近代鐵路橋梁的發(fā)展史

1鐵路橋梁的前狀及建設(shè)自18世紀(jì)70年代歐洲民主革命以來(lái)，它一直是一座現(xiàn)代橋梁，隨著大工業(yè)和交通的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)。已有200多年的歷史。一般以英國(guó)建成世界上第一座鑄鐵橋的1779年作為這段歷史的開端。1825年英國(guó)建成世界上第一條鐵路以后的一個(gè)世紀(jì)是資本主義國(guó)家大規(guī)模興建鐵路和鐵路橋梁的時(shí)期。20世紀(jì)初開始了汽車與公路橋梁的發(fā)展。煉鋼業(yè)的發(fā)展始于19世紀(jì)60年代,第一座鋼橋建于1874年美國(guó)的圣路易斯鐵路橋。在這以前的90多年里,除了部分中小跨度橋梁仍沿用磚石木料之外,19世紀(jì)中期以前以修建鑄鐵橋?yàn)橹?19世紀(jì)中期以后,以修建熟鐵橋?yàn)橹?。進(jìn)入20世紀(jì)以后,在新建橋梁中,鐵橋已全部為鋼橋所取代。波特蘭水泥的工廠化生產(chǎn)始于1824年的英國(guó),至1867年英國(guó)才修建混凝土鐵路拱橋,第一座鋼筋混凝土橋則到1875年才在法國(guó)建成。20世紀(jì)中期以前,鋼筋混凝土橋局限于中小跨度橋梁,1937年第一座預(yù)應(yīng)力混凝土橋建成以后,混凝土橋才進(jìn)入長(zhǎng)跨度橋的行列。回顧歷史,不難發(fā)現(xiàn),近代橋梁是在與事故及病害的斗爭(zhēng)中不斷發(fā)展的。在鐵橋時(shí)期(18世紀(jì)后期至19世紀(jì)后期),橋梁事故十分頻繁,僅美國(guó)1870~1970年間,鐵路桁梁橋的破壞每年就達(dá)25座,其中1877年俄亥俄阿西塔鐵路桁梁橋的倒坍奪去了90人的生命。兩年以后,英國(guó)泰河橋(跨度61.0~71.2m)13孔連續(xù)熟鐵桁梁橋在大風(fēng)中帶著列車墜入河中,車上73人無(wú)一幸免。至于當(dāng)時(shí)的懸吊橋及斜拉橋更是事故頻繁。例如:1809年美國(guó)費(fèi)城建成的休吉河鏈桿懸吊橋(2孔46.5m),兩年后在畜群過(guò)橋時(shí)倒塌。重建以后,至1816年又為積雪壓垮。1824年德國(guó)建成的尼恩堡斜拉橋(跨度78m),1825年人群過(guò)橋時(shí)斜桿斷裂墜毀,死難50人。1829年英國(guó)建成跨度為44m的渤魯東鏈桿式懸吊橋,至1831年在列隊(duì)軍人過(guò)橋時(shí)毀壞。德國(guó)在1830年建成的納索蘭河鏈桿懸吊橋(12m+75m+12m)在1833年的大風(fēng)中,12根鏈桿及加勁梁斷裂。此外,英國(guó)還在1830年修建了世界上第一座公鐵兩用懸吊橋(跨度85.5m,在斯托克敦至達(dá)林敦的鐵路線上),并通行了火車,但列車過(guò)橋時(shí),橋面波浪起伏,以至必須在橋面梁下打樁支撐。不久即拆除改建。盡管如此,在這一階段,橋梁建設(shè)者克服了各種挫折,取得了重大進(jìn)展和成就,首先滿足了鐵路橋梁從無(wú)到有,迅猛發(fā)展的需要,完成了從鑄鐵橋到熟鐵橋,又進(jìn)入鋼橋的發(fā)展過(guò)程,確立了桁梁橋的各種形式,進(jìn)行了從樞接到鉚接的革新,首創(chuàng)用熟鐵絲或鋼絲編成的纜索取代鏈桿作為懸索橋的主纜,為懸索橋的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。另一方面,進(jìn)行了大量材料試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和風(fēng)力測(cè)定,制定了荷載標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范,解決了超靜定結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。