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古代索桥的现代版——应力带桥

时间: 2024-12-17 13:50:45 | 作者: 安博体育客户端

　　对桥梁工程稍有了解的人都知道，古代的（藤、绳、竹、铁）索桥呈明显挠曲的外观，桥面就直接铺设在索上。这样的桥极易晃荡，行人不便，更遑论行车了。能否采用现代材料和工程科技，重塑类似古代索桥样式的现代索桥呢？答案是肯定的。这样的桥梁，就是本文讨论的应力带桥/张力带桥/悬带桥。

　　在英文中，把这类桥梁称为Stressed ribbon bridge；按字面简译，就是应力带桥，意指对呈带状的桥梁结构施加了力（包括承重索的张力和对混凝土桥面板的预应力）。在德文中，把这类桥梁称为Spannbandbrücke（这是德国著名土木工程师乌尔里希·芬斯特瓦尔德早年创造的术语），按字面简译，就是张力带桥，意指把带状桥面板置于张紧的承重索上，桥面呈略微下垂态。在我国，湖南淘金大桥（见后）的设计师当年给自己设计的桥梁取名为“悬带桥”，大概意指带状结构呈悬索状。比较而言，英文及德文名称关注带状结构的受力，中文名称关注带状结构的外观。本文对这类桥梁的不同称呼不作区分。

　　无需多言，应力带桥的概念非常古老，就是来源于古代索桥。古代中国人不仅最早开始建造索桥，也知道需要尽可能把索绷紧（参见：亚东桥线：关于桥头堡的那点事（中））。今天，这样的古桥，如我国的大渡河铁索桥、秘鲁的印加草绳桥等，仍在服务于社会。

　　1960年，德国工程师芬斯特瓦尔德提交了博斯普鲁斯海峡大桥的设计的具体方案（图1）。他建议采用一条长1200m、厚30cm的预应力混凝土张力带结构。张力带由两个中心距408m的巨大桥墩支撑，桥墩两侧各有100m长的预应力混凝土悬臂梁，中间自由悬挂的带长超过200m，下垂1.45m，可满足90km/h的公路交通速度。能想象，即便是今天，估计也难以采纳这种大胆超前的设计方案。

　　1964年，在瑞士的一座水泥厂内，采用张力带结构建造了一座跨度216m传送带桥。到了第二年，雷内·沃尔特（René Walther）教授在瑞士施维茨州的福赖恩巴赫建成伯奇韦德（Birchweid）人行桥（图2）。该桥跨径40m，桥宽2.8m，垂度约0.4m，6股预应力筋/索布置在平均厚度只有15cm的桥面板内。它不仅是一座小巧精致的桥梁建筑，也是世界上第一座人行张拉带桥。

　　凑巧的是，世界上第一座公路应力带桥，也是1965年建成的。这就是乌拉圭的莱昂内尔·维埃拉（Leonel Viera）桥（图3）。这是一座150m长的双车道公路桥，主跨90m，两边跨均为30m，桥宽10m，由建筑商莱昂内尔·维埃拉设计施工。这座桥开创了采用预制混凝土桥面板的应力带桥的典型施工顺序：先架设承重索，再放置桥面板，然后在桥面板上加载沙袋，随之浇筑桥面板之间的缝隙混凝土；最后卸除沙袋，借此对混凝土结构施加预应力。2005年，在原桥旁边又建了一座外观相同的桥。

　　图4给出了应力带桥建造数量的不完全统计。可见，从1965年之后的30年内，世界上零星地建造了大约20座桥。千禧年前后出现过一个小高潮，近20年内建造数量明显增多。目前，世界上大约有70座桥，主要分布在德国、瑞士、日本、美国、捷克等国。

　　不同年代建造的几座有特色的应力带桥见图5。图5a为德国弗莱堡的一座三跨人行桥，分跨25.50 + 30 + 30.45m，桥宽4m，建成于1970年，是德国的第一座张力带桥。图5b为1989年建成的西班牙阿尔马桑的一座人行桥。桥长173m，宽3.25m，混凝土板厚25 cm；分跨15 + 4×35 + 18m，布置有5个双V形桥墩。图5c为美国加州的萨克拉门托河步道桥（Sacramento River Trail Bridge）；该桥跨径127.4m。宽3.96m，1990年建成，是大多数人行应力带桥采用的经典样式。由于无需设置桥墩，这类应力带桥对自然环境的干扰或影响最小。图5d为2001年竣工的英国肯特信使千禧桥（Kent Messenger Millennium Bridge）。桥长101.5m，由两条（河跨49.5m+边跨37.5m）呈25度夹角的、厚29cm的混凝土应力带组成，是世界上第一座在平面上呈折线状的应力带桥。

