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爱德华·托罗佳斜拉渡槽——现代斜拉桥、矮桥及预应力混凝土的重要先兆分析
文章信息
历史背景：2017年2月2日收到
2017年7月14日修订
2017年7月18日接受
2017年8月8日可在线
关键词：坦普尔渡槽
斜拉桥
矮塔斜拉桥
预应力混凝土
爱德华·托罗佳
摘要
本文介绍了坦普尔渡槽的研究，爱德华·托罗佳最先设计和建造的结构之一。当计算机还未问世时， 爱德华·托罗佳的勇气和创新就十分优秀了。他没有受到理论知识的缺乏、材料不足以及当代对斜拉结构的怀疑的限制。事实上，他能够建立世界最早的预应力混凝土结构之一，成为现代的斜拉桥和矮塔斜拉桥的先锋。本文简要回顾了坦普尔渡槽的历史，通过几种有限元模型，给出了该结构的分析结果（PEM），并把有限元计算结果和 爱德华·托罗佳的研究做了对比。有限元分析结果证实了托罗佳的概念设计的有效性。本文还包含了在桥梁行为和移除活荷载作用下对结构体系的影响的详细分析，以提供一个对坦普尔渡槽的表现形式的更好的理解。
- 引言
斜拉桥是最具挑战性的高效美观的建筑结构之一。根据斯特拉斯基[ 1 ]“这些结构的美来自他们清楚干净的结构功能，这些功能决定了他们的建筑风格。”在过去的几十年里，材料，施工技术的发展，仿真方法以及经济繁荣使斜拉桥施工变得更加世界化。然而，这些现代结构如果没有新型斜拉桥出现将不会被理解。
张拉单元在古建筑和桥梁结构中得到了广泛的应用。在第一代桥中，张力元素由柔性材料制成，如竹或木质藤本[ 2 ]，虽然这些天然材料，极大地限制了原始的桥梁跨度和耐久性寿命减少。斜拉桥从原始的斜拉结构开始，随着时间的推移而发展，跨度也更大。不同于其他类型（如悬索桥），斜拉桥的快速发展并没有发生，直到在二十世纪，多亏了约翰，吉思克拉的作品，爱德华·托罗佳和Dischinger。根据Podolny和scalzy [ 3 ]，这种延迟是由于缺乏处理分析斜拉结构的科学知识和缺乏合适的材料。事实上，由于木材或铁链不能施加预应力，这些材料的使用被丢弃，因为上层建筑的大量变形需要保持在紧张状态。根据比灵顿和nazmy [ 4 ]，事实上，著名的工程师Navier反对斜拉桥是一个重大的问题，使得这种类型的发展延迟。纳维的反对是基于事实（斜拉桥结构如德赖伯勒桥[ 3 ]和[ 5 ]布莱顿码头桥链的崩溃）。他也认为：（1）社会原因：他认为留桥没有任何经济优势超过悬索桥和（2）象征性的原因：他拒绝了类型学，因为最初的设计来自一个建筑师（波耶特1823）而不是一个工程师。比灵顿和nazmy [ 4 ]宣称，如果Navier把他的天赋用在斜拉桥的发展，这种模式可能会被更快地开发。
然而，尽管缺乏理论知识，材料不足，专家们怀疑，许多斜拉桥都是在20世纪60年代初设计的。Table1展示了斜拉索系统、一些重要桥梁的跨度和一些特点，其中很容易找到现代斜拉桥的几种前体（高强度钢丝和大的预拉力）。然而，桥梁设计师和历史学家不同意，一个是现代有线站附近的第一桥。在一个方面，重要的号码（如[研究] 3,6–8）状态，第一站是现代stromsund电缆桥桥内置在1956年的瑞典。这种结构被狄辛格在30年代所做的工作强烈影响。另一方面，该坦普尔渡槽，也被称为圣帕特里西奥桥，建于西班牙1925由爱德华·托罗佳通过Virlogeux [ 10 ]和[ 11 ]作为竞技场第一现代斜拉桥。然而，Fernaacute;费尔南德斯troyano [ 2 ]的观点是，这两种结构都可以认为是一个现代的斜拉桥，因为他们只是孤立的作品，对随后的桥梁没有太大的影响。
