2020年度进展34:桥梁设计技术（2）——国外桥梁

PART-1 前言

国外在2020年新建的桥梁，数量有限，规模和跨度上也难以与位于世界前列者相提并论。不过，这些桥梁在结构形式、高新技术应用、新材料研发、美学处理、环境保护等方面各有一些特色，值得了解借鉴。

本文选择几座建成于2019-2020期间的桥梁，简要介绍并讨论其设计特点。

PART-2

国外建造的典型桥

2.1  加拿大尚普兰桥[1,2]

1962年，加拿大蒙特利尔建成尚普兰（Champlain）桥。这座桥长3440 m，主桥为跨度215.5   m的钢桁架悬臂桥。因多年使用除冰盐，该桥功能日益陈旧，结构退化显著。2015年，在下游100 m处开建一座新桥，并于2019年7月1日开放，而旧桥在开通57年后关闭并拆除。

新建的尚普兰桥，桥长3400  m，由东引桥、主桥和西引桥组成。主桥为结合梁独塔斜拉桥，长529  m，分跨80.4 124 240 84.4 m；桥宽60  m，布置6条车行道、2条城市轻轨（在建）和1条供行人及自行车使用的通道。

主桥的跨长240 m，混凝土独塔在立面呈一字型，横截面上的形状类似于音叉（图2.1），双排拉索采用竖琴式布置。桥面分为三幅（图2.2），南北侧的主梁采用开口双箱组合（外接三角斜撑），中间的主梁为开口单箱构造（外接悬臂梁），箱梁上铺预制混凝土桥面板。在拉索下锚点处，设置强大的横系梁将三片主梁连为一体。除桥塔外的所有桥墩采用钢-混组合形式（图2.2），下部采用混凝土现浇及预制墩身，上部则采用钢制W形墩帽。

图2.1  桥塔布置

图2.2  桥墩及主梁布置

该桥设计和施工的关键目标，是在满足严酷环境条件（如冬季施工等）、耐久性要求（设计年限为125年）和建筑美观的前提下，按工期（48个月）完成设计和施工。因此，在材料上，运用了一些不锈钢和高性能混凝土；在构造上，尽可能采用分段预制装配，以便加快施工进度；在建筑造型上注重塔墩协调，整体上呈现出一种简约主义风格。

2.2  德国摩泽尔河高架桥[3]

摩泽尔河高架桥是德国莱茵兰-普法尔茨州的一座公路桥，2019年11月底建成通车。高架桥采用钢箱连续梁结构，全桥长1702.4 m，共11跨，分跨如图2.3所示，最大跨209.5 m，桥高158 m；桥宽29.0 m，正常情况下四车道通行。共设置10个混凝土桥墩，墩高在20.78-150.72 m之间。高墩采用爬模法施工，主梁采用顶推法施工。

图2.3  摩泽尔河高架桥及立面布置（单位：m）

如图2.4所示，主梁为带大悬臂的单箱截面。正交异性桥面板宽29.0m ，箱宽11.0 m；箱梁高度与跨度有关，最大7.78 m，最小5.268 m。箱梁内每隔4.365 m设置一道横向框架，每隔三道框架（间距13.095 m）在箱梁内部设置两对斜撑，在箱梁外侧设置一对斜撑，用以支撑9 m宽的悬臂板。为方便布置桥面排水管道，美化外观，采用向内下降的桥面横坡。

图2.4  箱梁截面（单位：mm）

桥墩采用箱形截面。在立面上，墩顶水平尺寸为3.9  m，按1：80向下放坡。在横向，墩顶水平尺寸为13.4  m，按立方抛物线进行缩腰；个别矮墩形成上宽下窄的外观，高墩则形成两头宽中间窄的外观，最窄处9.5  m。

摩泽尔河高架桥以其简洁流畅的连续结构跨越较为宽深的河谷。德国曾建造过几座类似的大跨高墩跨谷桥，如1972年建成的温宁根高架桥（主跨282.2  m，桥高136  m），1977年建成的内卡河高架桥等（主跨263.0  m，桥高127  m）等。该桥是这一建筑风格的延续。

