2019年度进展7：钢桥的若干新进展（1/2）

前 言

 

    本文挂一漏万地回顾总结2019年等近期我国大跨钢桥的建设成就和技术进步、高性能桥梁用钢的研发和应用、桥梁新的组合形式与体系、3D打印钢桥雏形、正交异性钢桥面的进展、桥梁用高强铆钉、跨海钢桥多灾害动力分析研究和第二代欧洲规范钢桥相关部分的进展等问题，欢迎同行指正。

1 我国大型钢桥的建设成就和技术进步

1.1 大跨悬索桥

    2019年4月建成通车的广东省南沙大桥(虎门二桥)坭洲水道桥(图1)，以主跨1688 m超越了浙江省舟山西堠门大桥(主跨1650m)，跻身世界悬索桥的第二跨度；2019年10月建成通车的湖北省武汉杨泗港长江大桥(图2)，以主跨1700m成为悬索桥新的第二跨度。南沙大桥坭洲水道桥和杨泗港长江大桥的主缆均采用抗拉强度1960 MPa的高强钢丝制作；前者为8车道公路正交异性桥面钢箱梁悬索桥，钢箱梁全宽49.7m，高4.0m，后者为10车道与双自行车道的双层正交异性桥面(采用新型厚边U肋桥面)钢桁梁悬索桥，桁梁宽32.5m，高10.0m，采用了低屈强比的桥梁钢材。

图1  南沙大桥坭洲水道桥及其钢箱梁

图2  杨泗港长江大桥及其钢桁梁

1.2 大跨斜拉桥

    江苏省沪通长江大桥(图3)为连接张家港与南通的主跨1092 m公铁两用双层桥面斜拉桥；上层为双向6车道公路，下层为4线铁路；钢桁梁部分采用Q500qE级高强桥梁结构钢；斜拉索采用抗拉强度2000 MPa的高强平行钢丝束；桥塔高330m。桥梁主体已经建成，即将通车，成为世界第二跨度斜拉桥和第一跨度公铁两用斜拉桥。

图3 沪通长江大桥

1.3 大跨拱桥

    我国在2009年建成世界第一跨度拱桥重庆朝天门长江大桥(主跨552m)、 2003年建成上海卢浦大桥(主跨 550m)、2013年建成四川合江波司登大桥(钢管混凝土桁架拱桥，主跨530m)后，2019年又建成湖北秭归长江大桥，为主跨519m(主孔两过渡墩之间长度531.2m)的4车道公路钢桁架拱桥，成为世界拱桥的第4跨度，使我国囊括世界拱桥跨度的前4位。

图4 湖北秭归长江大桥

    在铁路拱桥方面，我国在2013年建成450m的南广铁路广东省肇庆西江大桥、2016年建成445m的沪昆高铁贵州省晴隆北盘江大桥后，主跨490m的云南大理至瑞丽铁路怒江大桥(图5)主体结构已经建成，即将通车。该桥为提篮式上承钢桁拱桥，拱上采用14×32.7m连续钢箱梁铺设道砟桥面，桥面宽24.9 m，4线铁路，用钢量4.6万t，是世界第一跨度铁路拱桥，也使我国囊括世界铁路拱桥跨度的前3位。

图5 大瑞铁路怒江大桥

1.4 高桥

    2016年，云南与贵州交界建成跨度720m的世界第一高桥，杭瑞高速公路都格北盘江大桥(斜拉桥，图6)，桥面离谷底565m；同年，湖北建成跨度900m的世界第二高桥，沪渝高速公路四渡河大桥(悬索桥，图7)，桥面离谷底560m。2019年底建成通车的贵州省余庆至安龙高速公路平塘大桥(如图8)为两主跨均为550m的组合梁高桥塔斜拉桥，桥梁全宽30.2m，双向四车道，桥塔高度332m，为世界第二高塔斜拉桥。

图6 杭瑞高速公路都格北盘江大桥

图7 沪渝高速公路四渡河大桥

图8 余安高速公路平塘大桥

1.5 优美而复杂的新首钢大桥

    以优美而复杂为突出特点的北京新首钢大桥(图9，永定河大桥)位于北京长安街西延线上，横跨永定河。桥梁为两塔五跨钢箱梁斜拉桥，主跨280 m，桥宽54.9 m，双向8车道；钢桥塔为空间复杂曲面倾斜拱形高低塔，高低塔在桥面以上高度分别为112.2m和65.9m；高塔南北塔柱角度分别为71.1°与61.3°，低塔南北塔柱角度分别为74.6°与58.4°，高低塔的塔柱在塔底中心的纵向间距均为25.1m；塔柱扭曲度由塔底至塔顶递增，断面尺寸递减[97]。桥梁总用钢量达到难以想象的4.5万t。

