第1章绪论
1.1大跨度桥梁的发展
1.1.1斜拉桥的发展
自20世纪中叶以后，现代斜拉桥在世界桥梁工程发展中脱颖而出。据统计，关于现代斜拉桥的**条记录出现在1952～1958年，在这以后的50年里，斜拉桥因其建造成本相对经济、受力性能较好、具有较高的美学观赏性而备受青睐。在国际桥梁和结构工程协会(IABSE)评选的15座“20世纪全球*美桥梁”中，斜拉桥*占5席，显然斜拉桥已经超越悬索桥成为大跨度桥梁建设中*有竞争力的桥型[1-3]。
在我国，斜拉桥的建设如雨后春笋般纷纷涌现，“五纵七横”国道主干线上，如三亚至同江国道上的五大跨海工程(琼州海峡工程、珠江口伶仃洋跨海工程、杭州湾跨海工程、长江口越江通道工程、渤海湾跨海工程)，经常可以看到斜拉桥的身影。其中包括杭州湾跨海大桥(北航道桥为主跨448m的钻石形双塔双索面钢箱梁斜拉桥，南航道桥为主跨318m的A形单塔双索面钢箱梁斜拉桥)、伶仃洋跨海大桥(包括主桥900m的斜拉桥方案)、长江口越江通道(包括越江隧道和越江大桥)，以及于2008年6月建成通车的苏通长江大桥(主跨1088m)和2009年12月通车的香港昂船洲大桥(主跨1018m)等一系列大型桥梁项目。
大跨度斜拉桥的施工建造是一项十分复杂、庞大的不确定性系统工程，在具体的工程开展过程中会面临施工技术要求高、操作环境复杂、操作工人劳动强度大、事故发生率高、人员流动性强、索力大且集中、单索钢绞线数量大、桥梁整体抗扭能力差、对项目经理的管理水平要求高等一系列问题。在这样一个处处充满风险的行业里，还经常涉及通航河流船撞风险、工程地质和水文勘查中的不确定风险等。施工过程中任何环节的差错或疏忽，都可能引发工程事故。因此，大跨度斜拉桥施工过程中必须对可能出现的风险进行全面分析和评估，建立各种行之有效的风险控制措施，减少事故的发生。
国内有关的规范尚未完善，风险管理工作比较滞后[4-6]。因此，尽快完善大跨度斜拉桥施工期间的风险管理体系和法律法规体系已成为当务之急。
1.1.2自锚式悬索桥的发展
悬索桥是一种由主缆、吊索、塔、梁组成的组合体系桥梁结构，其以主缆为主要承重构件。其传力路径为荷载先由吊索传至主缆，再由主缆传递至桥塔和锚固构造[7]。因此传统的悬索桥需要用巨大的锚碇来承受来自主缆的拉力，但在某些特殊情况下不适合修建锚碇，这在一定程度上限制了悬索桥的应用。在这样的背景下自锚式悬索桥应运而生。自锚式悬索桥不同于普通悬索桥的是它的主缆直接锚固在加劲梁上从而不需要庞大的锚碇，主缆的水平分力将由加劲梁承受，从而只有吊索的竖向分力由其端部支撑，这有效地解决了某些地区因不适合修建锚碇而限制悬索桥应用的问题，极大地扩展了悬索桥的应用前景[8]。
自锚式悬索桥是一种新的桥型，它保留了地锚式悬索桥的线形和匀称柔和的、美丽的外形，受地质与地域条件制约较小。近年来，自锚式悬索桥因其形状好看、承力能力强、经济节省、适应性强等优点，渐渐得到了工程师们的喜爱，不仅丰富了人们的视觉体验，也提升了桥梁建筑的艺术内涵[9]。
自锚式悬索桥的主缆两端直接锚固在加劲梁上，主缆的水平张力将加劲梁压缩，从而使悬索桥系统内部形成自我平衡。主缆张力的水平分量由加劲梁承担，主缆张力的垂直分量由锚墩支持和压重平衡，没有必要修建庞大的锚碇，从而可以节省造价。自锚式悬索桥能够在不方便筑造锚碇的地方修建，适用于在不良地质条件和对景观要求高的地方，或地锚式悬索桥不易建设的地方，从而进一步扩大了悬索桥的适用范围。自锚式悬索桥不需要筑造巨大的锚碇，这就使其外形更为简洁好看，已然成为中小跨度的都市桥型之一。从受力性能的角度来看，自锚式悬索桥是一种多次超静定的结构体系，由于主缆锚固在加劲梁的梁端，可为加劲梁提供水平预应力，很大程度上改善了加劲梁受力。加劲梁承担了较大的轴向压力，有梁柱的受力特征，主要是弯矩和轴向压力。