2.3 意大利热亚那圣乔治高架桥[4-5]

2018年8月意大利热那亚莫兰蒂桥的致命坍塌，给区域交通带来了严重阻碍，使道路绕行增加了120  km。意大利交通部决定尽快重建桥梁。大桥（现称为热亚那圣乔治高架桥）的重建于2019年9月开始，2020年8月建成通车。

重建桥梁采用钢混连续梁结构，桥长1067 m，19跨，分跨8×50 3×100 6×50 41 26 m；桥宽30.8 m，布置双向6车道（含两条应急车道）。参见图2.5，上部结构由中央双主梁框架、主梁上下游侧的三角形挑臂（沿桥纵向间距4.55 m）、弧形底板、挑臂间钢面板及现浇混凝土桥面组成，最大梁高4.82 m。下部结构由18个桥墩及钻孔灌注桩基础组成，混凝土桥墩采用椭圆形截面，长轴9.50 m，短轴4.00 m，大部分墩高约50 m。另外，通过设置支撑装置将墩、梁分隔，借此优化结构受力和基础设计。

图2.5  热亚那圣乔治高架桥主梁构造示意（单位：m）

该桥由意大利著名建筑师伦佐·皮亚诺免费设计，设计灵感来自于热那亚悠久的航海历史。主梁底部的弧线，加上高耸的灯柱，使人联想到船艏。椭圆形桥墩与弧形梁底，可大大减弱结构的体量感。钢材表面采用明亮的浅灰蓝色，易与天际线融为一体，衍生出温和的视觉冲击效果。

该桥设计采用4D BIM与数字孪生相关技术，创建了地形、道路、桥梁和机电系统等的数字模型。这不仅使设计过程数字化和自动化，还可加速设计决策、降低设计成本、完善工作团队之间的协调与合作。

对新桥的安全和耐久性问题，给予了极大重视。在高架桥上下游侧，各安装两个机器人。这些机器人可沿高架桥外侧轨道移动，一个用于清洁防风屏障和太阳能电池板（为桥梁照明、传感器和其他系统提供电力），另一个通过铰接臂自动检查主梁底板外表面的锈蚀或开裂。另外，在钢箱内配备了两条检修通道和7台除湿机。

2.4  德国斯图加特轻轨桥[6-7]

2020年，德国建成世界上首座完全采用CFRP吊杆的大跨轻轨桥梁（图2.6）。该桥位于斯图加特的轻轨交通系统中，跨越全宽约80 m的A8高速公路。

图2.6  德国斯图加特跨越A8高速公路的轻轨桥

该桥采用中承式组合拱结构，全长约130  m，跨径107  m，桥面宽8.5-11.7 m。在桥面以上，布置水平投影80.03  m长的变截面钢箱拱肋，矢高8.5  m，两肋之间无横撑，通过网状CFRP吊杆悬挂预应力混凝土桥面板。在桥面以下，沿拱轴线方向设置预应力混凝土斜撑，在桥台护坡处设置混凝土斜向挡板，其上布置变截面预应力混凝土边跨结构，跨度23.02-23.98 m，无立柱。

该桥的主要设计目标表现为：（1）对既有公路交通的干扰最小；（2）桥梁外观应有吸引力；以及（3）所有构件和细节需坚固耐用。轻盈柔细的钢肋拱，配上网状CFRP吊杆，可形成一个视觉突出的主体结构。为减少交通干扰，先在路旁的临时支架上建造主体结构（连同桥面板，重约1400 t），然后短暂关闭公路交通，采用自行式模块化运输车（SPMT）将它运至桥位处。