图9 北京新首钢大桥及其桥塔曲面制造单元

2 高性能桥梁用钢的研发和应用

2.1 高强钢与高强钢丝的研发与应用

    高强钢具有减少用钢量、减少焊接工作量、节省运费、减轻结构自重等优势，能够带来可观的社会经济效益[1]。随着冶金技术的发展，钢材性能不断提高：欧洲Eurocode 3规范规定为500~700 MPa[2]；澳大利亚AS 4100规范规定为450 MPa[3]。高强度钢应用在桥梁中会导致钢板厚度降低，其稳定性问题将更为显著。对此，施刚等[5]针对高强度钢的稳定问题进行了综述和研究。李国强等[1]针对高强度结构钢抗震应用问题的研究表明，随钢材强度提高，其伸长率下降、屈强比提高且延性变差，这将阻碍高强度结构钢在抗震结构中的应用。此外，Wang等[6]对Q460钢在高温下的强度和弹性模量进行了研究，结果表明，Q460钢的力学性能随温度升高而降低，其高温下的强度折减率系数低于普通结构钢。综上所述，高强度钢的应用可以为桥梁结构进一步发展奠定基础，但是，其应用带来的稳定问题、抗震问题和耐火问题需进一步研究。

    除高强钢板外，高强钢丝也能提高结构效率，进一步增加桥梁跨越能力。国内外在高强钢丝的研制上投入了大量精力，已发展了元素调控和冶炼工艺等高强钢丝制造手段[7]-[9]。如前所述，主跨1688m的南沙大桥坭洲水道桥，采用比常规悬索桥主缆强度更高的1960 MPa级热镀锌铝合金镀层钢丝，钢丝用量减少量达11%，成本大幅降低[10]；杨泗港长江大桥同样采用了1960 MPa高强钢丝，也节约工程造价[11]。此外，沪通长江大桥在我国首次采用直径7.0 mm的2000 MPa镀锌高强钢丝束，拉索用量有所减少，同时也成为大跨桥梁应用最高强度钢丝缆索的新起点。

2.2 耐候钢的研发与应用

    据统计，全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约达7000亿美元，其中我国因金属腐蚀造成的损失占国民生产总值的4%[12]。钢桥在运营期内持续受到腐蚀作用，而耐候钢的出现在一定程度上解决了此问题。研究表明，耐候钢也会发生锈蚀，但其所含合金元素会增加锈蚀层中α-FeOOH含量，导致锈蚀层稳定，从而减慢腐蚀速率[13][14]。与普通钢桥相比，免涂装耐候钢桥梁不仅能节约建造成本、建造时间和维护成本，还能带来巨大的环境效益，在发达国家使用已经超过半个世纪[15]-[18]。实践表明，免涂装耐候钢桥梁在使用过程中存在均匀腐蚀问题，其受腐蚀程度不仅与环境相关还与桥梁部位有关[19][20]；各发达国家已对免涂装耐候钢桥梁腐蚀问题进行了相应考虑和规定[21]-[25]。此外，局部凹坑也有较大的腐蚀作用[26]，将导致耐候钢疲劳性能下降[27]。因此，研究耐候钢在坑蚀作用下的疲劳性能有助于评估免涂装耐候钢桥梁的腐蚀-疲劳寿命[28]。

    卫星教授团队针对斜焊缝十字接头展开了疲劳性能试验，通过人工制造初始缺陷方法模拟蚀坑，研究结果表明，当初始缺陷深度小于1 mm时，可以忽略其对疲劳强度影响[30][31]；人工蚀坑对有效应力强度因子幅和裂纹扩展方向无影响。郑凯锋团队于2017年起就耐候钢的腐蚀性能、疲劳性能和设计方法展开研究[13][18][28]，研究表明，耐候钢和高性能钢能够满足我国桥梁建设要求，腐蚀作用对其疲劳性能有较大影响。随后通过进一步分析和试验研究发现，免涂装耐候钢桥梁设计中，均匀腐蚀主要对强度和稳定造成一定影响，坑蚀主要影响疲劳性能；经过腐蚀的耐候钢和高性能钢的疲劳强度有较大幅度的降低。

    新的耐候钢桥梁设计将寻求突破传统耐候钢桥梁设计的限制[29]，因此，在推进免涂装耐候钢桥梁应用过程中，需要通过理论研究和试验解决以下问题：(1) 均匀腐蚀导致的结构强度和稳定演化规律；(2) 腐蚀导致的构件疲劳强度等级的折减。