這些不僅極大地提高了橋梁的耐久性和安全性,也為下一個(gè)階段的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)入鋼橋時(shí)期(19世紀(jì)后期至今),橋梁性能在與事故及病害的斗爭(zhēng)中不斷提高的事例更不鮮見。對(duì)鋼材脆裂的研究始于19世紀(jì)末。20世紀(jì)20年代英國(guó)人格立非斯提出了破斷理論,并用缺口韌性試驗(yàn)作為檢查材料韌性的手段。但脆裂事故仍時(shí)有所聞。1932~1935年前蘇聯(lián)建成的5座全焊鐵路鋼橋全部發(fā)現(xiàn)裂紋。同期,比利時(shí)所建30座全焊空腹桁梁橋中,有3座在1938~1940年間倒塌。1951年嚴(yán)冬,加拿大一座全焊接鋼橋突然倒塌,1962年澳大利亞的墨爾本新建的京斯橋在47t的車輛荷載下,路面下陷305mm,1971年,美國(guó)的弗里芒特鋼拱箱形肋下翼緣76mm的鋼板(A514)產(chǎn)生了一條長(zhǎng)1676mm的裂縫。這些都不斷促使對(duì)鋼材質(zhì)量與焊接工藝提出更高的要求。促成了焊接鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的提高。日本于1974年建成的港大橋(跨度510m)和90年代建成的本四聯(lián)絡(luò)橋(包括跨度1911m的明石海峽大橋)所用的HT70和HT80鋼都是既有高強(qiáng)度又有良好焊接性能的鋼材。1940年7月1日美國(guó)塔科瑪懸索橋(333m+853m+333m)建成通車,同年11月7日,在1/3設(shè)計(jì)風(fēng)速下因扭撓震動(dòng)破壞。在這次事故的研究中提出了應(yīng)將空氣動(dòng)力學(xué)引入橋梁的設(shè)計(jì)中來(lái),并開展了橋梁的風(fēng)洞試驗(yàn)。這就使得40年代以后修建的懸索橋的抗風(fēng)性能達(dá)到了更高的水平。1969~1971年,四大鋼箱梁橋在安裝過(guò)程的落橋事故,曾引起世界震驚。有關(guān)國(guó)家都組織了調(diào)查小組并于1972年在倫敦召開了國(guó)際會(huì)議,導(dǎo)致了對(duì)鋼箱形梁橋設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)則的一系列改進(jìn)。英國(guó)并對(duì)已完工的51座和正在施工的49座箱梁橋進(jìn)行了檢查,作了局部修改和加固。至于混凝土橋130余年的發(fā)展歷程,從素混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、部分預(yù)應(yīng)力混凝土,以至預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土,每一步都含有與混凝土開裂作斗爭(zhēng)的內(nèi)容。預(yù)應(yīng)力技術(shù)(高強(qiáng)度混凝土、高強(qiáng)度鋼材和安全可靠的錨固技術(shù)為預(yù)應(yīng)力的三大要素)成熟于20世紀(jì)20年代。1937年德國(guó)建成世界上第一座預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋以后,混凝土橋開始進(jìn)入長(zhǎng)跨度橋梁的領(lǐng)域,混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)性能也達(dá)到了前所未有的水平。2公路橋結(jié)構(gòu)橋梁的缺陷率及使用壽命期望值2.1當(dāng)前橋梁的耐久性經(jīng)過(guò)2個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,橋梁數(shù)量已異常龐大。其中有相當(dāng)數(shù)量,由于環(huán)境腐蝕和風(fēng)雨侵蝕,發(fā)生了不同程度的壞化。