该桥最突出的技术创新，是采用了72根CFRP制成的网状吊杆。吊杆直径仅为32  mm，横截面积不到传统钢吊杆的1/4。通过研究发现，CFRP吊杆在耐久性能，抗风性能和布置优化等方面具有明显优势。基于桥梁全生命周期评估，采用CFRP吊杆的桥梁费用也低于采用传统钢吊杆者。在全球范围内，该桥首次将CFRP网状吊杆用于承受高疲劳荷载的桥梁，这会对将来轨道桥梁的设计产生明显影响。

2.5 莫诺什托尔桥[8-9]

2020年9月，位于匈牙利科马罗姆城和斯洛伐克科马尔诺城之间、跨越多瑙河的莫诺什托尔（Monostor）公路桥建成开通。这是一座规模不大但造型别致的斜拉桥（图2.7），它不仅成为双城的地标，也是目前两国最高的桥梁。

图2.7  莫诺什托尔桥

该桥为一座独塔钢斜拉桥，桥全长601.6  m，主跨252.0  m，分跨66 252 120 96 66 m。桥宽20.4  m，上游侧设置人行道，中间设置净宽11.5  m的车行道（2×3.75 m车道 2×2.2 m应急车道），下游侧设置自行车道。梁部由开口双箱、横系梁及正交异性桥面板组成；箱梁高2.5  m，横向间距14.9  m，最大板厚80  mm。塔高118.1  m，为钢-混组合形式，在受压侧的箱室内灌注混凝土，在受拉侧布置有预应力。出于美学考虑，造型上采用在横向非对称布置（从上游侧向桥上倾斜）的形式；全桥布置16对空间索，且相对于桥中轴对称。

该桥的突出特点是桥塔的建筑外观，其造型洗练，动感明显，全桥搭配使用工业灰（RAL 7035）和信号蓝（RAL 5005）色彩，整体表现出清新素雅的风格。

2.6 荷兰采用生物基复合材料建造的人行开启桥[10]

2020年初，荷兰采用生物基复合材料建成了一座开启桥（图2.8），主要用于人行和自行车，偶尔也可让汽车（不重于120 kN）通行。桥梁开启时，可允许17 m宽的船只通过。它是世界上第一次采用生物基复合材料建造的桥梁（设计寿命100年），也是把基础设施、循环经济、创新理念和知识发展良好融合的一个案例。

图2.8  采用生物基复合材料建成的开启桥（单位：m）

桥梁采用梁式结构，全长66m，开启部分位于粗壮圆柱形桥墩之上，通航主跨22 m，配重跨12 m，平转方式开合。如图2.8所示，主梁为箱梁截面，宽3.65 m，高1.2 m，由5片纵腹板、1片下翼缘板和1片夹芯轻木顶板构成（横隔板未绘），其中85%为生物基材料（亚麻纤维、轻木和植物树脂）。主梁自重只有30 t（若采用混凝土梁，则会重达400 t），全桥分两段制造、运输和架设。

采用生物基复合材料建造的桥梁，其优点主要表现为：资源可再生，生物可降解（若全部采用生物树脂），低二氧化碳影响，可接受的比强度，低密度，耐化学腐蚀性和耐磨损等；其不足主要表现为：蠕变较明显，对湿度敏感，纤维存在自然变异性，防火、抗冲击、纤维基体附着力不强等。该桥的设计基于大量材料试验和足尺构件试验，并在桥上配备了先进的监测系统，以收集主梁变形、含水量、荷载和温度等数据。

2.7 爱尔兰罗丝·肯尼迪桥[11]

罗丝·肯尼迪桥（图2.9）是爱尔兰巴罗河上的一座公路大桥，双向4车道，2020年1月建成通车。该桥是一座PC矮塔斜拉桥，分跨36 45 95 2×230 95 70 50 36 m，全长887 m。

图2.9  爱尔兰罗丝·肯尼迪桥（单位：m）

配合单索面斜拉索布置，桥塔采用单柱不等高形式。中塔（P4）高27.0 m，两个边塔（P3和P5）高16.2 m，塔宽仅1.6 m。中塔布置有18根平行钢绞线索，两个边塔各布置8根；拉索在梁上的水平间距6.5 m，在塔上的平均间距约为1.1 m。斜拉索分担的梁重约为50%。

