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[国外桥梁] 美国桥梁上部结构材料及结构形式选择的初探 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2017-12-6 11:23:36 |显示全部楼层 |          |
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文/李志峰 王昌将 杨扬

       当前钢结构在我国大跨径桥梁上得到了广泛应用,但在中小跨径桥梁应用方面还处于起步阶段,以浙江省为例,钢结构桥梁总占比不到1%;国内部分省份钢结构比例稍大,但混凝土桥梁仍占有压倒性优势。如何在中小跨径桥梁中推广应用钢结构,如何提升中小跨径混凝土桥梁设计标准化,使得桥梁发展更符合绿色公路的建设理念,这是进一步提高我国桥梁品质的需要,也是我国桥梁产业迈向工业化发展的需要。

        本文拟通过研究美国桥梁信息库NBI(National Bridge Inventory)近百年的数据,对美国桥梁上部结构材料和结构形式选择进行归纳、总结,以供国内桥梁业界决策参考。

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美国桥梁宏观分析

美国桥梁现状

       经过百年的建设和发展,美国交通运输网络覆盖全国,交通设施比较先进。NBI数据显示,1900年到2015年间,全国桥梁座数从0.18万座增加到了47.47万座。其中,2015年,跨径≤50m的中小跨径桥梁有46.42万座,占到了美国桥梁总座数的97.8%,中小跨径桥梁的里程数达到了21754.6公里,占到了美国桥梁总里程数的84.7%。

       主桥材料座数占比如图1所示。截至2015年,预应力混凝土简支桥梁占比最高,为26.9%。其次是钢结构简支桥梁(24.1%)和混凝土简支桥梁(18.3%);混凝土桥梁合计占比60.7%,其中预应力混凝土桥梁合计占比32.3%,钢桥合计占比34.7%。

       主桥桥型座数占比如图2所示。使用率最高的上部结构形式为纵梁/多主梁,占比为52.1%,其次是板梁(17.1%)、多箱梁(11.2%)和T梁(7.5%)。

       将主桥材料和桥型进行组合,共有230种组合形式;主要组合的座数、面积、桥龄如表1所示,占比情况如图3所示(图表中“其他”为总量排名在前八名之外的材料桥型组合)。

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表1 材料桥型主要组合一览表

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图1 美国2015年桥梁材料座数占比图(单位:%)


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图2 美国2015年桥梁桥型座数占比图(单位:%)

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图3 美国2015年材料及桥型座数占比图(单位:%)


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       由图1、图2、图3数据分析可知,使用率最高的桥型为纵梁/多主梁,其中钢简支、钢连续和预应力混凝土简支的纵梁/多主梁体系占比最高,分别占到了桥梁总座数的20.8%、10.0%、11.9%;其次是板梁的使用率,混凝土简支板梁和混凝土连续板梁均占桥梁总座数的6.8%;另外,预应力混凝土简支多箱梁和混凝土简支T梁分别占到了总座数的8.9%和4.1%。

       由表1可知,桥梁规模比较大时,上部结构形式选用钢连续—纵梁/多主梁体系(桥梁平均面积1593.6m2,下同)和预应力混凝土连续—纵梁/多主梁体系为主(1580.1m2);桥梁规模中等时,上部结构一般选择预应力砼简支—纵梁/多主梁体系为主(1291.6m2);桥梁规模较小时选择钢简支纵梁/多主梁体系(466.1m2)、预应力混凝土简支多箱梁(305.5m2)、混凝土连续板梁(419.1m2)、混凝土简支板梁(234.4m2)和混凝土简支T梁(419.5m2)为主。


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美国“结构缺陷”桥梁现状

       以桥面和上部结构缺陷为例,1900年到2015年间,随着桥梁的建设发展和技术的不断更新,“结构缺陷”桥梁的占比明显呈下降趋势,桥梁结构不断完善,如图4所示。


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图4 美国历年“结构缺陷”桥梁座数占比

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       图5数据显示,按材料区分,超过一半的“结构缺陷”桥梁为钢,其中钢结构简支桥梁占比46.1%,钢结构连续桥梁占比8.7%;混凝土简支桥梁占比17.9%,混凝土连续桥梁占比7.2%;预应力混凝土桥梁占比较小,简支和连续结构占比分别为9.7%和1.2%。
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图5 美国2015年“结构缺陷”桥梁座数占比图(单位:%)


