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橋梁與橋梁施工方法漢語版
橋梁和橋梁施工方法
一．橋梁
簡支桁架橋
在相當長的一段時間里，美國的橋梁設(shè)計師把他們的創(chuàng)造才能都用在設(shè)計新型的桁架梁和板梁上，他們做這種努力的目的是要找到一種橋梁形式使其金屬使用量盡可能減小。每一種設(shè)計出來的橋梁形式都要受到實際應用的嚴峻考驗，只有通過實際應用才能確定這種形式的優(yōu)點和缺點。根據(jù)適者生存的原則，經(jīng)過實踐，少數(shù)幾種橋梁形式保留下來了，而其他的形式則被湮沒在橋梁的歷史中。像人們預期的那樣，保留下來的為數(shù)不多的橋梁形式是所有形式中最簡單的。雖然現(xiàn)在，人們偶爾還聽說某些桁架橋的改進形式，但是這種設(shè)想的改進卻很少得以實現(xiàn)。那些經(jīng)受了時間考驗而保留下來的橋梁形式包括普拉特型、佩蒂特型以及其他一些形式。
普拉特桁架是梁美國在橋梁跨度小于250英尺的最常用的一種形式。它的優(yōu)點是簡單節(jié)約鋼材，而且便于同橋面和橫向系統(tǒng)聯(lián)接。佩蒂特桁架梁是普拉特桁架橋的修正形式，一般用于跨度超過250-300英尺的橋梁。相對來說，這種形式也比較簡單，而且也像普拉特桁梁一樣節(jié)約鋼材，而且便于同橋面和橫向系統(tǒng)聯(lián)接。
懸臂橋
懸臂橋的橋跨是由懸臂支撐的。懸臂由支撐它的橋墩向前后延伸，并在橋跨中心會合而聯(lián)接在一起。懸臂的設(shè)計可以采取不同的形式，但都遵循在一個共同中心平衡的原則。
懸臂橋主要有兩大優(yōu)點。一是，在修建高架橋的時候，用這種方法建橋可以使用體積較小，結(jié)構(gòu)更緊密的橋墩，而要是讓每個橋墩都支撐相鄰的兩段板梁橋跨，就做不到這一點。其次，在鐵路必須穿越寬闊水道的情況下，如果水流又急又深，難以做到基礎(chǔ)設(shè)置中間橋墩，在這種情況下，可以采用懸臂橋形式。
但是，除非出現(xiàn)上述情況，否則不宜采用懸臂橋的形式，因為它的剛度不如簡支桁梁橋，而且建造起來需要使用更多的鋼材。
拱橋
拱橋特別適合建在兩邊是石壁的深谷上，以及具有巖石河底與天然橋臺的淺灘上。拱橋的優(yōu)點是節(jié)約鋼材，而且外形美觀。而它的缺點是剛度不夠。而且對大多數(shù)拱橋來說，其構(gòu)件的應力具有不確定性。
當橋梁的基礎(chǔ)建立在橋樁或是熱河其他容易輕微下陷的材料上，或者橋臺可能橫向移動，哪怕是一點點，上部結(jié)構(gòu)都不適宜采用拱橋，因為不論是橋墩或是橋臺發(fā)生任何下陷或移動都會推翻設(shè)想的計算條件，從而造成某些應力增加到難以確定的數(shù)值，而這些應力在上部結(jié)構(gòu)中應是成比例的。
斜拉橋
在過去的十年中，斜拉橋得到了廣泛的應用，特別是在西歐。在世界其他地方，應用的廣泛性則相對小一些。斜拉橋是按照這樣一種結(jié)構(gòu)體系造建的，這種體系包括一個由拉索吊住的正交異性橋面板和連續(xù)梁。拉索是指通過或固定在主橋塔上的斜纜。
用纜索來支撐橋跨的這種想法并不新鮮，在很久以前就記載有這種結(jié)構(gòu)的一些例證。不幸的是，一般來說，這種辦法都沒有獲得成功，其原因是當時人們沒有充分理解靜力學，而且使用了不適當?shù)牟牧�，例如用板條和鏈條來做斜支撐或拉索。