主梁采用预应力混凝土单箱构造（图2.10），箱宽8 m，两侧接6.95 m宽的悬臂，形成21.90 m宽的桥面。梁底为折线形，中塔处梁高8.5 m，边塔处高6.5 m，跨中等高区段为3.5 m。悬臂由斜置的预制板单元支撑，以减少悬臂长度，同时形成主梁光洁的外观。在箱内靠近塔柱的若干下锚头处，设置倾斜的钢支撑，以控制顶板的混凝土应力。

图2.10  截面布置示意

该桥纵坡大（约5%），拉索夹角小，结构受力复杂。为减小梁重、适应应力分布，在结构不同部位采用不同强度的混凝土。主跨大多采用C80/95和C60/75混凝土，边跨采用C60/75混凝土，其余跨采用C50/60混凝土。

结构纤细，比例匀称，外观整洁，混凝土的高效利用，是该桥的主要设计特点。

PART-3

 中国企业参与建设的国际桥梁项目

近年来，我国企业开始更多地参与国际桥梁的设计、施工和制造，有代表性的几个项目如下。

3.1 巴拿马大西洋桥[12]

也被称为巴拿马运河三桥（图3.1），2019年8月建成通车。大西洋桥全长约12 km，由中交集团与美国路易斯·贝格尔集团组成的设计联合体负责桥梁设计（按照美国AASHTO标准）。主桥是一座双塔双索面预应力混凝土双主（箱）梁斜拉桥，分跨79 181 530 181 79 m，桥宽23.6 m，双向4车道；其530m长的主跨是目前同类桥梁的世界之最。

图3.1  巴拿马大西洋桥（单位：mm）

3.2 孟加拉帕德玛大桥[13-14]

帕德玛大桥（图3.2）是一座横跨帕德玛河的公铁两用钢桁结合梁桥，是孟加拉国的标志性建筑，2020年底完成主桥架设。该桥全长6150 m，7联41跨，跨度150 m。主桥为全焊华伦式钢桁梁，桁高12.75 m，桁中心距12 m，上铺混凝土桥面板，桥面宽20.65 m。上层桥面布置4车道高速公路，下层桥面布置单线重载（轴重32.5 t）铁路。基础采用直径3 m、最长128 m的6根钢管打入斜桩。该桥的设计及施工需面临当地恶劣的环境挑战（桥址处地震活动频繁、雨季水深流急、河流冲刷严重）。中铁大桥局承担了主桥施工，采用“天一号”起重船完成了重达3200 t钢梁的整孔架设。

图3.2  孟加拉帕德玛大桥

3.3 文莱淡布隆跨海大桥[15]

全长约30  km的跨海大桥（图3.3），2020年3月建成通车。该桥是一座双车道公路桥，包括海上高架桥、通航孔桥和淡布隆高架桥三部分，中国建筑承建了位于泥炭沼泽森林区且环保要求极高的淡布隆高架桥。通航孔桥为两座预应力混凝土斜拉桥，一座为独塔（分跨2×145 m），一座为双塔（分跨130 260 130 m），桥塔造型具有伊斯兰建筑风格。

图3.3  文莱淡布隆跨海大桥

3.4 瑞典斯特哥尔摩的船闸桥[16-17]

也称为金桥（图3.4），2020年10月开通。船闸桥是一座三跨钢箱变截面连续梁桥，长140.63 m，全宽45 m，最大跨58  m，重约3700 t。因桥梁北端衔接地面交通，南端需同时衔接地面及地下通道，桥梁的几何形状特殊，钢梁高度从一端的0.94 m增加到另一端的约6  m，并形成桥中部9.3 m宽的上下通道。该桥是由山海关桥梁厂承担制造、振华33半潜船整体运输的。

图3.4  瑞典斯特哥尔摩的船闸桥（单位：mm)

