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桥梁建筑材料应用与发展研究

2019/12/09 阅读:

1.引言

“桥”原本是一种高大的树,因为够高大,砍下来就够长放在河面,可以连着两边河岸,即独木桥,这也是人类最初对桥的认知。人类在原始时代,跨越水道和峡谷,是利用自然倒下来的树木,自然形成的石梁或石拱,溪涧突出的石块等。再到后来,逐渐出现了具有一定结构形式的木桥、石桥、铁桥、钢桥等使用不同建筑材料的建造的桥梁。

2.古代建桥材料

在古代,木材是当时最为广泛的一种建筑材料。无论是在建房上还是在建桥上,木材都是不可或缺的。而且用木材来建桥,也是最简单的一种建桥方式。所以,木材在桥梁发展的最开始,被人们大量的使用。木桥的优点是可以就地取材,构造简单,建造方便,小跨度多做成梁式桥,大跨度可做成桁架桥或拱桥,但是,木桥也有很多的缺点,那就是承载能力不足而且极容易腐坏和发生火灾。所以,虽然当时建的木桥很多,但是并没有被保留下来。

2.1木材

修建于北宋都城东京开封府的虹桥构造奇特,而我们现在只能在宋代名画《清明上河图》中一睹它的风采。由于木桥的种种缺点,人们开始追求新的材料来建桥,在当时,除了木材,石材便是一种多且好的建桥材料。而石桥的主要建造形式便是石拱桥。据考证,中国早在东汉时期就出现石拱桥,在出土的东汉画像砖上刻有拱桥图形。中国古代石拱桥拱圈和墩一般都比较薄,比较轻巧,如建于公元816~819年的宝带桥,后经历代多次重修,桥全长317米,薄墩扁拱,结构精巧[1]。

2.2石材

目前,世界上历史最悠久且保存最完好的一座石拱桥就是我国河北的赵州桥。赵州桥始建于隋朝,由隋朝著名匠师李春建造,是世界上现存年代最久远、跨度最大、保存最完整的单孔敞肩石拱桥,历1400多年而无恙。金明昌三年(1192年)建成位于今北京西南的卢沟桥,共11孔,跨径从12.35米至13.42米不等,桥栏上配有栩栩如生的大小石狮485个;在《马可•波罗游记》中它被形容为一座巨丽的石桥,后来外国人都称它为“马可波罗桥”。直到公元19世纪,石头和木材一直是最重要的桥梁建筑材料。随着社会的发展,桥梁也得到了很大程度上的发展,无论是从形式上还是材料上。尤其是建桥材料的发展尤为明显,开始出现了铁桥、钢桥、钢筋混凝土桥等。

3.近现代建桥材料

3.1铸铁与锻铁

铁的出现,对于桥梁来说,是一个重大的变革。相比起来,铁桥在建造上相对于石桥要简单,而对于木桥而言,铁桥的使用期限更长,而且比较坚固。铁桥包括铸铁桥和锻铁桥。铸铁抗冲击性能差,抗拉性能也低,易断裂,并非良好的造桥材料,但适宜作拱桥建造材料。而锻铁抗拉性能虽然较铸铁好,但锻铁桥多作为吊桥,吊桥比较不稳定,在上面行走桥容易晃动。英国1779年在科尔布鲁克代尔(Coalbrookdale)首次建成一座主跨约30.5米的铸铁肋拱桥,该桥曾使用170年,当时人们将铸铁当作一种可塑的石头使用,其设计思路仍沿袭砖石结构。

3.2钢材

19世纪50年代以后,随着钢材炼制技术的发展,钢材成为重要的建桥材料。钢的抗拉强度大,抗冲击性能好,而且钢材可以做多种形式的桥梁,尤其是19世纪70年代出现钢板和矩形轧制断面钢材,为桥梁的部件在厂内组装创造了条件,使钢材应用日益广泛,现在的钢桥多以桁架梁桥为主。位于美国旧金山金门海峡之上的金门大桥(GoldenGateBridge)是一座钢桁梁悬索桥,是世界著名的桥梁之一,桥身全长1900多米,建造使用了10万多吨钢材。