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      美国桥梁发展趋势分析

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全国桥梁发展趋势

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       美国历年不同材料的新建桥梁座数占比变化趋势如图6所示(图表中“其他”为除了混凝土、预应力混凝土、钢和木材以外的材料,下同),在不同的历史时期,新建桥梁材料、桥型选择有所不同。1940年以前,钢简支桥梁和混凝土简支桥梁为新建的主要桥型。1940年后预应力混凝土简支桥逐渐成为新建桥梁的主流,2015年达到43.1%,加上预应力混凝土连续结构,混凝土结构总占比达到54.1%;而钢简支桥梁占比在逐渐减少,从1920年的47.7%下降到2015年的17.0%,钢连续桥梁从1900到1960年间逐年增长,1960年后开始逐渐减少,到2015年为8.1%。为了避免桥梁施工对既有交通的影响,美国大力推进ABC快速桥梁施工法(Accelerated Bridge Construction),预应力混凝土简支桥因为其施工便捷快速,成为美国近年来新建桥梁上部结构的主流形式。


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图6 美国历年新建桥梁材料座数占比


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图7 1980年之后美国历年新建桥梁材料座数占比


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       由图7可知,美国1980年之后的新建桥梁中,上部材料占比相对稳定,混凝土桥梁的占比维持在70%上下,逐年略有增加。钢结构桥梁占比维持在28%左右,相较于我国新建钢桥占比严重偏小的现状,钢桥在我国仍有很大的发展空间。

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“结构缺陷”桥梁变化趋势

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       美国每年都会对桥梁进行检测和相应的维修、养护工作。“结构缺陷”桥梁统计详见图8、图9。由图8分析可知,钢简支桥梁在所有“结构缺陷”桥梁中占比最高;1960年之后,随着预应力混凝土桥梁的应用不断增加,“结构缺陷”桥梁占比也相应有所提升,但钢桥仍然在“结构缺陷”桥梁中占比最高。由图9可知,1980年之后的新建桥梁中,“结构缺陷”桥梁占比相对稳定,混凝土桥梁的占比维持在45%上下,钢结构桥梁占约40%,相比较图7中70%、28%的新建桥梁比例,钢桥的“结构缺陷”率相对较高,但相比较1980年之前新建桥梁,新时期的钢桥“结构缺陷”率已有显著改善。
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图8 美国历年“结构缺陷”桥梁材料累计座数占比

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图9 1980年后美国历年“结构缺陷”桥梁材料累计座数占比


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       因此,在我国进行钢结构桥梁推广过程中,桥型选择时应充分考虑环境类别对桥型的影响;提倡全寿命周期成本设计;研制和推广耐候钢等新型耐腐蚀钢材;运营阶段应加强养护,减少钢材锈蚀、结构损伤、疲劳破坏等一系列病害。无论是材料还是结构形式的选择,都有很强的时代性。它与技术成熟度、经济性、可施工性及市场供给量有关,而选择发生变化的原因是安全性、可维护性、耐久性等因素,也就是全寿命周期角度的再次思考与比较,推动了新的选择。

       在下一阶段的桥梁发展中,我国应充分吸取国内外的实践经验,合理选择材料与结构形式。钢结构桥梁方面,结构形式上应选择构造简单、受力明确的双主梁或多主梁的钢板梁桥;混凝土方面可多采用纵梁/多主梁结构。施工方面应有针对性地开展工业流水线制造、提高可运输性、提升可施工性、追求免维护性、延长使用寿命、增加安全性、合理降低造价等方面的研究。实现标准化设计、工业化制造、商品化供应、装配化施工、少量化维护、信息化管理,进一步提升我国中小跨径桥梁全寿命周期性价比,实现桥梁品质工程。


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作者单位:浙江省交通规划设计研究院


编辑:见习编辑 张含

美编:欣钰

审校:江北 廖玲


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