　　一般而言，应力带桥是指由悬链线形状的带状桥面板形成的张力结构。它类似于传统索桥。索的两端需锚固在两岸，桥面板重量及交通荷载由悬索（通常为钢绞线）承担。但与传统索桥不同的是：为避免挠曲过大，悬索需要有合理张力；对混凝土桥面板，为增加结构刚度，需要对桥面板施加预应力。

　　应力带桥所用材料，主要是混凝土与钢绞线所示，混凝土用于制作桥面板，一般会用分段预制，截面形式主要与钢绞线的布置有关。钢绞线通常分为承重筋/索和预应力筋，也可将两者合二为一（布置在钢管中并注浆防护）；钢绞线通常布置在板内，但也可布置在板外。承重筋/索在施工阶段用于支承预制混凝土板带，预应力筋用于给混凝土板带施加预应力。板内钢绞线由后浇混凝土防护或通过管道灌浆防护，板外钢绞线所示为英国肯特信使千禧桥的截面布置示意，其混凝土板带是由充当底模的预制板及后浇混凝土组合而成的。

　　个别应力带桥采用了钢板带与木桥面板或混凝土桥面板组合的形式。2013年建成的德国蒂申罗伊特市的马克斯·格莱斯纳人行桥（Max-Gleiner-Brücke，图8），桥长85m，分跨2×37.5m，桥宽3.5m。两条高强度钢带的宽厚尺寸均为500×25mm，借助支架焊接成条，并锚固于两岸桥台。

　　应力带桥可以是单跨或多跨。多跨结构可保持桥面曲线平缓，减少下垂及桥面板中的弯曲应力。对多跨桥，中间桥墩的形式多样，如直立或倾斜桥墩，V形或X形桥墩。无论采用哪种桥墩，对采用钢绞线的桥，需要在墩顶设置鞍座；对采用钢板带的桥，需要构造出一个上凸的弧线）。

　　对多跨结构，也可采用拱结构支承的应力带桥（拱结构充当鞍座），其也可以看成是拱与应力带的组合。当条件允许时，通过斜向受压撑杆把应力带端部与拱座连接起来，还可形成自锚式的应力带桥。2000年德国建成的博斯特尔桥（Brstel-Brücke，桥长96m，桥宽3.5m，拱跨～35m）、2007年捷克建成的横跨 D35 高速公路的一座人行天桥（桥长83m，桥宽4m，拱跨64m，自锚式）、2012年美国建成的菲利斯·J·蒂利纪念桥（Phyllis J. Tilley Memorial Bridge）等，就是采用拱+带的形式。蒂利桥全长112.17m，拱跨49.5m，桥宽3.7m；采用钢拱与应力带（由钢板带+预制混凝土板构成）组合结构，构造出了轮廓优美、环境协调的桥梁景观（图9）。

　　应力带桥的静力分析与施工全套工艺流程相关。施工全套工艺流程中结构为完全柔性的索，承受桥面板重量及温度作用；使用的过程中结构为施加了预应力的板带，其既承受纵向压力也承受弯矩作用（图10）。分析可知，板在各支承处的荷载弯矩以及温度弯矩很大，一定要通过构造措施减小这里的弯矩，典型的做法是在桥台或支墩处增设挑臂（图10）。另外，为保证应力带桥的安全性和适用性，需严格考察人群荷载、风荷载作用下结构的动力和稳定性能，必要时可增设阻尼装置。

　　常规应力带桥的施工顺序，最重要的包含下列步骤：（1）施工桥台，锚定桥台至基岩；（2）在两桥台间安装承重筋/索，并（分次）张拉；（3）将预制混凝土板件悬挂在承重筋上，然后沿着索长方向滑到既定位置；（4）通过搭接钢筋和现浇混凝土使桥面板形成连续带状结构；（5）张拉板中的预应力筋；（6）安装其他附属设施。不同的构造，施工步骤可能不一样。图11给出了两座桥梁在第（3）步时的施工情景。

　　应力带桥的结构特点最重要的包含：（1）用料较省；（2）可借助承重筋/索施工，无需落地支架；（3）可省略伸缩缝和支座，维护工作量很小；（4）施工全套工艺流程对环境的不利影响小；（5）需在两岸设置地锚，对地质条件有一定要求；（6）需要注重结构的整体刚度、动力和稳定性能以及力筋防锈。

　　若想建造通行顺畅的公路应力带桥，那就得在应力带上设置竖向支撑并布置水平的行车道梁。1974年在哥斯达黎加建成的、由林同炎先生设计的拉斐尔·伊格莱西亚斯桥（Puente Rafael Iglesias，也叫科罗拉多河桥，图12），是世界上第一座此类桥梁。这是一座混凝土桥，桥长204 m，宽8.50 m，桥面分跨15+25+124+25+15 m。在124m长的区段内，两端8m长范围内布置鞍座，中间108m长范围内布置应力带，其上布置4个支撑车道梁的排架。承重索有4组 28 束，每束由 34根Φ7钢丝组成。主要的施工步骤见图13。

