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建筑结构丨悬臂梁桥的百年兴衰

更新时间:2022-09-20 08:49:31 作者:乐鱼平台官网首页 来源:乐鱼在线登录网页版

  采用钢或混凝土建造的悬臂梁桥,在现代桥梁工程中占有重要的一席之地。百年前,采用这种桥式的钢桁架梁桥曾经辉煌一时;在预应力混凝土梁桥向大跨度方向的发展历程中,悬臂梁桥也起到过重要的作用。今天,由于种种原因,这一桥式已很少修建了。它是如何起源和发展的?若读者感兴趣,可接着往下看。

  在古代中国,造桥以木居多,常用者就是将木头(圆木或方木)架在石墩或木墩上,形成木梁桥。不过,若想用较短的木头搭建起一座跨度较大的桥,那就得花费一点心思了。为此,中国古代先民在长期的生产实践中创造出了形式多样的木桥,其中就包括独创的伸臂木梁桥。

  中国的伸臂木梁桥,似乎最早出现在西北地区。相传在公元263年,曹魏大将军邓艾与其子邓忠率部从临洮南下攻蜀,在花石峡口(甘肃陇南宕昌县官亭镇)修造了一座伸臂木梁桥。因这桥为邓艾父子所造,故名邓邓桥。在清光绪十一年(1885年),该桥进行过最后一次修葺,后改建为钢筋混凝土梁桥。图1所示为今天在原桥位附近的仿制者,桥跨23m。

  关于伸臂木梁桥的确切文字记载,出现在南朝宋(公元420~479年)新亭侯段国撰写的《沙洲记》中,其说“吐谷浑于河上作桥,谓之河厉。长百五十步,两岸累石作基陛,节节相次,大木纵横,更相,两边俱平,相去三丈,并大材,以板横次之,施勾栏,甚严饰。”普遍认同的说法是:这桥修建于南北朝初期,在今青海循化撒拉族自治县古什群口处跨越黄河。

  结合图1来理解《沙洲记》中对“河厉”的描述,可以看出伸臂木梁桥的构造特点是:按由短到长、由下至上的次序,将木头沿桥纵向水平摆放(或向上斜置),层层向河心挑出,形成伸臂叠梁;伸臂的岸侧端,需采用不同方式固定于岩体或台座;两伸臂的河侧端之间,再搭建长木相连。这样的构造,除了材料不同之外,与后来带挂孔的悬臂梁桥相差无几。

  历史上名气很大的几座伸臂木梁桥,都在甘肃,如阴平古道上的文县阴平桥、兰州握桥、渭源灞陵桥等。阴平桥位于文县玉垒乡冉家村关头坝,桥一端是素有“陇蜀咽喉”之称的玉垒关。该桥的始建年代应早于邓邓桥,清代重修时仍为单孔伸臂木梁形式。20世纪70年代,随着碧口水库的修建,当年的古桥、雄关和栈道遗址统统没入了水底。1988年,此处建成关头坝大桥(跨径180m的双链式钢桁梁悬索桥)。

  兰州握桥(图2),相传始建于唐代,仿吐谷浑的“河厉”而建,跨度约22.5m。明永乐年间及清代多次重建。该桥在1952年拆除,现兰州水车博览园内有仿建者。灞陵桥(图3)始建于明洪武初年,1919年仿兰州握桥再建;1934年重建,跨度约29.5m。历史上不少名人(左宗棠、蒋介石等)曾为此留下墨宝,现为全国重点文物保护单位。握桥和灞陵桥易被误认为是木拱桥,大概是因为其伸臂为斜置(好似木制的叠涩拱),且在桥外侧设置了拱状的挡水面板所致。

  除西北地区以外,在西南藏区,现也保存有不少伸臂木梁桥。图4所示为四川阿坝、甘孜、凉山和西藏林芝等地的几座伸臂木梁桥。最为有名的,是在甘孜藏族自治州新龙县乐安乡境内横跨雅砻江的波日桥,见图5。该桥建于元末明初,1844年重建,1933年之后多次进行维修,是目前保存年代最久、跨度最大(主跨35.6m)的伸臂木梁桥。波日桥的建造没用一铁一钉,造型粗犷古朴、地域特色浓郁,是全国重点文物保护单位。

