁自重，從而使其跨度增大。據(jù)國外資料統(tǒng)計，預應力混凝土橋采用高強混凝土，結構截面尺寸可減小近一半，而構件自重與鋼構件相當，可提高經(jīng)濟效益30%40%。日本歧關大橋為748m后張T梁，采用60MP的高強混凝土后，T梁高度降低12.5%，截面積減小13.5%。 90Haibo Liu PhD. SWJTU 混凝土: 高強混凝土 目前，在實驗室條件下，

35、我國己能制成C100級凝土，羅馬尼亞可制成C170級混凝土，美國己制成C200級混凝土。在鐵路橋工程中，我國現(xiàn)澆混凝土等級已達C60C70級，預制的達C80級，如衡廣復線江村橋混凝土設計強度達80MPa。在結構工程領域已達C100。 91Haibo Liu PhD. SWJTU 輕質混凝土 凡用輕質骨料配制的混凝土，容重在1620kN/m3(普通混凝土容重為2324kN/m3)，強度等級在C30C50者稱為輕質混凝土。輕質混凝土的骨料主要是以頁巖鍛燒膨脹而得，其有陶粒型(破碎成粉后制成球鍛燒)和非陶粒型(頁巖破碎后原狀鍛燒)。1965年起，日本開始將輕質混凝土用于鐵路橋梁制造，如東北本線金山架

36、道橋和總武本線荒川橋，其容重為1620kN/m3，強度等級為40級。 92Haibo Liu PhD. SWJTU 輕質混凝土 我國在南京長江大橋等一些鐵路橋中，也采用過輕質混凝土，但使用并不普遍。這主要是輕質混凝土在使用中還存在著一些難以處理的問題。如輕質混凝土自重雖可減輕，但其彈性模量為同等級普通混凝土的5060%、且徐變大，造成應力損失也大。所以也有人認為將混凝土等級提高來減小斷面，其效果比輕質混凝土好。這樣就出現(xiàn)一種趨向，認為輕質混凝土對中小跨徑鐵路橋減輕自重、提高抗震效能是有一定效果；但在大跨徑鐵路橋梁上要成為理想材料，還需作更多的研究。 93Haibo Liu PhD. SWJTU

37、 絮凝混凝土 水下絮凝混凝土可在水中緩慢地自行流平和密實，能進行鋼筋密集區(qū)、狹窄斷面、水下大面積薄板及小體積結構等過去無法施工的水下混凝土工程的施工。其工藝簡單，不受水位、季節(jié)等的限制。1974年德國首次研制成功專用外加劑，其主要成分是纖維素醚類有機水溶性高分子聚合物的抗分散外加劑。用它拌制的水下絮凝混凝土，在水中澆注時不易因周圍水流沖洗而分離，混凝土始終能粘成一體，從而達到不離析的目的。1981年日本三井石油化學工業(yè)公司引進德國的技術，并開發(fā)了自己的水下不離析混凝土。目前，日本已有十余種抗分散外加劑投放市場，美國、法國等國也都在開發(fā)。 94Haibo Liu PhD. SWJTU 碳纖維強化

38、復合材料 1930年代，美國舊金山金門大橋建成時，創(chuàng)下了橋梁史上跨長1280m的世界記錄。幾經(jīng)改寫，到20世紀末，日本明石海峽橋才將這一記錄改成1990m。其中，結構理論的發(fā)展和材料強度的提高起了決定性作用。根據(jù)目前理論計算，鋼懸索橋的極限跨長(指橋跨結構能支承自重的跨度)可達4000m，而到20世紀末，實際所建最大跨長只有其一半。分析表明，若改用碳纖維強化復合材料，懸索橋的極限跨長可比鋼懸索橋提高一倍以上。95Haibo Liu PhD. SWJTU 碳纖維強化復合材料 可以預言，纖維強化復合材料是21世紀橋梁新材料的發(fā)展方向。正因如此，許多發(fā)達國家都在爭相研究、開發(fā)。目前，因其成本太高，主