　　接下来，日本在1977年建成速日峰桥（图14）。这座混凝土桥长54.48m，跨度48.6m，桥宽4.8m，垂跨比1/9.7。应力带的水平力由台后岩锚抵消，应力带上设置6排框架式排架，车道梁为纵向连续的I形梁。施工步骤包括：桥台及岩锚施工，承重索张拉，预制板构件架设，排架安装，车道梁架设，填封混凝土和预应力张拉，桥面铺装。

　　1989年初，在我国湖南建成淘金大桥（图15）。这桥长74m，设计跨径70m，垂跨比1/9，桥面宽4.5m。上部结构由端锚梁、连续T梁、盖梁排架和主索悬带组成，外观及施工步骤与日本速日峰桥类似。不同的是，在施工阶段设置了临时的隧洞式岩锚，在完成整体的结构施工后再放松地锚，将承重索的拉力转化为对结构本身的压力，形成了独特的“自锚上承式悬带桥”。

　　对比前述的科罗拉多河桥和速日峰桥，淘金大桥省略了永久性地锚，由此可减少材料用量，增加结构刚度，提高地质适应性。从外观和受力上，“自锚上承式悬带桥”如同结构倒置和受力反向的刚性系杆柔性拱桥，即：受拉的悬带对应受压的拱，受压的排架对应受拉的吊杆，受压弯的车道梁对应受拉弯的系杆（梁）。

　　2003年在日本岐阜县建成桥长91.63m的希望桥，2004 年在日本德岛县建成青云桥（图16），两桥的结构类同。青云桥长97.0m，跨度93.8m，桥宽5m。如同淘金桥，这桥也采用先临时地锚、后再放松地锚的方式施工，取名为“自锚式 PC 组合桁架桥”，上部结构由上弦（混凝土车道梁）、下弦（混凝土应力带）和腹杆（钢管斜撑）组成。

　　工程实践中，为增加梁桥的承载能力，可在梁下布置构件对梁体进行加劲。这样的构件，可以由一根或多根钢撑杆和体外拉索构成，也可以是混凝土撑杆加曲线形预应力混凝土板带，还可以是钢撑杆与混凝土板带的组合。例如，1977年建成的德国巴特尚道易北河桥（Elbbrücke Bad Schandau），采用4跨预应力混凝土连续箱梁结构，分跨50+100+2×59m；为维持全桥梁高一致，对百米跨径的通航跨进行加劲，加劲构件由宽3.04 m、厚 0.6 m的抛物线形预应力混凝土板带以及间距10.5 m、厚0.25 m的混凝土撑板组成，见图17。

　　可见，在公路应力带桥的发展中衍生出来的“自锚上承式悬带桥”或“自锚式 PC 组合桁架桥”，可以视为采用预应力混凝土板带对梁的加劲。其好处是：取消了永久性地锚，可节省材料；引入的应力带结构，可提升结构整体刚度；另外，即便是跨度百米左右的单跨结构，也无需借用支架施工。

　　该桥位于捷克布拉格，跨越伏尔塔瓦河，1984年建成（图18上）。桥梁全长261.2m，桥宽3.8m；分跨85.5+96+67.5m，各跨垂度分别为1.34、1.69和0.84m。混凝土板段长3m，平均板厚约24cm，悬挂在由两组共144根7丝钢绞线组成的承重索上。

　　2002年，这座桥遭受洪水冲击受到一定损伤。2007年后发现混凝土板开裂，2014年检测到承重筋锈蚀，2016年评估该桥技术状况较差且无法修复，2017年12月2日突然垮塌（图18下）。2020年新建一座钢梁人行桥。

　　霍奇斯湖人行及自行车桥位于加州圣地亚哥，是目前世界上最长的应力带状桥（图19）。该桥建成于2009年，全长301.75m，共分三跨，每跨长度100.58m，垂度1.41m。预制板段长3.048m，宽4.266m，最大板厚0.407m。承重筋/索和预应力筋均采用钢绞线，置于凹槽内。通过详细的结构分析和风洞试验，验证了桥梁抗震抗风的可靠性。

　　这是中国的第一座应力带桥，由sbp施莱希·贝格曼工程设计咨询有限公司承担设计。该桥位于深圳光明小镇，长约100m，宽2.7m，跨越一个30m深的山谷（图20），2020年建成。该桥采用两跨体系，主跨65m，边跨25m，跨间设置一根斜撑。应力带采用钢板+预制混凝土板的形式，钢板采用Q690高强度钢材（截面尺寸700×40mm），钢板带之上布置120mm厚的预制混凝土桥面板。由于场地的交通限制，该桥采用了支架法施工。先在落地支架上焊接钢板带，然后拆除支架实现对钢板带的张拉，接着安装预制混凝土板，最后安装桥梁附属设施。