爱德华·托罗佳（1899–1961）是二十世纪最重要的结构工程师之一。近四十年来，他作为一名大学教授、研究员和顾问工程师进行了激烈的活动。他是新的和创新的混凝土薄壳施工程序和形状的一个优秀的设计师（如萨苏埃拉竞技场的屋顶（1935），见[ 19 ]），前oacute;N省（1935），见[ 20 ]或CASA工厂屋顶[ 21 ]），结构（的fedala储水箱（1956）、圣尼古拉斯的Gandia教堂，看到[ 22 ]）和桥梁（如坦普尔 alloz（1926）或（1947））。为了建立这种显著的结构，托罗佳提出了施工技术，建立多尺度模型和监测其结构来检查他们的安全，了解他们的结构行为，改进之后的设计。坦普尔渡槽（见图1）是托罗佳的早期作品之一，但已显示出他的好奇心，勇气，智慧和创造力，解决涉及施工困难，由于缺乏科学知识，充足的材料和必要的技术。事实上，他在这座桥上提出了预应力混凝土斜拉索的创新技术。坦普尔也是托罗佳喜欢与科学技术界分享他的知识的一个早期的例子，他发表了他的工作的主要创新点以及监测桥梁的结果。
一些作者已审查的主要特点，强调了在斜拉桥和预应力混凝土发展的坦普尔渡槽的作用，包括J.A. 托罗佳 Cavanillas（ 爱德华·托罗佳的儿子）[ 24 ]，一位杰出的结构工程师和混凝土结构的教授。然而，托罗佳 Cavanillas的研究是基于对渡槽的几何形状和结构的描述。
本文分析了坦普尔渡槽的结构行为，与托罗佳的计算结果。还描述了在斜拉桥和桥的评估作为一个工作的结构艺术的发展坦普尔渡槽的作用。作者希望这项研究能激励其他工程师和建筑师，并有助于保护桥梁工程的一个重要实例。这项研究是一个以前的设计研究随访朵萝哈（见[ 19 ]–22,25）和其他工程师，如Gustav Eiffel [ 26 ]，PierL。神经[ 27 ]，Feacute;有烛光[ 28–29 ]，Othmar Ammann [ 30 ]和Hilario Candela。
- 坦普尔渡槽的概念设计，建筑和康复工程
托罗佳[ 34 ]中描述的23,32–概念设计和建设的坦普尔渡槽，桥在瓜达莱特河，载水在西班牙南部城市赫雷斯。这座桥的长度为100米，是280米渡槽的一部分。该桥最初的设计包括一系列五个简支跨度20米长。有两座桥墩在河床中，需要深的地基，但是那些不得不批准这项工程的官员们不喜欢这个解决办法，因为他们担心冲刷会导致他们倒塌（事实上，这座桥是为了取代1917年洪水造成的一座旧桥）。此外，新设计必须尽可能少地改动原始内容。托罗佳研究的问题和提出的解决方案在图2B中，拉索代替桥墩。在这个解决方案中，支撑在双塔。这种创新的解决方案大大增加了整个渡槽工程的作用。新的设计很快被批准，然后在1926建造。该结构是由钢筋混凝土，包括两个后跨20米和主跨度60米，根据[ 32 ]。这个主跨度是由每个桥塔的单支撑支撑的，跨度的中心部分位于半关节上，如图2b所示。