直到最近，由于采用高強度的鋼材與正交異性橋面板，以及焊接技術(shù)的發(fā)展和在結(jié)構(gòu)分析方面的進步，斜拉體系才得到廣泛而成功的應用。電子計算機的發(fā)展和應用開辟了新的、幾乎是無限的可能性，來確切地解決這種在靜力學上非常不確定的體系以及對這些體系的三維性能進行準確的靜力分析。
把斜拉橋體系應用到橋梁工程中，從而產(chǎn)生了許多具有極佳特征和優(yōu)點的新型橋梁結(jié)構(gòu)，其中最突出的是它們的結(jié)構(gòu)特征、效率和應用的廣泛性。斜拉橋的基本結(jié)構(gòu)與它能迅速發(fā)展以及得到成功的理由如下：
斜拉橋是一個空間體系，由加勁梁、鋼或混凝土橋面和支承部分的受壓橋塔和受斜拉纜組成。斜拉橋按照它的結(jié)構(gòu)性能，介于橋梁和懸索橋之間。
斜拉橋的結(jié)構(gòu)特征是它的加勁梁和預加應力或后加拉應力的斜纜結(jié)合起來的整體性，因為斜纜是通過橋塔頂端向下連到加勁梁的錨固點上的。由于斜纜作用產(chǎn)生的水平壓縮力由加勁梁承受，因而不需要巨大的錨固裝置，這樣，下部結(jié)構(gòu)就比較節(jié)約鋼材。 采用正交異性系統(tǒng)產(chǎn)生了新型的上部結(jié)構(gòu)，它能輕易的承受斜纜的水平拉力而幾乎不需要增加材料，即使對大跨度橋梁也是如此。
在舊式、傳統(tǒng)的上部結(jié)構(gòu)中，平板、縱梁、橋面托梁和主梁都被視為起獨立作用的。這種上部結(jié)構(gòu)不適合斜拉橋。但是，使用正交異性橋面，具有巨大截面積的加勁板不僅用作主梁和橫梁的上弦桿，而且還可以用作水平板梁以抵抗風力，使現(xiàn)代橋梁比舊式橋梁的抗風支撐具有更大的橫向剛度。事實上，在正交異性體系中，所有的車行道構(gòu)件和上部結(jié)構(gòu)的輔助部分都在主橋體系中起作用，其結(jié)構(gòu)是減低了梁的高度，節(jié)約了鋼材。
這個體系的另一個結(jié)構(gòu)特征是在橋梁任何位置承受荷載的情況下其幾何形狀不會改變，而且所有纜索都處于拉緊的狀態(tài)之下。斜拉橋的這種特征使得它可以用相對來說比較輕而且柔軟的材料—纜索來制造。
這種三維橋梁的重要特征是其橫向結(jié)構(gòu)在縱向方面也充分分擔了主結(jié)構(gòu)的任務。這意味著這個結(jié)構(gòu)的慣性矩有了很大的增加，這樣可以降低梁的高度從而節(jié)約鋼材。
正交異性體系使得在橋塔和橋梁主跨中心之間的橋面成為連續(xù)體�？缭蕉鄠�橋孔的上部結(jié)構(gòu)成為連續(xù)體具有很多優(yōu)點。這實際上是一座不多的斜拉橋所必需的。
二．橋梁施工方法
一座橋梁的最終造價是建造橋梁結(jié)構(gòu)物的材料費用與這項工程相關(guān)的機械費用和臨時工程及勞動力的費用的總和。材料的費用能夠被預算的相當準確的，承包商們借助施工經(jīng)驗是能夠估算施工機械和勞動力的費用的。但是勞動力的費用是不能夠精確分析的。最近的一項比較有競爭力的設(shè)計試圖通過減少臨時工程和工程的工期來革新施工方法。