39、要還只用于航天工業(yè)，橋梁工程中只是極少量使用。國內(nèi)現(xiàn)已開展非金屬纖維加勁塑料預應力筋的研究。其可作為我國橋梁工程中開展碳纖維強化復合材料研究的起步。纖維加勁材料的研究是21世紀一個重要的研究方向。 96Haibo Liu PhD. SWJTU 材料 總之，我國橋梁所用材料，不論是結構鋼材、預應力鋼材、混凝土材料，在強度方面都已接近國外先進水平；但在新型高強材料的品種、類型和使用上比國外少，今后要加強這方面的工作。97Haibo Liu PhD. SWJTU 計算機輔助設計與結構分析系統(tǒng) CAD技術，即計算機輔助設計技術，自1960年代出現(xiàn)以來，經(jīng)歷近40年的發(fā)展，在工程領域取得了長足進步，在橋

40、梁設計中的應用也越來越廣泛?，F(xiàn)在，橋梁CAD技術的主要內(nèi)容有如下五部分：結構分析、圖形繪制、結構優(yōu)化、工程數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)。98Haibo Liu PhD. SWJTU 高速鐵路車橋耦合動力性能研究 隨著鐵路提速、高速鐵路與城市輕軌的修建，橋梁在移動列車荷載下引起的振動問題往往成為橋梁結構設計時的控制因素，“車橋耦合動力學”便是針對上述問題而產(chǎn)生的一門新型交叉學科。 99Haibo Liu PhD. SWJTU 高速鐵路車橋耦合動力性能研究 研究并建立車橋耦合動力學理論，是解決鐵路提速、高速鐵路與城市輕軌修建帶來的一系列動力學問題的關鍵，隨著京滬高速鐵路建設，在一系列國家攻關項目的支撐下，開展

41、了高速鐵路車橋耦合動力性能的研究，完成了大量的理論分析和數(shù)值計算工作，并編制了京滬高速鐵路橋梁動力特性分析及設計準則。 100Haibo Liu PhD. SWJTU 橋梁結構風工程研究 隨著大跨、超大跨橋梁的發(fā)展以及跨海橋梁的建設，橋梁抗風問題日益突出。近年來，針對大跨度懸索橋、斜拉橋的重大工程建設，開展了大量橋梁抗風性能研究，對于諸如虎門大橋、汕頭海灣大橋以及上海盧浦大橋等開展風洞試驗及理論分析研究，對這些橋梁的選型和設計、施工方法起到了指導作用。并在顫振、抖振、馳振理論研究領域取得了進展，此外，還開展了斜拉索雨振的研究。在此領域的成果推動了大跨橋梁的發(fā)展。 101Haibo Liu Ph

42、D. SWJTU橋梁結構抗震性能研究 研究橋梁在地震波作用下的動力響應規(guī)律已成為近年來橋梁抗震分析中的熱門研究課題。 90年代以來，國內(nèi)在此領域內(nèi)分析了斜拉橋在縱向地震波入射下的動力響應，并討論了行波效應、地震的豎向分量、樁土結構相互作用以及多點激振對大跨度橋梁地震響應的影響；對于連續(xù)剛構橋，采用平面桿系有限元模型對其地震動力響應進行分析，結果表明：豎向地震激勵對結構的內(nèi)力影響較小，行波效應及土樁結構相互作用對結構的位移、內(nèi)力增長顯著。 對于大跨、高墩連續(xù)梁橋空間地震響應進行了分析，結論是：地震波相位差對結構不利，梁的橫向剛度變化對橋梁的橫向地震響應影響不大。 102Haibo Liu PhD

43、. SWJTU 橋梁結構施工力學及既有結構性能評估研究 大跨、超大跨及新型橋梁結構由于工程規(guī)模大、過程漫長，施工期間的環(huán)境和結構邊界條件和結構狀態(tài)（幾何形狀和物理特性）經(jīng)常變化，結構荷載和材料的性能是時變的。最近幾年的許多工程事故大都發(fā)生在施工階段，雖然其中有許多責任問題，但和對施工力學和時變力學研究與重視不夠也有很大關系。 目前，許多大跨度橋梁施工開展了施工控制研究，但這只是對一般工程設計的補充和一般工程力學應用的擴展，實際上這方面設計到許多學科的交叉和綜合發(fā)展。 103Haibo Liu PhD. SWJTU 橋梁結構施工力學及既有結構性能評估研究 既有結構的評估、加固與合理利用是目前世界

