znwin 发表于 2020-7-4 11:42:21

从《电影卡桑德拉大桥》谈起:几座中外铁路钢桁拱桥

文 / 张 雷



电影《卡桑德拉大桥》中,有一座令观众印象深刻的铁路拱桥。这座大桥是否真的存在?其结构形式具有哪些特点?本文将由此出发,漫谈几座不同时期的中外铁路钢桁拱桥。







《卡桑德拉大桥》是一部融合了灾难、惊险、阴谋等元素的电影,上世纪八十年代在我国上映时曾风靡一时。故事开始于三名恐怖分子意图破坏位于日内瓦的国际卫生总部。在枪战中,实验室里的病毒被意外泄露。感染病毒的一名恐怖分子逃离后,潜入了一列载有一千多名乘客的长途列车。在行驶的列车上,很多乘客陆续被传染,接二连三地发病甚至死亡。


由于担心众多感染的乘客会引发更加广泛的传播,当局决定让这列火车改变路线并封闭了车厢,禁止任何人员下车。路线改变后,将经过一座年久失修的危桥——卡桑德拉大桥,这座大桥早已破败不堪,不可能承受这列火车。当局希望以一次精心策划的“意外事故”,除掉整列车的人员。




影片中的“卡桑德拉大桥”


列车内的感染者在高浓度氧气环境中逐渐痊愈,但列车依然向着“死亡大桥”飞驰。经过乘客与当局武装人员之间一番激烈的战斗,车厢被分开为两组,后组车厢被紧急制动,车上人员终于脱险。而前组车厢驶上卡桑德拉大桥,致使桥毁人亡。




影片中的“卡桑德拉大桥”


其实,“卡桑德拉大桥”在现实世界中并不存在,是影片虚构的。虽然桥名乃虚构,但桥梁的形象却是以一座真实的大桥为原型。这座原型桥,就是位于法国的加拉比特铁路桥(Garabit Railway Bridge)。





加拉比特铁路桥



加拉比特铁路桥位于法国中部山区跨越特鲁埃伊河,设计者为法国杰出的建筑结构工程师古斯塔夫埃菲尔(Gustave Eiffel,1832-1923),他也是巴黎埃菲尔铁塔的设计者。




加拉比特铁路桥


在19世纪末,通往法国南部的铁路被山区地形所阻碍,工程师们努力寻找一种可行的跨越障碍的方案,比如在法国坎塔尔省的加拉比特山谷修建一座桥梁。这项任务交给了埃菲尔,他提出了锻铁桁架拱桥方案,旨在通过使用桁架而非实体梁来解决山谷中的强风问题。




古斯塔夫埃菲尔


大桥建造于1882年至1884年间,1885年11月通车。桥梁全长565m,其中主跨为跨度165m的上承式锻铁桁架拱桥,拱圈采用双铰桁架形式,外形呈新月状,跨中桁高10m,至拱脚逐渐缩减。拱圈横向则在拱脚处最宽,至跨中处最窄,这不仅有利于抵抗山谷的强风,而且能提高桥面的横向刚度——这对于铁路桥梁而言是非常重要的。单线铁路支承于高5.2m的桁梁上,桁梁则通过拱上立柱或桥墩支承于拱圈或基础上。桥面高出水面124m,是当时世界上最高的铁拱桥。该桥是近代最伟大的结构工程之一,至今保存完好,被联合国教科文组织列为世界遗产。




加拉比特铁路桥





桁式拱桥结构特点



加拉比特桥的结构形式属于桁式拱桥,即拱肋采用桁架形式的拱桥。拱肋是拱桥结构中最重要的承重构件,由于拱形的特性,拱肋中一般承受较大的轴向压力,当荷载处于变化状态时,拱肋还承受一部分弯矩。总体上,拱肋所受的轴力很大而弯矩较小,属于以受压为主的偏心受压构件。桁式拱肋的特点在于能够采用较小的材料截面取得较大的抗弯能力,而各根杆件以受轴向力为主,能够更好地发挥材料的特性。与实体或箱形拱肋相比,桁式拱肋减轻了自重,使拱桥具有更大的跨越能力。桁式拱肋还具有便于施工的特点,在施工中过程可以先采用“化整为零”的方法将拱肋分解为众多较小的杆件制造,减小了制造和运输的难度,现场施工时再“集零为整”,将这些小杆件拼装成巨大的拱肋。


美国伊兹桥开始采用钢材作为桁式拱的材料,即为钢桁拱桥。钢桁拱桥以其外形雄伟壮观,具有较大跨越能力和承载能力等优点,受到工程师们的青睐。其刚度大的特点非常适合铁路行车的要求,因而在世界范围内涌现出一批各具特色的铁路或公铁两用钢桁拱桥。





伊兹桥



随着炼钢技术的进步,钢材价格逐渐低廉。当欧洲还在大量修建锻铁拱桥的时候,美国已率先进入钢桥时代。钢拱桥的先驱当属美国伊兹桥(Eads Bridge),位于密苏里州圣路易斯市,跨越密西西比河,于1867年开始建造,1874年建成。