图3a包含渡槽的部分标高和横截面。大梁横截面是一个中空的盒子，高1.5米，厚0.15米，有一个直径为0.42米（见图3b）的铸铁管，其外观笨重，尤其是在远离河流的地方。为了支撑总重量（包括活荷载）29.4 kN/m，在梁底部设置6根直径为30毫米的钢筋。这座桥有两个悬臂，每个悬臂包括两个20米长的悬臂，悬挂在5.8米高的桥塔上。所有这些元素都由混凝土制成，水泥剂量为300公斤/立方米。为保证悬臂浇筑混凝土配重平衡，朵萝哈在四肢放置混凝土平衡物。靠近桥台的配重重420千牛，靠近桥墩的配重重98千牛。
托罗佳的一个主要问题是找到合适的住宿，因为渡槽建成时没有可用的商业保持技术时。根据托罗佳 Cavanillas [ 24 ]，当时的通常做法是用钢筋混凝土和钢筋的光滑。然而，托罗佳不信任杆拼接，为当时焊接不够先进，所以他决定用扭曲的高强度钢电缆（3停留在七股37丝直径63mm）类似于那些用于港口。完全会被运到现场，放置在上面的每一个主塔鞍座和整个梁（见图3C）。
托罗佳担心在保持混凝土的行为和决定预应力电缆通过下列施工工艺：（1）首先，采用传统的模板，建造了塔柱的主梁和下部；（2）在一个月后，当预应力和收缩等时间现象发生时，拉索被施加预应力。这项行动是由一个创新的系统，使用两个液压千斤顶0.6 MN升降机顶部的桥塔。这些预应力操作使主梁更容易从模板上提起来。（3）拆除模板，然后施加活荷载20天，以评估蠕变效应和塑性变形。这些变形的报告值为0.08% [ 34 ]。（4）千斤顶移开，后放置一些钢筋，电缆塔的顶部（以上梁塔的部分）是具体的长期抗腐蚀和防止过度变形时，活荷载被拆除。（5）拉索被混凝土和两关节两呆边介绍提高安全性。这些接头在15天后被浇筑。
坦普尔渡槽在2008年 进行第一次重大改造，这是在修建完成后的83年。这项工作花了10周时间，预算为477000欧元。结构上存在的主要问题是：（1）约束梁横向运动的梁支座不良状态，（2）钢筋锈蚀引起混凝土开裂和混凝土罩面脱落；和（3）主梁顶部和桥墩顶部局部混凝土损失。安装了新的轴承，修复了混凝土和钢筋，并给渡槽提供了一种新的保护层[ 35 ]。对恶化、修复工作和桥的当前状态的看法可以在图4a - C中看到。如图4c所示，渡槽是在原始状态的今天，继续完成其关键任务的赫雷斯提供的水。
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- 坦普尔渡槽:斜拉桥和矮塔斜拉桥体
是否坦普尔渡槽是第一个现代斜拉桥，毫无疑问，这种结构是这种类型由于其设计和技术聪明无畏的重要前体。在坦普尔之前，保持系统只用于结构加固防止过度变形。事实上，许多作者，如roebling [ 13 ]介绍了悬索桥斜拉系统中增加桥梁刚度对风振。然而，像Buonopane[14]说的，在保持架上提供足够的初始张力是确保在非均匀载荷下的正确行为的首要因素。意识到这个事实，我们率先在预应力桥梁的自重的想法，虽然这个想法是不是很受其他悬索桥设计师的认同。替代预应力方法被鲁尼恩[ 15 ]提出，谁开发一个扭转装置（图5A）缩短的停留的长度，托罗佳[ 34 ]，他用液压千斤顶（图5b）增加停留时间由起重塔，和Freyssinet 1928 [ 9 ]，谁留在一个增加由雄性和雌性锥股形成锚具千斤顶长度（图5c）。这些设备，尤其是Freyssinet jack，成为斜拉桥的进化真正的里程碑。目前，电缆的线可以单独安装和小型千斤顶预应力（monostrands），从而加快预应力作业现场。这些设备给每个股的额外强度是通过制造商的专利程序计算出来的。