  随着建桥技术的发展扩散,伸臂木梁桥也从山区峡谷走向平原河流,从单向伸臂发展为双向伸臂。湖南醴陵的渌江桥,曾经就是一个典型的多孔伸臂木梁桥。渌江桥始建于南宋乾道年间(1165~1173年),初为木墩木梁,后改石墩木梁桥,屡毁屡建。从清末留下的照片(图6)可见,当时是一座多跨的伸臂木梁桥。到1925年,民间集资改建成一座9墩10孔的石拱桥,长177m,最大跨径16m。康有为题写桥名,为全国重点文物保护单位。

  需要提及,在南亚的不丹、尼泊尔、巴基斯坦和印度北部的部分地区,也存在有一些伸臂木梁桥。图7所示为不丹普纳卡堡的伸臂木梁廊桥(Punakha Dzong,建于17世纪)。这些国家或地区的伸臂木梁桥发展,应该与西藏存在着密切关联。另外,结合年代和地域看,西南藏区的伸臂木梁桥建造技术,则有可能来自西北地区。

  1866年,德国工程师海因里希· 格柏( Hei nrich Gerber)获得一项与铰接梁相关的专利。1867年,采用这一专利,格柏主持设计了世界上第一座桁架悬臂梁桥,见图8。这桥是一座熟铁制成的下承式公路桁架桥,分跨29.9-37.9-29.9m,挂孔长23.1m,在德国哈斯富尔特跨越美茵河(Mainbrücke Ha furt)。

  很快,这种桥式(称为GerberBeam)就获得桥梁工程界的青睐并在铁路桥梁建设中推广开来。1877年美国建成的肯塔基高桥(HighBridge,美国第一座悬臂梁桥,3×114.3m,1911年改建),1883年建成的尼亚加拉悬臂桥(NiagaraCantilever,主跨151m,1925年弃用)和1889年建成的波基普西桥(Poughkeepsie,主跨5×160m,1974年因火灾停用,2009年改为人行桥)等,均是早期熟铁或钢桁架悬臂梁桥的例子。

  1882~1890年,英国采用该桥式,建成了规模空前的福斯湾铁路桥,见图9。该桥为铆接钢桥,主桥总长1620m,主跨达521.3m,主跨内悬臂长207.3m,挂孔106.7m,支承处的桁架高度达110m。此桥结构高大,杆件粗壮,刚度和承载能力足够,但外观稍逊。

  接下来的百年内,加拿大、美国和日本等国家建造了一批大跨度钢桁悬臂梁桥,包括:加拿大Quebec桥(主跨549m,1919年建成,架设中曾发生过两次惨烈事故,为钢梁桥跨度纪录保持者),日本Minato桥(主跨510m,1973年,1991年开通下层桥面),美国CommodoreBarry桥(主跨501.1m,1974年)和Greater New Orleans桥(主跨480.4m,1958年;1988年在附近再建一座,跨度486.2m),印度的Howrah桥(主跨457.5m,1943年),美国Gramercy桥(主跨445m,1995年)和Pulaski桥(主跨381.2m,1932年)等。

  中国建造的钢桁悬臂梁桥极少,济南泺口黄河铁路桥是一个特例,见图10。该桥位于原津浦铁路(现京沪铁路上的一部分),在济南市区北部跨越黄河。大桥由德国人负责设计施工,1912年建成。桥长1236m,共12孔,其中第9~1 1孔采用三跨一联的钢桁悬臂梁结构,分跨128.1+164.7+128.1m,中跨挂孔109.8m,是当时中国跨度最大的钢桥。此桥命运多舛,先后经历过北伐、抗日和解放战争的战火洗礼,四毁四修。1991年全桥封闭,2000年经修复加固后又恢复通车使用至今,现为全国重点文物保护单位。

  从20世纪50年代起,随着预应力和悬臂施工技术的进步,大跨度预应力混凝土悬臂梁桥开始得到发展。这类桥大多为T形刚构桥,“T形”是指施工时梁从各墩顶对称悬臂伸出,形同英文字母T;“刚构”则指墩梁固结,以增加施工阶段抗倾覆的稳定性。各T构之间,可设置剪力铰或挂孔。当然,带铰或挂孔的多跨梁桥,也属于此类。

  T构桥的第一种构造形式,是让相邻两T构在跨中合龙处(边跨则在T构端部)设置剪力铰,这样主梁的弯矩值同号而便于配筋,但混凝土徐变及温度变化会在铰处产生附加剪力;另外,活载会导致铰处产生转角,对行车不利。1953年建成的德国沃尔姆斯的尼伯龙根桥(Niebelungen,分跨101+114.2+101m),1965年建成的荷兰泽兰大桥(Zeeland,桥长5022m,含50孔95m长的梁跨,见图11),其在每跨中央都设有铰。