44、各國均十分關注的一個重大問題。內(nèi)容包括：結構在經(jīng)歷了若干年的正?；蚍钦Ｊ褂弥?，其各項功能發(fā)生的不同程度退變以及評價其承載能力、損傷程度、使用性能、抵抗超載的能力、剩余壽命以及相應的可靠性的方法。 在正確評價的基礎上，進一步研究了對既有結構的加固措施與方法，并在實際工程中采用了多種加固措施，解決了現(xiàn)代交通運輸對既有橋梁的要求。該領域的研究正在不斷深入。 104Haibo Liu PhD. SWJTU橋梁學科科學研究 總之，緊跟世界潮流。半個世紀以來，我國在橋梁建設規(guī)模與水平、新材料的開發(fā)與應用、新技術的研究與推廣、設計理論的研究、計算機技術的應用等各方面均開展了卓有成效的工作，取得了許多重大

45、成果。 建成了一大批具有世界影響的橋梁工程，此處難以全面論及。隨著大型跨江、跨海橋梁結構建設需要的日益突出，如橋梁結構抗風、快速交通運輸條件下的橋梁動力學結構分析計算、橋梁結構設計分析與工程控制等，對橋梁結構行為理論研究和應用軟件的開發(fā)與完善等都提出了更高的要求。105Haibo Liu PhD. SWJTU對橋梁工程的總體把握106Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學1 高速鐵路橋梁的特點2 高速鐵路橋梁設計荷載3 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值二、高速鐵路橋梁類型與特點 107Haibo Liu PhD. SWJTU1 高速鐵路橋梁的特點高速鐵路的高速度、高舒適性、高安全性

46、、高密度連續(xù)運營等特點對其土建工程提出嚴格的要求。高速鐵路的發(fā)展推動現(xiàn)代鐵路技術的發(fā)展，采用設計，施工新理念。橋梁設計突出人性化，滿足適用、舒適、耐久、環(huán)保、便于維修等方面的要求，從而體現(xiàn)經(jīng)濟性。108Haibo Liu PhD. SWJTU1 高速鐵路橋梁的特點具體而言，高速鐵路橋梁的特點體現(xiàn)為：1）橋梁所占的比例大，高架橋、長橋多；2）結構的動力效應較大；3）橋上無縫線路與橋梁及下部結構共同作用；4）剛度大，整體性能好；5）修養(yǎng)護的時間少；6）重視耐久性，便于檢查，維修；7）強調(diào)結構與環(huán)境的協(xié)調(diào)。109Haibo Liu PhD. SWJTU1 高速鐵路橋梁的特點高速鐵路的自身特性對設計也

47、提出了新的要求：1）橋梁具有足夠剛度(豎、向、轉)，結構變形??；2）避免結構出現(xiàn)共振和較大振動；3）結構耐久性的要求、便于檢查；4）力求標準化并簡化規(guī)格，品種；5）橋梁與環(huán)境協(xié)調(diào)，滿足美觀、降噪、減振的要求。110Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學2 高速鐵路橋梁設計荷載列車活載歐洲歐洲高速鐵路采用UIC荷載作為設計活載，是考慮到了與其他歐洲鐵路網(wǎng)相接，以及將來高速鐵路上行走重型車輛的可能，UIC活載滿足貨車80-120 km/h的重型貨車和高速輕型客車250-300km/h橋梁設計要求。UIC活載111Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學日本日本采用接近其高

48、速運營列車的P（N）荷載作為設計活載，P荷載僅為UIC活載的40%。N標準活載重 0系列100系列200系列300系列WIN350500系列 235230275296350300 16.015.217.011.310.011.2車 型最高速度最大軸重2 高速鐵路橋梁設計荷載列車活載112Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學2 高速鐵路橋梁設計荷載中國客運專線中國高速鐵路采用ZK荷載作為設計活載，ZK活載為普通鐵路橋梁設計的中-活載的70%，為歐洲鐵路聯(lián)盟UIC活載的80%。ZK活載113Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學2 高速鐵路橋梁設計荷載中國客貨混運橋梁