一部分按以往標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)施工的橋梁有承載力不足或抗地震能力不足的問(wèn)題。因此,舊橋的檢查、評(píng)估、維修加固的工作已成為橋梁工程中的一項(xiàng)主要工作。在全部橋梁中,混凝土橋梁已經(jīng)占絕大多數(shù)(1989年歐洲橋梁中混凝土橋梁占70%,美國(guó)混凝土橋梁占52%,我國(guó)混凝土橋梁占90%以上)。在混凝土橋梁中,預(yù)應(yīng)力橋梁所占比例雖然有日益增加的趨勢(shì),但迄至20世紀(jì)末,鋼筋混凝土橋仍遠(yuǎn)多于預(yù)應(yīng)力混凝土橋。例如,德國(guó)1965~1984年的20年中預(yù)應(yīng)力混凝土橋在全部橋梁中的比例上升了24.2%,但才達(dá)到37.1%;鋼筋混凝土橋的比例下降了24.4%,但仍占61.2%。美國(guó)在1950~1994年的45年中所建327829座公路橋中,鋼筋混凝土橋有91886座,占28%,預(yù)應(yīng)力混凝土橋有88304座,占26.9%,鋼橋118424座,占36.1%,木橋27317座,占8.5%,其他橋梁1309座,占0.5%。我國(guó)1993年全國(guó)主要鐵路干線有混凝土橋9萬(wàn)余孔,其中鋼筋混凝土橋6萬(wàn)余孔,預(yù)應(yīng)力混凝土橋約3萬(wàn)孔。在各類橋梁中,預(yù)應(yīng)力混凝土橋的缺陷率最低,而使用壽命的期望值最高。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦公路管理局的統(tǒng)計(jì),美國(guó)1950~1994年修建的各類公路橋梁的缺陷率及使用壽命期望值見表1、表2。從上表可知,在美國(guó)公路橋中,預(yù)應(yīng)力混凝土橋缺陷率僅為鋼橋的1/6,而使用壽命期望值為鋼橋的1.52倍。此外,德國(guó)1947~1982年的35年內(nèi)修建了3萬(wàn)座預(yù)應(yīng)力混凝土橋,其中500~600座有不同程度的缺陷,缺陷率低于2%。根據(jù)1994年秋檢統(tǒng)計(jì),我國(guó)鐵路橋梁共有病害橋6137座,占橋梁總數(shù)的18.8%,其中混凝土橋2675座,占病害橋梁的43.6%。由于混凝土橋占我國(guó)橋梁總數(shù)的90%以上,可以推算出我國(guó)混凝土橋的病害率小于9%,而以鋼橋?yàn)橹鞯牧硪徊糠謽蛄旱牟『β蕜t大于35%。另一方面,日本新干線的經(jīng)驗(yàn)也說(shuō)明鋼橋除了病害率較高之外,噪聲也大于混凝土橋。日本新干線中鋼橋所占比例從60年代東海道新干線的18%下降到80年代上越新干線的1%,而混凝土橋的比例則從82%上升到99%,其中預(yù)應(yīng)力混凝土橋的最大跨度從44m擴(kuò)大到110m。盡管如此,混凝土橋的耐久性也遠(yuǎn)非令人滿意的。1992年美國(guó)PPCI雜志指出美國(guó)近60萬(wàn)座混凝土橋梁中45%有缺陷,需要修復(fù)或更換。類似情況在其他國(guó)家也有不同程度的發(fā)現(xiàn)?；炷翗虻牟『τ捎谄鋽?shù)量之大,涉及地域之廣,對(duì)交通運(yùn)輸安全暢通影響之嚴(yán)重,修復(fù)費(fèi)用之浩繁,成為世界各國(guó)所共同關(guān)注的問(wèn)題。2.220世紀(jì)末期混凝土橋在與病害的斗爭(zhēng)中所取得的進(jìn)展2.2.1混凝土性能的提高通過(guò)對(duì)混凝土耐久性的深入研究,發(fā)現(xiàn)過(guò)去長(zhǎng)期以來(lái)將抗壓強(qiáng)度作為混凝土總體質(zhì)量指標(biāo)的概念的片面性,糾正了這種片面性以后,高性能混凝土得到了迅速發(fā)展。