  对边跨较短、中跨较长的桥, 可只在中跨中央设铰,而在其余各跨不设铰,形成整体刚度较大的单铰连续T构桥。典型的桥例有:1965年德国建成的本多夫桥(Bendorf,分跨43.0+44.4+70.5+208.0+70.5+44.4+43.0m)、1976年日本建成的滨名大桥(Hamana,主桥分跨55+140+240+140+55m)等。中国成昆铁路上的旧庄河1号桥(1966年,分跨24+48+24m,悬臂拼装施工)和孙水河5号桥(1970年,分跨32.3+64.6+32.3m,悬臂浇筑施工),尽管没有采用T构形式,但均是在主跨中央设铰的预应力混凝土悬臂梁桥,见图12。

  对于多跨长桥,可将若干跨按一联连续布置,再将各联之间的伸缩缝,设置在某一跨内的反弯点附近,以铰相连,这样可使梁的活载挠度及转折角小于在跨中设铰者。1966年建成的法国奥莱龙(Oléron)桥,由46跨预应力混凝土梁组成,对其中的26×79m部分,让每4孔为一联,在反弯点处设铰,见图13。

  T构桥的第二种构造形式,就是在跨中布置挂孔(或挂梁)来代替铰。这类T构桥可避免铰的复杂构造和受力问题,但在徐变作用下主梁悬臂端下挠和桥面不平顺依然存在。澳大利亚布里斯班库克船长(Captain Cook)桥,1972年建成,分跨73.2+109.2+146.3+182.9+42.7m,其第2、4跨内各设有25m的挂孔。中国较早修建的大跨预应力混凝土梁桥,多采用这种形式,如柳州柳江大桥(1968年建成,主跨124m,挂孔25m,见图14)、福建乌龙江大桥(1971年,主跨144m,挂孔33m)、重庆长江公路桥(1980年,主跨174m,挂孔35m)、泸州长江大桥(现名泸州长江四桥,1982年,主跨170m,挂孔40m)等。也曾建造过带挂孔的预应力混凝土悬臂桁架梁桥(注意,不是桁架拱桥)。俄罗斯的萨拉托夫桥(Saratov,1965年,主桥分跨106+3×166+106m,挂孔46m,见图15)、澳大利亚的里普桥(Rip,1974年,73.6+182.9+73.6m,挂孔37m)和中国湖北的黄陵矶桥(1979年,主桥分跨53+90+53m,挂孔16m),是少有的几个桥例。

  不论是钢桁悬臂梁桥还是预应力混凝土悬臂梁桥,其在桥梁工程的发展历程中均占据着重要历史地位。但是,因铰或挂孔会导致结构变形较大且桥面不平顺,也因桥梁结构计算分析能力的提升,自20世纪80年代起,就几乎不建悬臂梁桥了。既有的悬臂梁桥,尤其是预应力混凝土桥,有相当一部分进行过加固改造。取而代之的,是钢和混凝土的连续结构,如钢桁连续梁、预应力混凝土连续梁和连续刚构等。

  在近年来的桥梁建设中,还可偶见悬臂梁桥和T构的身影。2002年,法国在留尼汪岛上建造了Bras de la Plaine桥,其为一座跨度280.77m的悬臂梁公路桥,见图16。该桥为组合结构,顶板为预应力混凝土(板底布置体外筋),底板为钢筋混凝土并在跨中断开,其间布置钢管斜杆作为腹板。这座单跨组合式桁架桥,因其创新构造形成的优雅轻盈的结构造型,获得国际桥协2003年度卓越结构奖。

  还有用单T构(没有铰或挂孔)构成的预应力混凝土梁桥,其脱胎于传统的T形刚构悬臂梁桥,但严格地讲已不是悬臂梁了。对山区坡度较大、谷宽有限、无水或少水的沟谷,采用单T构,可在沟心设墩,一墩两跨。这既能避免在斜坡上布置桥墩,又能起到保护环境的作用,还能减少边坡防护,降低地质灾害风险。日本大井川铁道(建于20世纪30年代)线上,有一座这样的桥梁(具体信息不详)。中国雅泸高速上的唐家湾大桥(主跨2×114m)和宜万铁路上的马水河大桥(主跨2×116m)等,均采用这种桥式(见图17)。悬臂梁桥的未来如何?对这个问题,相信读者们已有自己的答案。

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