49、荷載按中活載設計， ZK活載校核。中活載114Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學2 高速鐵路橋梁設計荷載 中國臺灣 中國臺灣高速鐵路采用UIC修正荷載作為設計活載各種荷載相互關系（以中-活載為基準作簡單比較）中-活載UIC荷載ZK荷載臺灣P（N）荷載100%87.5%70%66%35% 60 60115Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學3 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值橋梁剛度要求對高速鐵路線上單跨及多跨簡支梁橋的剛度限值的計算方法可采用如下思路確定:1）對高速鐵路線上運行的車輛按車輛共振速度和最高設計速度用整車模型確定其最低剛度要求；2）結構設計時按滿足最

50、低剛度要求設計，并計算其結構自振頻率；116Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學3 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值3）對于設計好的結構，根據(jù)其自振頻率，計算橋梁及車輛的共振速度，設法避開車輛及橋梁同時發(fā)生共振的結構布置形式，即在可能出現(xiàn)車輛和橋梁同時共振的跨度范圍，不采用等跨度的橋梁結構布置形式；4）對于已設計好的結構，用車橋耦合振動計算模型檢算車輛和橋梁各自共振速度時的列車運動舒適性與安全性，對不能滿足要求的橋梁進行修改設計，直至滿足舒適性與安全性的要求。結構變形限值-豎向撓度限值不同速度等級的鐵路，對豎向撓度的限值是不一樣的。詳細列出如下。117Haibo Liu PhD.

51、 SWJTU西南交通大學3 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值京滬暫規(guī)中的梁體的豎向撓度限值(ZK靜載） 跨度mL2424 80單跨L/1300L/1000L/1000多跨L/1800L/1500L/1000客專無碴軌道設計指南梁體的豎向撓度限值(ZK靜載） L50m，無碴軌道鋪設后徐變上拱10mmL50m，無碴軌道鋪設后徐變上拱L/5000， 20mm118Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學3 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值200km/h客貨共線暫規(guī)梁體的豎向撓度限值(中活載） 鐵路基本規(guī)范梁體的豎向撓度限值 (中活載） 簡支混凝土梁： L/800 跨度mL2020L 5050

52、 L 7070 L 96單跨L/1000L/1000L/900L/900多跨L/1400L/1200L/1000L/900跨度mL2424 L 4040 L 96單跨L/1300L/1000L/1000多跨L/1800L/1500L/1200200250km/h客專暫規(guī)梁體的豎向撓度限值 (ZK靜載） 119Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學3 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值德國 鋪設無碴軌道的高速鐵路橋梁，對橋梁變形的要求，參照德國無碴軌道的總體技術規(guī)范技術通告（2002.8.1 DB Netz NST）和DIN技術報告101：=（L）UIC+K+S容許=（L）804 L1

53、0.0m時，（L）=0.4以32m梁為例，（L）=0.4 容許的垂直位移取決于跨度和速度 L=32m、v=350 km/h時120Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學結構變形限值-豎向轉角限值墩臺梁體扣件鋼軌道床板道床板 客專無碴軌道設計指南梁端的豎向轉角(ZK靜載） 京滬暫規(guī)中的梁端的豎向轉角(ZK靜載） L 80m無規(guī)定L80， 23 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值121Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學3 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值200km/h客貨共線暫規(guī)梁端的豎向轉角(中活載） 鐵路基本規(guī)范中梁體的豎向轉角 (中活載） 無規(guī)定 200250km/

54、h客專暫規(guī)梁端的豎向轉角 (ZK靜載） 有碴軌道： 2 無碴軌道： 路基與橋梁過渡段：310-3rad；兩梁之間： 1+2610-3rad122Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學3 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值德國考慮沖擊系數(shù)的UIC71活載和溫度，1）單線橋梁：橋梁端頭 6.510-3rad； 中間支點處 1+21010-3rad2）雙線橋梁：橋梁端頭 3.510-3rad 中間支點處 1+2510-3rad123Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學3 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值兩梁豎向錯位對扣件上拔力的影響其他要求 兩梁豎向錯位 客專無碴軌道設計指南