高性能混凝土是具有所要求性能的勻質(zhì)混凝土,這種性能包括易灌注、易密實(shí)、不離析、早期強(qiáng)度高、韌性高、體積穩(wěn)定、能保持優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)、在惡劣的環(huán)境下使用壽命長(zhǎng)等。其性能又可以根據(jù)使用要求而異。但大多數(shù)高性能混凝土既有高耐久性與強(qiáng)度又有高流動(dòng)度,一般通過(guò)摻用磨細(xì)礦物料(粉煤灰、堿性礦渣、或硅灰)以提高混凝土的流動(dòng)度和密實(shí)性,以降低其水灰比和水化熱。根據(jù)美國(guó)德克薩斯州大學(xué)的研究報(bào)告,25%~35%的水泥用磨細(xì)粉煤灰替代可降低透水性50%以上。2.2.2鋼筋及力筋(包括斜拉橋的斜纜索)的各種防護(hù)措施的發(fā)展與改進(jìn)2.2.2.1環(huán)氧樹脂鍍層鋼筋及鋼絞線20世紀(jì)70年代,美國(guó)首先用于賓夕耳伐尼亞州公路橋面鋼筋的防腐,取得了良好的效果,迅速在全國(guó)推廣。80年代又發(fā)展為在鋼絞線上噴鍍環(huán)氧樹脂干粉。這種技術(shù)很快為日本所采用。90年代,環(huán)氧鍍層鋼絞線曾用于美國(guó)與日本斜拉橋中的斜纜。2.2.2.2鋼絲與鋼絞線的擠塑護(hù)套與多層防護(hù)日本多多羅大橋及我國(guó)楊浦大橋都采用由多根?7mm鋼絲組成的微扭平行鋼絲束熱擠聚乙烯護(hù)套形成的斜拉索。武漢長(zhǎng)江二橋則用?7mm鍍鋅鋼絲束熱擠聚乙烯護(hù)套。目前國(guó)內(nèi)外流行的無(wú)粘結(jié)力筋就是在鋼絞線表面涂油或臘以后熱擠聚乙烯護(hù)套做成。90年代流行的弗萊雪耐斜拉索是一種平行鋼絞線索,由多根平行的各自具有完全的防護(hù)系統(tǒng)的單根鍍鋅鋼絞線組成,每根鋼絞線內(nèi)鋼絲間空隙填滿蠟,絞線外擠包高密度聚乙烯護(hù)套。組成一根斜拉索的所有鋼絞線都包裹在一個(gè)聚乙烯總管內(nèi)。這樣,每根鋼絞線就有了4重保護(hù)。法國(guó)的諾曼底大橋(1994年建成)、澳大利亞的格萊貝橋(1995年建成)、香港的汲水門大橋(1997年建成)都采用弗萊雪耐斜拉索。2.2.2.3后張力筋管道及壓漿材料的革新20世紀(jì)30年代以來(lái)全世界應(yīng)用最廣的后張法力筋管道壓漿工藝、經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)質(zhì)量難以保證。1985年英國(guó)威爾士一座橋梁因管道壓漿質(zhì)量不良,力筋腐蝕,造成橋梁破壞。1992年英國(guó)運(yùn)輸部頒布命令暫時(shí)禁止新建橋梁中采用管道壓漿后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)禁令到1996年撤消,但建議采用不腐蝕、不導(dǎo)電的高密度聚乙烯或聚丙烯管道,并須改進(jìn)壓漿材料和工藝,同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)橋面防水設(shè)施。日本曾采用由聚丙烯酸乳膠、波特蘭水泥加去泡劑調(diào)制的聚合物水泥漿用于力筋管道壓漿,這種材料具有不析水、不收縮、在動(dòng)載下不裂及高延性等優(yōu)點(diǎn)。法國(guó)在諾曼底大橋采用石蠟灌漿,其熔點(diǎn)在85~105℃之間,不開裂,不導(dǎo)電,防腐力強(qiáng)。2.3復(fù)合材料的發(fā)展一種耐腐蝕、耐疲勞、輕質(zhì)、高強(qiáng)的新型復(fù)合材料FRP(纖維加勁塑料)、以型材、板材、筋材及各種力筋的形式、于20世紀(jì)80年代被引入橋梁工程的領(lǐng)域,建成了一批試驗(yàn)性橋梁,并日益廣泛地應(yīng)用于舊橋的修復(fù)與加固。有關(guān)的研究試驗(yàn)工作取得了令人鼓舞的成果。2.4耐候鋼的發(fā)展早在1910年,美國(guó)人D.M.Buck就發(fā)現(xiàn)含0.2%以上銅的鋼比普通鋼的耐候性高1.5~4倍。