为了将坦普尔渡槽放在其历史背景，表2比较了该结构的主要特点与当代桥梁（布拉夫代尔桥（1890）[ 15 ]和特罗姆松德桥（1956）[ 3 ]）和现代斜拉桥。本表给出的参数包括：
- 停留时间：保持被归入其长度固定（停留时间为保持锚之间的距离相同）或连续（停留时间比之间碇泊距离较长）。
- 留料：在分析的桥梁中使用的材料要么是钢绞线，要么是嵌入混凝土中的钢筋。
- 预应力技术用于分析结构的技术从加捻装置不同，塔杰克如前所述，和多股或单股保持千斤顶。
- 梁的刚度：分析梁的刚度从柔到硬不等。
- 中跨主梁的结构性能：该参数表示主梁跨中截面是否存在轴向力。
- 结构分析：所研究的结构考虑了不同的方法，不同的估计方法与机械计算器和先进的计算机模型的数值分析不同，包括对施工过程的详细分析。
- 结构体系：所分析的结构是静定或超静定的。
- 目标荷载：一个斜拉桥的定义是为了保证在一定荷载作用下结构的目标结构行为（通常是等效连续梁）。这种负载也称为目标负载，传统上是在服务中实现的。它的价值取决于设计者，可能包括主梁自重、SW、梁的附加恒载、SDL和活荷载的百分比。
- 施工过程：在本节中，对不同阶段的结构进行了分析总结。
- 耐久性问题：每个结构中识别的主要耐久性问题总结。
- 维护操作：本节描述维护操作的周期性。
表2的分析允许得出以下结论：
- 停留时间：不像现代的斜拉桥的坦普尔渡槽和布拉夫代尔桥包括连续停留。
- 材料：不像其他结构，保持了坦普尔渡槽嵌入在混凝土。
- 预应力技术：每一个分析斜拉桥使用不同的技术来预应力拉索。另一方面，增加的坦普尔渡槽桥塔高度用液压千斤顶放置在塔。其他结构所遵循的方法是不同的，因为他们缩短了拉索的平均扭转装置，如在虚张声势的戴尔桥，或使用液压千斤顶。这些接口可以是多股，如在Stromsund，预应力，在大多数现代斜拉桥。
- 梁的刚度：在斜拉桥的类型学发展的第一个步骤（如布拉夫代尔桥梁、渡槽或者坦普尔特罗姆松德大桥）包括一个刚性梁和少量的斜拉索。另一方面，现代斜拉桥的特点是采用多斜拉索支承柔性梁。
- 主梁跨中的结构行为：第一斜拉桥梁结构行为（布拉夫代尔桥和坦普尔渡槽）包括在跨中无轴向力。在后一种情况下，缺少这些力的原因是梁被放置在两个可产生水平位移的铰链上。这种行为与现代的斜拉桥截然不同，其主梁包括跨中的拉力。
- 结构分析：在分析结构的设计不同的仿真工具是可用的，其局限性导致的简化和限制的设计，在坦普尔l渡槽为例，计算其在纸上。简化包括梁铰的使用，使结构系统静定。这些铰链的使用，这似乎是一个渡槽是个奇怪的选择，是由于托罗佳的预防，首先是因为这是他第一次设计这样的结构，其次是因为这是他的第一个大型作品中高度预应力钢筋。当计算机被介绍他们推动了特罗姆松德桥计算功能的保持力研究在施工过程中，虽然计算机的发展使复杂的电流斜拉桥各施工阶段的精确模拟。
- 结构体系：所有的分析结构，但坦普尔坦普尔l渡槽是高度超静定的。当元件（如斜拉索）失效时，这种静态冗余增加了应力重新分布的可靠性。
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目标荷载：在现代斜拉桥中，目标荷载包括SW、SDL和LL的百分比。这个百分比由设计者定义，通常在70
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