3.3混凝土与钢筋混凝土

钢材并非最理想的建桥材料,主要原因就是由于钢材在空气中容易被腐蚀,所以,从很大程度上减少了桥梁的寿命。人们开始尝试各种防腐方法,但都不尽理想。而混凝土的出现正好解决了这一个问题,19世纪50年代,人们开始采用在混凝土中放置钢筋,混凝土与钢筋线膨胀系数相当,而且钢筋全部包在弱碱性的混凝土中间,基本不会被锈蚀。钢筋与混凝土一起使用,也解决了混凝土抗拉强度不高的缺陷。所以,钢筋混凝土便成了建桥的常用材料。1900年前后钢筋混凝土逐渐受到桥梁界重视,被用在拱桥和梁式桥中。钢筋混凝土拱桥的跨度记录不断被刷新。在20年代初最大跨度为100米。其后有:1934年建成的瑞典斯德哥尔摩特兰贝里(Traneberg)公路桥跨度178.4米;1939年建成的西班牙埃斯拉铁路桥净跨192.4米;1943年建成的瑞典桑德桥跨度264米。位于我国贵州省关岭自治县与晴隆县交界处的沪昆高铁北盘江特大桥,是世界最大跨度的钢筋混凝土拱桥,全长721.25米。另外,为了减轻自重、增大跨径以及满足结构日益复杂的桥梁的施工要求,各种高强度、高流动度、良好泵送性能的预拌混凝土也应运而生。

3.4新型复合材料

随着材料科学的发展,尤其是复合材料性能的不断进步,越来越多的桥梁开始应用复合材料制造核心部件。常用于桥梁的复合材料有FRP(FiberReinforcedPolymer/Plastic),又称纤维增强复合塑料,现有CFRP(碳纤维增强复合材料)、GFRP(玻璃纤维增强塑料)、AFRP(芳纶纤维增强塑料)等。CFRP是FRP材料中最有潜力的材料,其力学性能随着碳纤维强度的增强及母体树脂的高韧性化而增强,在桥梁工程中具有广阔的应用前景[2]。矮寨特大悬索桥位于湖南省湘西州吉首市矮寨镇境内,是国家重点规划的8条高速公路之一,运用碳纤维作为预应力筋材。纤维增强复合材料FRP应用于桥梁工程中具有众多优势,如:自重轻,承载力高;可设计性强,适合于工厂预制;抗腐蚀能力强;耐超载;易安装,施工快捷,运输方便等。目前,FRP在新建桥梁中的应用形式包括FRP桥索、FRP桥面板、FRP组合梁以及整体结构中主受力构件采用FRP型材等桥梁结构型式。以国内为例,FRP材料作为桥梁主体结构,已应用于主梁、斜拉索、主桁架等桥梁关键部位[3]。1982年,我国建成了世界上第一座FRP结构公路桥--北京密云公路桥,该桥采用GFRP蜂窝板箱梁。日本与美国将FRP材料制造的筋或预应力索应用在钢筋混凝土桥中。对于一些拥有较长历史的桥梁,出于保护目的,一般会在不改变桥梁结构的基础上对桥面进行翻修、加固甚至拓宽,这种情况下通常也会采用复合材料,例如瑞士在翻新沃州阿旺河上已有100年历史的道路桥时,采用了思瑞安COLEVO桥架板,使得桥梁在具有较好的承载能力的同时,具有较低的密度。

4.结语

现代桥梁结构发展趋势向轻型、超大跨度发展,对桥梁建筑材料的性能,包括耐久性、强度和质量提出了更高的要求。各种高强混凝土、纤维增强材料及防护材料的研制为现代桥梁的研究和发展创造了条件。展望未来,随着经济技术和建筑材料的发展,一批更大的越江跨海工程的建设,将会为世界桥梁创造更辉煌的成就。

【参考文献】

[1]佚名.读书笔记-从材料的发展简述桥梁的发展[DB/OL].百度.

[2]周宏伟.桥梁新型材料的发展[J].铁道建筑.1998(1):17-19.

[3]汤洪雁,王秀艳.FRP复合材料在桥梁工程中的应用与发展[J].城市道桥与防洪.2016(3):182-184.

作者:邱兰 单位:湖北水利水电职业技术学院

桥梁建筑材料应用与发展研究

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