    近年来，我国已经有多座桥梁采用免涂装耐候钢；可以预测，我国将建设更多的免涂装耐候钢桥梁。

2.3 高性能钢材冶炼制备的进展

    传统认识中，含碳量增加可以提高钢材的强度，但会使钢材塑性和韧性降低，同时还会影响钢材的焊接性能。近年来，高性能钢制备工业逐步出现各类在不增加含碳量的基础上加入其它元素来提高钢材强度的方法，即微合金化。刘春泉等[32]综述了Al、Mn和C元素对高强钢性能的影响，表明添加Al、Mn和C元素将使得钢材的冶炼、加工、显微组织演变和变形机制等与常规钢种大不相同，有助于推动低密度高强钢的发展。此外，通过各种处理工艺也能够改变钢材的性能[33]-[35]。吕昭平等[36]通过晶格错配和高密度纳米析出的概念设计，在实验室条件下制备出屈服强度2200MPa的超高强度马氏体时效钢，同时保持了良好的塑性(约8.2%)。因此，通过研究和应用合金元素、各种处理工艺和晶格错配设计等技术，能够进一步突破钢材的性能限制，并有望在钢桥中加以应用，从而进一步提高桥梁承载和跨越能力。

    此外，我国已经研制Q690qE、Q690qENH和滨海耐候桥梁钢材Q370qENHY等。平潭海峡大桥铁路横梁上翼缘采用轧制复合工艺的36mm的Q370qD和3mm的316L不锈钢复合板，解决其防腐问题。

3 桥梁新的组合形式与体系

3.1 钢桁梁与混凝土刚构组合体系桥梁

    为提高混凝土刚构桥的刚度、解决刚构桥后期下挠等问题，2019年主体建成的银西高铁漠谷河2号大桥主桥为(97 2×180 97)m孔跨，其中两孔180m孔跨采用钢桁梁加强混凝土连续刚构桥的形式(如图10)，形成钢桁梁与混凝土连续刚构组合体系桥梁。这种桥梁设计理念与钢拱和混凝土连续刚构的组合桥梁类似，后者如2019年建成的汉十高铁崔家营汉江大桥(图11)，跨度组合为(135 2×300 135)m。钢桁梁与混凝土连续刚构组合体系桥梁，钢桁梁高度相对较低，在增加梁体竖向刚度的同时，也适度提高了梁体的横向刚度，施工建造与后期维修养护更加简便易行。

图10 银西高铁漠谷河2号大桥主桥

图11 汉十高铁崔家营汉江特大桥

3.2 两主跨斜拉桥拉索交叉布置形式

    2017年建成通车的英国昆斯费里大桥(Queensferry Crossing，又称福斯三桥)毗邻福斯铁路桥和福斯公路悬索桥，主桥为两主跨均为650 m，世界最大跨度三塔斜拉桥，采用组合梁，6车道桥面，单索面斜拉索在两主跨跨中一定长度范围内采用交叉布置(如图12)，既能有效地解决了多塔斜拉桥因中间桥塔纵向刚度不足导致非对称荷载作用下主梁竖向变形较大的问题，又能解决了一般斜拉桥跨中无索区梁段出现的较大轴拉力(甚至导致横向开裂)等问题。这一革新性的拉索布置形式可望成为斜拉桥设计与研究的热点问题。

图12 英国昆斯费里大桥与拉索交叉布置

3.3 钢与FRP组合桥梁

    Khalili等[37] 较早提出了在混凝土中添加复合加强塑料，提高混凝土抗拉强度，试验表明效果显著。Spoelstra等[38]提出了一种用于FRP混凝土的非轴向强度模型，并通过试验进行了验证。Chen等[39]研究了复合材料对于混凝土梁抗剪性能的提高作用，并提出了相应模型。此外，研究表明，在增加配筋率的条件下，碳纤维增强复合材料板-混凝土组合梁的极限承载力将得到提高，且梁体变形减小[40]。朱坤宁等[41]对FRP-钢组合梁桥的连接界面受力特性进行研究，采用弹性理论建立了FRP-钢组合梁变形的微分方程，并计入了温度和荷载的影响，有助于连接界面抗剪连接件的合理设计。黄辉[42]研究了钢-FRP-混凝土组合梁桥的力学性能和设计方法，研究指出了弯曲荷载作用下钢-FRP-混凝土组合梁的破坏形态，并提出了组合梁抗弯承载力的计算方法。基于FRP材料的优点，Schnerch等[43]提出了采用FRP材料对钢桥加固的指南。综上，纤维增强复合材料在钢桥中的应用具有优势：极高的强度质量比[44]，能够进一步实现主梁轻量化，同时也为桥梁的加固提供了新方法[45][46]。此外，FRP材料在解决松弛问题与耐老化问题之后，也可能用于桥梁斜拉索和主缆[47][48]。