橋梁上部結(jié)構(gòu)比較適宜的施工方法將隨施工場地不同而不同，并主要取決于橋梁的長度和跨度、橋梁的類型、基礎(chǔ)條件及其所使用的材料。例如：現(xiàn)場澆注混凝土的施工方法適用于40米以下的短跨徑橋梁，如果河床在一年中的大部分時間是干燥的，那么預應力混凝土懸臂施工方法在有通航要求的大跨橋梁中是比較合適的�，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是盡可能避免使用臺架施工，而在最大程度上采用預制構(gòu)件；另一方面，起重機、滑拽梁等施工機械的應用范圍也越來越廣。這些都是從對施工方法的密切關(guān)注甚至是設(shè)計過程的密切關(guān)注而取得的巨大收獲，而不是在善于解決永久材料。
小跨度橋梁
當橋梁的跨度小于40米左右時，它的上部結(jié)構(gòu)可以通過支承在地面上的趾甲施工。其它的施工方法中的梁可以整體預制，然后利用頂推梁或起重機架設(shè)。如果這座橋梁是等跨的，在后一種施工方法中，由于架設(shè)設(shè)備而增加的費用和由于施工工期短而減少的費用之和將會比前一種施工方法的模板制作費用低。
大跨度橋梁
大跨度橋梁經(jīng)常是連續(xù)梁形式或懸臂梁形式的預應力混凝土橋梁。以前許多的施工方法已發(fā)展為連續(xù)梁橋的施工方法。如果模板和地面之間的距離較小并且土質(zhì)堅硬，橋梁的上部結(jié)構(gòu)可以使用支架施工方法。不過這種施工方法已經(jīng)越來越過時了。目前，自由懸臂法和移動模架法的應用漸廣并能節(jié)省時間和提高安全性。
移動模架法是利用固定在鋼制臺架上的移動系統(tǒng)而形成，這種系統(tǒng)能夠達到一跨長并支承在一端支承在橋墩上并借助于第二根鋼導梁逐跨移動的鋼梁上。
一種經(jīng)濟的施工方法是被廣泛知曉的由Baur-leonhard團隊所發(fā)展的使用廣泛的頂推法。整個的連續(xù)梁被劃分成10-30米長度的節(jié)段，這種劃分主要依據(jù)跨徑和能夠利用
的施工時間。每個節(jié)段在橋臺后面的鋼模上能夠快速澆注，鋼�？梢灾苻D(zhuǎn)使用而澆注所有的節(jié)段。這樣設(shè)計模板是為了能夠橫向移動或在鉸上轉(zhuǎn)動，以便在混凝土充分硬化后脫模。在第一節(jié)段的頂端安裝上一個由輕型桁架組成的鋼導梁，以實現(xiàn)第一節(jié)段以后的節(jié)段順利架設(shè)而防止在施工出現(xiàn)過大的懸臂部分。第二節(jié)段及以后的節(jié)段可以直接在第一節(jié)段的硬化面上澆注并在施工過程中將節(jié)段連接起來。頂推是通過支承在橋臺上的液壓千斤頂實現(xiàn)的，由于聚四氟乙烯的滑塊的摩擦系數(shù)只有0.02，低效能的千斤頂就足夠完成長度甚至達數(shù)百米的橋梁的頂推。這種方法可以應用在長度在120米左右的直線橋梁或曲線橋梁上。
自由懸臂法是由法國的Dyckerhoff和Willmann所創(chuàng)始。這種施工方法中，橋梁的上部結(jié)構(gòu)是通過節(jié)段長度基本在3.5米的懸臂機上施工，懸臂機的費用相對比較低并且固定在橋梁承重結(jié)構(gòu)上，由于它的重復利用性使它能在長橋上使用。由于施工速度的加快和時間的節(jié)省使得這種施工方法的費用比較低從而避免了使用臺架施工，自由懸臂法比較適用于橋墩較高并且懸臂能伸到跨徑中部的橋梁上。
另一種施工方法是整體沉箱法。沉箱是一種底邊有刃腳的大型圓筒，其刃腳可以切入水底。當壓縮空氣進入沉箱內(nèi)部時水就會被排出。沉箱的利用必須嚴加注意。首先，工人們只能在這種壓縮空氣的空間里呆很短的時間；另一方面，如果工人們從沉箱進入正常的大氣壓條件下過于迅速，他們將比較容易患上潛水�。ㄒ脖环Q作沉箱�。@在能使人致殘的甚至致命的環(huán)境中由于血液中氧氣過多所引起的一種病。