55、規(guī)定，梁縫鋼軌支點相對位移不應大于1mm 德國無碴軌道技術規(guī)程規(guī)定，設有縱坡的橋梁，由于活動支座產(chǎn)生水平位移引起的梁縫兩側鋼軌支點間的豎向相對位移不宜大于1mm124Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學3 高速鐵路橋梁剛度要求與變形限值結構變形限值-橫向力撓度限值 在列車搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下，梁體的水平撓度應小于或等于梁體計算跨度的1/4000；結構變形限值-豎向自振頻率限值 常用簡支梁豎向自振頻率限值跨徑（m）16202432404856自振頻率限值（Hz）7.56.05.03.753.02.382.18125Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學

56、在高速鐵路線上，列車對橋梁的動力作用增大，為滿足行車安全、乘坐舒適以及適應高速鐵路線路的構造要求，高速鐵路橋梁必須具有足夠的強度、更高的剛度及良好的穩(wěn)定性，更大的抗扭能力和較高的減振降噪特性。同時，采用無縫長鋼軌的線路，其橋梁體系的構造應能很好地傳遞列車縱向力，使列車縱向力不能過多地分配給鋼軌。 三、世界各國高速鐵路橋梁的結構形式126Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學為滿足以上要求，國外一些規(guī)定或規(guī)范中對高速鐵路橋梁的結構型式提出了原則性的建議或要求。國際鐵路聯(lián)盟UIC776-2高速和超高速線路上的橋梁規(guī)程規(guī)定，最適宜的橋型應是橋梁上部結構具有盡可能好的剛性，并建議: 世界

57、各國高速鐵路橋梁的結構形式（續(xù)）127Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學小跨度橋（L20m）的結構形式 帶道碴的正交異性板 外包混凝土的鋼梁 鋼筋混凝土或預應力混凝土板或T梁 鋼混凝土組合結構世界各國高速鐵路橋梁的結構形式（續(xù)）128Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學對中等跨度橋（20mL60m） 鋼筋混凝土或預應力混凝土箱形梁 鋼混凝土組合結構對大跨度橋（L60m） 上弦設有抗風聯(lián)結系的雙線橋格構梁橋 鋼、鋼筋或預應力混凝土拱橋世界各國高速鐵路橋梁的結構形式（續(xù)）129Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學隨著建橋水平的提高及預應力混凝土結構

58、的廣泛應用，同時人類對環(huán)境的要求越來越高，國外近年修建的高速鐵路新線，基本上全部采用鋼筋混凝土及預應力混凝土結構。 世界各國高速鐵路橋梁的結構形式（續(xù)）130Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學在日本的鐵路新干線上，除東海道新干線設計速度為210 km/h外，其余幾條線的設計速度為260 km/h。在這些線上，橋梁總延長所占線路長度比重較大，下表為各條新干線上橋梁及高架橋所占比例。 日本新干線上的橋梁131Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學 新干線上的橋梁及高架橋所占比重日本新干線上的橋梁（續(xù)）橋 型東 海 道山 陽 新 干 線上 越東北新干線東京新大阪新大阪

59、岡山岡山博多大宮新瀉東京盛岡延長km比率%延長km比率%延長km比率%延長km比率%延長km比率%橋 梁5711201231730117515高架橋11622744586221324927956合 計173339457117291626035471132Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學由上表可見，日本新干線上高架橋的比率，在某些段幾乎占了線路總長的一半。由于有這樣多的高架橋，因此日本新干線上的高架橋多采用標準設計。日本高架橋標準設計的基本情況如表3.1，標準設計中橋面寬度按表3.2確定。 日本新干線上的橋梁（續(xù)）133Haibo Liu PhD. SWJTU日本新干線上的橋

60、梁（續(xù)）高架橋標準設計的基本情況 表3-1134Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學日本新干線上的橋梁（續(xù)）高架橋標準設計的基本情況 續(xù)表3-1135Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學 新干線表彰高架橋橋寬（m） 表3-2日本新干線上的橋梁（續(xù)）136Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學東海道高架橋的幾種標準設計形式如下圖所示日本新干線上的橋梁（續(xù)）圖3.1 日本東海道標準設計框架式高架橋（單位:mm）137Haibo Liu PhD. SWJTU西南交通大學續(xù)上圖3.2 日本東海道標準設計框架式高架橋（單位:mm）日本新干線上的橋梁（續(xù)）13