4  3D打印钢桥雏形

    荷兰科技公司MX3D在2015年正式启动一项基于3D打印的不锈钢桥建设项目[49]，通过3D打印技术和工业机器人制造一座跨度为18 m的不锈钢人行桥(如图13)，并计划安装在阿姆斯特老城的Oudezijds Achterburgwal运河上。该项目由多家科技公司和业界单位协同开展，其中Joris Laarman实验室负责桥梁设计，Arcelor Mittal公司提供金属材料相关服务，Autodesk公司协助桥梁数字工作，Heijmans提供安装服务，联想公司提供计算资源支持，ABB公司提供机器人，Air Liquide & Oerlikon负责焊接相关工作，代尔夫特理工大学负责相关研究工作。该桥目前已由帝国理工大学完成20t静力荷载的最终荷载测试，下一步将进行传感器安装以测试材料性能和结构使用数据。

    2018年该项目获得了 “荷兰设计奖”(设计研究类)；评审意见提到：“经过多年的耐心等待，MX3D打印的桥梁不仅消除了对数字制造的紧张期待，而且在阿姆斯特丹风景如画的城市中心将改变理想建筑！3D打印研究的飞跃为建筑和金属行业其它大型和公共应用开启了一扇大门。评审组对看到它将如何被模仿和被引导到何处充满好奇心。Laarman实验室设定了很高的标准，选用了非凡的钢材：一种典型而保守的建筑材料，以其极高静力性能而闻名；设计所获得的形式和外形隐含着几乎无法想象的意境。”

图13  MX3D打印钢桥

注：参与本文写作的还有衡俊霖、张宇、冯霄暘、雷鸣、王亚伟和熊籽跞。

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研究方向团队成员介绍

郑凯锋教授，博士，博导

    主要研究方向有复杂结构钢桥、大跨桥梁、桥梁精细计算与仿真分析计算等；入选“全国百千万人才工程”、特殊津贴专家；发表论文120余篇，入选“F5000中国精品科技期刊顶尖学术论文”，获省部科技进步一等奖、中国铁道学会优秀论文一等奖、中国公路桥梁学会优秀论文奖等，参编《公路悬索桥设计规范》等，担任50多座大型、复杂桥梁工程的技术顾问和咨询专家，英国南安普敦大学客座教授，考察60多个国家著名桥梁和复杂结构桥梁。

唐继舜教授，博士，硕导

    主要从事钢桥、钢结构设计原理、钢与混凝土组合结构桥梁和既有桥梁的评估方法与加固理论等教学科研工作，主编有铁路特色专业教材《铁路桥梁》，参编《铁路工务》、《桥梁工程概论》、《大跨度桥梁与城市桥梁》、《大跨度悬索桥的设计与施工》、铁道全书《工务与工程》卷、《东桥》、《汶川大地震工程震害分析》等。

李俊副教授，博士，硕导

    主要从事钢桥教学科研工作，曾在美国University of Arizona作访问学者，发表论文40余篇，完成重庆菜园坝长江大桥、重庆朝天门长江大桥、湛江海湾大桥、渝利线韩家沱长江大桥、宜万线万州长江大桥、内六线宜宾岷江大桥、襄渝线嘉陵江大桥、成渝线龙马河大桥等钢桥疲劳、稳定、振动、检测、加固等科研项目。

叶华文副教授，博士，硕导

    西南交通大学和德国布伦瑞克工业大学联合培养博士。注册结构师、注册桥梁检测师、四川省科技厅项目评审专家、成都铁路局顾问专家。主要研究方向：大跨钢桥疲劳及桥梁加固、高性能纤维材料工程应用等方面。主持国家自然科学基金青年基金等项目，主研多项国家重点研发计划、四川省重大研发项目、“863计划”项目、铁道部重大课题等20余项纵向项目，主持及参与港珠澳大桥、重庆菜园坝长江大桥、朝天门长江大桥、两江大桥、东沙大桥、湛江海湾大桥、海口如意岛跨海大桥等30余项横向项目；发表文章50余篇。Journal of Bridge Engineering (ASCE)、Engineering Structures、Composite Structures、中国公路学报、西南交通大学学报、长安大学学报、中外公路、长沙理工大学学报等期刊的审稿人。

栗怀广讲师，博士，硕导

    主要从事钢桥、新型桥梁结构设计理论、可持续性桥梁工程综合技术等的教学科研工作，曾在美国University of Connecticut作访问学者。主持国家自然科学基金青年基金等项目，主研多项国家重点研发计划、四川省重大研发项目、铁道部重大课题等纵向项目与横向项目。