當St.louis市的密西西比河Eads上的橋在1867-1874年施工時，由于人們對在壓縮空氣中工作的危險性認識不足，最后由于患潛水病而導致14人死亡。
當在橋墩上有外力作用時，基樁經(jīng)常需要嵌入基巖，也就是說它們的下部一直延伸到基巖。這種方法曾經(jīng)用來建造位于強風和地震區(qū)域的舊金山金門大橋的橋墩。鉆孔是在水下由深水潛水員進行的。
在不能到達基巖的地方，樁通常被打進河床。今天，在施工的基樁基本上是預應力混凝土結(jié)構(gòu)。在建造紐約哈德遜河上的泰平.吉橋時所采用的一種巧妙技術(shù)是將一個空心混凝土箱置于橋樁層上，當它里面的水被抽干時，它的浮力足夠支承橋梁重力的一大部分。
每一種類型的橋梁實際上代表了特殊的問題。許多桁架橋的施工是先將橋上桁架運到已施工完畢的基樁位置，然后再利用千斤頂或起重機架設(shè)到適當位置。拱橋是在腳手架或臨時腳手架上施工的，這種方法通常用于預應力混凝土拱橋。然而對鋼拱橋來說已發(fā)展了一種技術(shù)，用這種技術(shù)將已裝好的部分借助起支承作用的鋼索控制就位（鋼拱在安裝過程中還沒有合攏前，是兩個懸臂，需要用鋼索拉住兩個懸臂以免傾倒）。當鋼索中的拉力增加時，起重機就沿著拱橋的頂部移動以架設(shè)新的鋼拱。
對懸索橋來說，需要首先施工基礎(chǔ)和索塔。這時鋼索從錨碇（一個固定鋼索的大混
凝土塊）穿過直至索塔并且通過另一索塔而錨固在錨碇上，然后從卷線盤上放松鋼索的輪子沿著鋼索運動，當卷線盤到達另一面時，另一根鋼絲又裝進卷線盤并最終到達它的原位置。當所有的鋼索被放在固定的位置后，另一臺機器沿著鋼索移動并對其進行張拉錨固。當鋼索施工完畢時，逐漸開始在支架上從兩端向中間施工。
在橋梁下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計中要考慮的荷載包括：從上部結(jié)構(gòu)傳下來的荷載和直接作用于下部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)的荷載。
AASHTO荷載。 AASHTO規(guī)范第三部分總結(jié)了橋梁設(shè)計（上、下部結(jié)構(gòu)）要考慮的荷載和作用力。主要有：恒載、活載、活載沖擊力或動力作用、風荷載以及其他荷載——如縱向力、離心力、溫度力、土壓力、浮力、收縮及徐變、拱肋縮短、安裝應力、冰及水流壓力、沖撞力及地震應力。除了這些通常能夠量化大的典型荷載外，AASHTO同樣認識到諸如活動支座處產(chǎn)生的摩擦以及由于橋梁的沉降差而產(chǎn)生的應力等間接荷載效應。
LRFD規(guī)范將荷載按不同的方式劃分為兩種：永久作用和可變作用。
永久作用
荷載：包括所有橋梁構(gòu)件、器件及輔助設(shè)備、道路面層的凈重及未來鋪裝重量、填土恒載。AASHTO及LRFD規(guī)范都給出了表格，總結(jié)了橋梁工程重常用的單位重量。
可變作用
汽車荷載 小跨度橋梁的汽車荷載：美國和加拿大已致力于發(fā)展一種比H或HS AASHTO模型更實際的代表高速公路活荷載的模型。到目前為止，AASHTO模型仍被廣泛采用。
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