自锚式悬索桥*早是由美国工程师本德和奥地利工程师朗金在19世纪后期分别*立构思出来的桥型。1859年朗金就提出了这种构想，1867年本德申请了自锚式悬索桥专利，1870年朗金在波兰设计建造了**座小型的铁路自锚式悬索桥。
自锚式悬索桥于20世纪初期在德国兴起。世界上**座大型自锚式悬索桥——科隆-迪兹桥由德国设计师于1915年在科隆的莱茵河上建造，其主跨是185m，主缆就位前，钢梁由临时木支架支撑。这深刻地影响了后续自锚式悬索桥的设计，日本的清洲桥以及位于美国宾夕法尼亚州跨越阿勒格尼河的多座桥在造型上与科隆-迪兹桥都非常相似。特别是位于美国宾夕法尼亚州的多座桥虽然其跨度比科隆-迪兹桥小，但其施工工艺取得了很大的进步。此后的25年里又有四座自锚式悬索桥在莱茵河上建成。自锚式悬索桥加劲梁的轴力将使该种桥梁的受力性能接近于弹性理论的观念在20世纪初被工程师们普遍认同，德国以及美国在这段时间内各自设计修建了一些自锚式悬索桥。
美国、日本、韩国等国的工程师们后又修建了多座自锚式悬索桥，特别是1990年跨度为(120+300+120)m的世界上**座自锚式公路悬索桥——日本此花大桥的建成，标志着自锚式悬索桥的进一步发展。世界上**座双层行车的公铁两用自锚式悬索桥——韩国永宗大桥于1999建成，其跨度组合为(125+300+125)m。这些桥梁的建成进一步促进了自锚式悬索桥的蓬勃发展。国外的部分自锚式悬索桥的基本数据见表1.1。
我国的自锚式悬索桥发展相对较晚，但近20年其发展十分迅速，且结构形式多样。我国在2002年建成了世界上**座混凝土加劲梁的自锚式悬索桥——大连市金石滩金湾桥，此后我国的自锚式悬索桥刷新了多项世界纪录，自锚式悬索桥在我国出现了蓬勃发展的新局面，还被赋予了新的生命力。表1.2给出了我国部分自锚式悬索桥的基本数据。
1.1.3大跨度V腿PC梁桥的发展
随着经济的发展及工程技术水平的提高，人们不仅对桥梁的要求日益提高，对桥梁美学也提出了新的要求。如今，城市新建桥梁更倾向于实用与美观的统一，与其周围环境的相互统一。城市桥梁不再是一个简单的连接两地的工具，同时成为当地一道亮丽的风景线或者著名的风景地标[10，11]。
梁桥从*初*为简单的实腹式矩形梁桥，发展到如今较为常见的空腹式变截面箱形梁桥，不仅满足了更加安全、实用和经济的要求，还使得梁桥看起来更为轻盈、美观。现在，人们或许已经看腻了这种千篇一律的梁桥，加上如今较为成熟的预应力技术，于是工程师们在中跨根部采用新颖的V形支撑来改观梁桥在人们心中的形象。近年来，我国新建了一些带有V腿结构体系的桥梁，如V腿连续梁桥、V腿连续刚构桥、V腿与拱组合体系等。V腿连续梁桥与普通三跨连续梁桥的不同之处主要在主梁根部区域[6]。*先，V腿桥梁受力合理，依靠两端斜腿水平长度能够有效地缩短桥梁的计算跨径，其自重下弯矩约等于去掉V腿间主梁长度的连续梁弯矩值。这样支点处*大负弯矩与中跨跨中处*大正弯矩都会相应大幅度地减小。这样就可以减小根部主梁截面尺寸，进而节约用材，降低工程造价。其次，V腿结构提高了主梁的水平刚度，由于两端斜腿的支撑，主梁挠度相比同等跨径的梁桥要小许多。*后，V腿结构部分以受压为主，而混凝土的抗压性能极佳，能够充分运用材料的特点。