伊兹桥


该桥为三跨上承式钢桁拱桥,跨度(153+158+153)m,有双层桥面,上层为公路,下层为双线铁路。每跨横向有四道拱肋,每道拱肋由两根上下平行的弧形钢管组成,用三角形布置的腹杆联系。拱脚固定为无铰拱形式,支撑在巨大的花岗石墩上。处于河中两个桥墩的基础采用气压沉箱法修建,这种方法此前在欧洲应用过,但在美国是首次采用。




伊兹桥施工




伊兹桥“立体画”历史照片


该桥设计者詹姆斯布坎南伊兹(James Buchanan Eads,1820-1887年)是一位自学成才的工程师,他在设计建造伊兹桥以前从未建造过桥梁。




詹姆斯布坎南伊兹


伊兹桥是世界上第一座钢拱桥,也是第一座采用悬臂拼装法施工的桥梁,建成时还是当时世界上最大的桥梁,被认为是工程奇迹,它的建成开启了大跨度钢拱桥的新时代。为了表彰这项无以伦比的工程杰作,该桥于1964年被命名为美国国家历史地标,1971年被美国土木工程师协会列为国家历史土木工程地标,并于同年指定为城市地标。





狱门桥



受伊兹桥成功的影响,许多精美的钢桁拱桥先后建成。1916年美国建成狱门桥(Hell Gate Bridge),该桥跨越纽约市东河,主孔为跨度298m的中承式两铰钢桁拱桥,通行四线铁路,具有重型道砟和混凝土桥面板。




狱门桥


该桥桁拱的形式不同于埃菲尔常用的新月形,桁高从跨中向两边的高度不断增加,在视觉上比新月形拱表现出更强的刚度。拱的上弦在接近两端时采用了反弯曲线,使桥梁展现出优美的形式。设计者自称是受到了中国古代石拱桥造型的启发。我们可以从颐和园玉带桥的桥面线形中看到类似的特点。拱的两端建有两座坚实有力、造型典雅的砖石桥塔,进一步提升了桥梁整体上的稳重感与尊贵感。主拱采用悬臂拼装法架设,施工过程中使用钢拉索和平衡重来平衡悬臂拼装的半拱圈。




狱门桥施工


狱门桥是当时世界上最大跨度的钢拱桥,荷载巨大,成就突出,为现代钢拱桥奠定了技术基础。该桥设计者是著名的桥梁工程师古斯塔夫林登塔尔(Gustav Lindenthal,1850-1935),他的两位得力助手——奥瑟玛赫尔曼安曼(Othmar Herrmann Ammann,1879-1965)和大卫伯纳德斯坦因曼(David Bernard Steinman,1886-1960),也发挥了重要作用,并在日后均成长为杰出的桥梁设计大师。




古斯塔夫林登塔尔





悉尼港湾大桥



澳大利亚悉尼港湾大桥(Sydney Harbour Bridge)位于悉尼的杰克逊港,修建于1924至1932年,是悉尼早期的代表性建筑之一。





悉尼港湾大桥


该桥为公铁两用桥,作为铁路连接工程,这座桥至关重要,它不仅将北郊与城市连接起来,而且将悉尼以北的线路与服务东郊、西郊和南郊的线路连接起来。大桥东临太平洋,西临重要码头,桥下需为最大的船只提供畅通无阻的通道。


桥梁的布局和跨度由政府工程师约翰乔布柯如布拉福德(John Job Crew Bradfield,1867-1943)确定,详细设计由英国Dorman Long公司的工程师拉尔夫弗里曼(Ralph Freeman,1880-1950)完成。




约翰乔布柯如布拉福德




拉尔夫弗里曼


主桥为跨度503m的中承式两铰钢桁拱桥,从海面到桥面高58.5m,从海面到拱顶高达134m,万吨巨轮可以从桥下通过。桁拱高度是变化的,在跨中处为18m,拱脚处为57m。桥面宽48.8m,有8条汽车道,2条铁路,1条自行车道及1条人行道。原来还铺设两条有轨电车轨道,后因交通拥挤将其拆除而改为汽车道。拱脚承载于两个巨大的钢筋混凝土桥墩上,在墩上还各建有一座高95m的花岗岩桥塔。主拱通过在每个岸边建造半拱形的悬臂来架设,在跨中合龙。