20世紀(jì)30年代,這種鋼開始用于鐵路車輛和運(yùn)煤駁船。以后不斷改進(jìn)并開發(fā)了更高性能的耐候鋼。60年代開發(fā)的A588鋼,含銅、鎳、硅、鉬等微量元素,屈服強(qiáng)度350MPa。1977年建成的美國(guó)西弗吉尼亞州新河峽谷拱橋即由這種鋼制造。美國(guó)到20世紀(jì)80年代用耐候鋼建成的橋梁已占全部鋼橋的50%。日本、歐洲等地也相繼采用。用耐候鋼建造的鋼橋在最初2~3年的暴露中,表面產(chǎn)生一層光澤耀眼的銹膜,這層銹膜即成為防止進(jìn)一步銹蝕的保護(hù)膜,故無(wú)須油漆,可節(jié)省維修保養(yǎng)費(fèi)用。但是在沿海、濕霧多雨、消冰鹽及有化學(xué)煙霧等腐蝕環(huán)境,仍易發(fā)生腐蝕。1980年,美國(guó)密歇根州運(yùn)輸部曾下令禁止使用耐候鋼,經(jīng)過(guò)調(diào)查研究,1989年美國(guó)聯(lián)邦道路局制定了橋梁使用耐候鋼指南,規(guī)定了有關(guān)環(huán)境、設(shè)計(jì)、維修等條款。1990年,密歇根州解除了禁用耐候鋼的命令。最近,日本研制成功了一種穩(wěn)定耐候鋼防護(hù)膜的技術(shù),經(jīng)過(guò)穩(wěn)定處理的耐候鋼橋不再需要涂漆。目前,美國(guó)耐候鋼有3個(gè)品種,即A588(屈服強(qiáng)度350MPa),A852(屈服強(qiáng)度490MPa)及A514(屈服強(qiáng)度630~700MPa)。美國(guó)的鋼鐵企業(yè)正在與海軍及公路管理局等協(xié)作研制高性能耐候鋼以進(jìn)一步提高鋼材的綜合性能。綜上所述,在這世紀(jì)交替之際,橋梁耐久性正通過(guò)各種途徑向著更高的水平發(fā)展。3橋梁加固和維護(hù)建議耐久性的提高將是21世紀(jì)橋梁技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)末早已率先起步,而我國(guó)則顯得步履遲遲。面對(duì)著提高車速、增加載重的形勢(shì),這一工作更顯得重要而迫切。現(xiàn)提出以下建議,希望對(duì)我國(guó)橋梁耐久性的迅速提高有所裨益。(1)在確定新建橋梁方案時(shí),應(yīng)將使用周期費(fèi)用作為經(jīng)濟(jì)比較的重要依據(jù),即不僅要考慮建設(shè)的初期費(fèi)用,還應(yīng)考慮維修、修復(fù)、加固及重建的費(fèi)用,并須考慮降低噪音與環(huán)境保護(hù)的問(wèn)題。(2)加強(qiáng)并改進(jìn)已有橋梁的檢查、評(píng)估、維修及加固工作。在維修加固工作中,盡量采用先進(jìn)的材料和技術(shù),同時(shí)建立統(tǒng)一的橋梁狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù),以便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。(3)加速耐久性材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用。高性能混凝土:目前我國(guó)配制高性能混凝土并無(wú)困難,礦物摻料料源豐富,既能提高混凝土性能,又能降低成本,更有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù),理應(yīng)及早推廣。目前亟須開展這種混凝土的短期和長(zhǎng)期的物理力學(xué)性能的試驗(yàn)、研究,制定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的參數(shù),并對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范進(jìn)行必要的補(bǔ)充修改,使設(shè)計(jì)有所依據(jù)