在温度、活载等情况下，V腿结构部分发生偏心受压，也可以通过配置预应力筋的方式加以解决，V腿的存在能够有效地减小墩身的高度。V腿连续梁与V腿连续刚构相比，前者因为与墩之间采用铰接，没有约束桥梁的纵向水平位移，使得所受水平力小许多，下部结构受力更加明确，仅受压。同时在计算模型中，连续梁桥的超静定次数相应减少，结构由预应力或收缩徐变作用下产生的次内力也会相应减小。这种桥梁在建成之后，造型轻盈，*特美观，能够很好地与其周围环境统一，所以非常适合在城市和景观要求较高的地区采用。
V腿梁桥与等跨径的连续梁桥相比，主梁受力有着明显改善，刚度较大，造价较低，更为轻盈美观，在城市桥梁中有着非常不错的发展前景。目前，这种常规的V腿连续梁桥和V腿刚构梁桥的发展方兴未艾。一般来说，桥梁中V形结构主要运用在主梁的根部截面，即桥墩处主梁截面，根据其下方与墩连接处是否设置支座而进一步分为V腿连续梁桥和V腿刚构桥[12，13]。
国外的V腿梁桥修建较早，*早约为1955年，法国罗讷河畔拉武尔特(La Voulte-sur-Rhone)桥(图1.1)建成通车，该桥全长300m，主跨56m。主梁采用等截面梁，全桥共有5个V形支撑墩，墩梁固结，且与竖直线的夹角较小，约为20°。1962年，英国建成圣-米歇尔(Saint-Michel)桥，该桥全长326m，主跨65.2m，主梁截面采用变截面梁，V形墩斜腿与铅垂线夹角约为30°。在此之后，德国、荷兰、日本等众多国家也修建了一批类似结构的V腿梁桥，比如日本的十王川桥、泰国的沙吞(Sathorn)桥、德国的梅恩河(Main River)桥(图1.2)等。20世纪90年代，国外的V腿梁桥有了新的动向，主要表现为自重的减轻、跨径的不断增大。如1994年建成的法国阿尔萨斯大运河(Alsace Grand Canal)桥，其V腿结构*次采用了较轻的钢桁架。2005年建成的荷兰尼德兰(Netherlands)桥的V腿采用了钢箱梁的结构形式。由于美学方面和景观价值因素，传统的直线形支撑逐渐被*线形所取代。美国的伍德罗?威尔逊桥(图1.3)共31跨，其*大创新点在于将传统V形斜腿设计成*线形。总的来说其变化主要有以下四个方面：①跨径与斜腿间夹角得到提高，适用范围进一步扩大；②部分桥梁V腿结构采用钢材料替代原本钢筋混凝土材料(如意大利里诺桥，图1.4)；③V腿采用*线形代替以往的直线形，使全桥更具观赏性；④在V腿以及主梁中施加预应力筋，以提高桥梁的安全性与耐久性。
国内V腿梁桥建设起步相对较晚，1988年国内**座公路V腿刚构桥——雉山漓江大桥(图1.5)建成通车，该桥主梁采用预应力混凝土结构，V腿采用劲性骨架钢筋混凝土结构。1997年，国内**座铁路V腿刚构桥——八渡南盘江大桥建成(图1.6)，该桥是世界**高的V腿桥梁，建筑高度达105m。步入21世纪之后，V腿梁桥向着大跨度多跨数方向发展，其中比较具有代表性的是浙江千岛湖大桥(图1.7)和广州琶洲大桥(图1.8)。其中千岛湖大桥全长1258m，其主桥长928m，主跨105m，于2005年建成通车，其上部结构采用预应力连续刚构即墩梁固结体系。琶洲大桥全长1205m，为双向分离式双幅梁式桥，单幅桥宽15m，主桥总长570m，跨径布置为70m+135m+160m+135m+70m，在设计与通车之时是世界上*大跨度的V腿梁桥。
表1.3和表1.4中列举了国内外部分V腿梁桥的跨径大小或结构形式。目前学界针对普通V腿梁桥即在V腿上仅是截面形式或者截面尺寸不同的梁桥进行的研究较多，关于其施工风险的研究较少。
展开