悉尼港湾大桥施工


大桥巍峨俊秀,气势磅礴,与举世闻名的悉尼歌剧院隔海相望,成为悉尼的象征。1988年,该座桥被列为国际历史土木工程地标、澳大利亚国家工程地标。





钢桁拱桥在中国的发展



与国外相比,我国早期由于钢材产量偏低、价格昂贵,钢拱桥修建较少。随着我国经济实力的增强与技术的进步,20世纪60年代开始,陆续建设了一些钢桁梁与柔性拱组合体系的桥梁,这类结构的拱肋在立面上为单根形式,而非桁架形式。在铁路桥方面,以桁架作为拱肋的真正意义上的钢桁拱桥,则是在本世纪初开始,逐渐出现在我国桥梁建设中。目前建成或在建的有宜万铁路万州长江大桥、京沪高速铁路南京大胜关长江大桥、武广高速铁路跨环城高速特大桥、贵广铁路东平水道特大桥、成贵铁路贵州鸭池河特大桥(钢桁-混凝土组合拱肋)、南钦铁路三岸邕江大桥、大瑞铁路怒江大桥等。





宜万铁路万州长江大桥



宜万铁路万州长江大桥位于重庆市万州区,为单线铁路桥,主桥采用(168+360+168)m连续钢桁系杆拱桥,是我国第一座钢桁拱桥。




宜万铁路万州长江大桥


拱肋采用变高度的N形桁架,桁高在支点处为41m,跨中处8m。两拱脚之间设钢系杆,以承受拱肋产生的巨大水平推力,同时作为铁路行车系。两边跨为平弦桁梁。钢桥上采用铁路明桥面。施工时,边跨采用临时墩辅助伸臂拼装,主跨采用扣索塔架辅助伸臂拼装、跨中合龙。


该桥建设过程中面临的主要技术问题有:长吊杆车振和风振引起的动力行为突出;桥址位于酸雨严重地区,桥梁结构面临防腐问题;钢拱架设施工中的控制技术问题等。针对这些问题,开展了大量试验和分析研究工作,指导了大桥的顺利建设。


该桥于2002年底正式开工,2005年底建成,其刚性拱柔性梁的钢桁拱结构体系为我国首次采用,是当时国内跨度最大的铁路桥梁。





南京大胜关长江大桥



南京大胜关长江大桥位于长江下游的南京大胜关河段,主桥采用跨度为(108+192+336 +336+192+108 )m的连续钢桁拱桥,桥上通行两线京沪高速铁路、两线沪汉蓉Ⅰ级铁路、同时搭载南京市双线地铁,充分利用了越江桥位资源。336m主跨采用竖向刚度大的钢桁拱结构,两侧跨度稍小的边跨采用连续钢桁梁,两者平顺连接形成连续钢桁拱-桁梁组合结构,可满足列车高速行车的要求。





南京大胜关长江大桥



结构横向采用三片主桁,四线铁路位于主桁之内,南京地铁布置在两侧主桁外挑臂上,桥面全宽41.6m。主跨拱圈矢高84m,拱圈桁高在跨中处12m,拱脚处47.9m,平弦部分桁高16m。为满足高速行车要求,采用正交异性板作为桥面支承结构,以提供足够的横向抗弯刚度并增强桥面的整体性。采用道砟桥面,以增强桥面质量与阻尼,从而保证高速行车的舒适与安全。主桥三个主墩深水基础采用双壁钢围堰施工,上部钢桁拱结构采用吊索塔架辅助伸臂安装,跨中合龙。


该桥于2006年7月开工,2010年10月完工,具有“高速、大跨、重载”的技术特点。桥上高速铁路设计速度目标值300km/h,处于世界先进水平。在该速度条件下,是当时世界上最大跨度的高速铁路桥。设计车辆活载共六线轨道,恒、活载均很大,是世界上承受荷载最重的铁路桥梁之一。




邮票中的南京大胜关长江大桥





大瑞铁路怒江大桥



大理至瑞丽铁路是泛亚铁路西线的重要组成部分。大瑞铁路怒江大桥位于昔日滇西抗战著名战役松山会战遗址脚下,其中主跨为490m的提篮式上承钢桁拱桥,一跨飞越怒江天堑,是目前世界上同类型铁路桥梁的最大跨度。




大瑞铁路怒江大桥


受环境和地形的限制,怒江车站只能建在桥上。为此,桥上布置客货共线四线铁路,桥宽达24.9m,桥梁的承载力和宽度都远大于普通的铁路桥梁。由于该桥地处偏远,道路狭窄崎岖,钢杆件的运输难度大,为便于运输,主拱采用双肋四片桁,以减小单根钢杆件的重量和尺寸,再通过汽车从70公里外运送到施工现场。拱上墩为钢构墩柱,梁部结构为连续钢箱梁。钢桁拱采用多扣塔斜拉扣挂悬臂拼装法施工,梁部采用顶推法施工。


该桥于2016年1月开工,2018年12月钢桁拱合龙,2019年12月主体工程建成,为我国在复杂条件下大跨度钢桁拱桥的设计、科研和施工积累了宝贵经验。




作者:张 雷
中国铁路设计集团有限公司土建工程设计研究院副总工程师|正高工
中国铁设长大桥隧技术研究中心首席专家
中国铁道学会桥隧委员会委员

茅以升基金会中国古桥研究与保护委员会副秘书长、委员






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