小结

上述桥梁，仅为2019-2020年国外建成的一部分桥梁。因篇幅有限，有些桥梁，如俄罗斯克里米亚大桥（全长18.1  km的跨海公铁大桥，主桥为跨度227  m的钢系杆拱桥，2018年开通公路桥，2019年开通铁路桥）、奥地利林茨的沃埃施特绕道桥（在原沃埃施特独塔斜拉桥的上下游侧新建两座独塔钢箱斜拉桥，2020年开通）、美国加州的杰拉尔德·德斯蒙德桥（主跨305  m的PC斜拉桥，2020年开通）等，未予介绍。

考虑桥梁与环境的协调、重视桥梁建筑造型、开展结构精细化分析设计、实践价值工程（通过对产品的功能、费用与价值进行系统研究，形成以最小成本提供必要功能，获得较大价值的科学方法），是前述桥梁设计的普遍做法。

作者简介

李亚东，男，博士，教授，博士生导师。兼任中国钢结构协会桥梁钢结构协会副理事长，中国铁道学会工程分会桥梁专业委员会副主任委员，中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会理事，《桥梁》杂志编委会副主任委员，《桥梁建设》和《世界桥梁》期刊编委。主编《桥梁工程概论》、《土木工程专业英语》和《亚东桥话》，副主编《桥梁漫笔》（第二版）、《铁路桥梁施工》和《焊接钢桥的疲劳应力》，参编《中国铁路桥梁（1980-2020）》、《大贝耳特海峡东桥》等，主审《铁路桥梁造型指南：德国铁路桥梁的设计理念》，是《中国铁道大百科全书（工程工务卷）》和第三版《中国大百科全书（土木卷）》桥梁分支条目的主要撰稿人。主持和参与国家及省部级科研课题10余项，承担过南京长江二桥、重庆菜园坝大桥、武汉杨泗港大桥、大瑞铁路怒江大桥、常泰长江大桥等20余座特大桥梁的科研和技术服务工作。

主要研究方向：现代桥式，钢桥焊接残余应力，山区桥梁防灾减灾，桥梁工程史，桥梁美学。

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庄卫林，男，教授。中国公路学会桥梁和结构工程分会常务理事、全国交通工程设施（公路）标准化技术委员会委员、北京茅以升科技教育基金会桥梁委员会委员等。2019年5月以前主要从事公路桥梁勘察设计工作，2019年5月调入西南交通大学工作。研究方向为桥梁的防灾减灾及桥梁技术的工程应用。曾获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖11项，二等奖7项，国家专利19项。享受国务院政府特殊津贴，四川省学术及技术带头人、四川省工程设计大师、全国公路优秀科技工作者、全国交通运输行业优秀科技人员、全国“年度十大桥梁人物”。

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谢尚英，女，博士，教授级高级工程师，硕士生导师，四川省工程设计大师，成都市政协委员，西南交大土木工程设计有限公司总经理。研究方向为现代桥式及桥梁结构设计理论、既有桥梁结构损伤与健全性评估。主持、参与完成科研项目10余项；发表论文20余篇；获四川省科技进步一等奖1项；主持设计作品获国家及省部级优秀设计奖60余项；专利30余项；主编地方标准3项。

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何畏，男，硕士，副教授，硕士生导师。国家级土木工程实验教学示范中心（西南交通大学）常务副主任，国家级土木工程虚拟仿真实验教学中心（西南交通大学）常务副主任，国家级精品课程、国家一流本科课程骨干教师。研究方向为大跨度桥梁结构行为、桥梁施工控制与健康监测、超高性能混凝土结构应用、桥梁智能建造技术。获中国公路学会科技进步一等奖1项；四川省教学成果一等奖1项；参编地方标准3部；参编教材2本。

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张迅，男，博士，副教授，博士生导师。国家自然科学基金通讯评审专家、国际声学与振动学会会员、中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会会员、中国地震学会基础设施防震减灾青年委员会委员。主要研究方向：（1）桥梁结构车致振动与噪声的预测、监测和主/被动控制；（2）灾害环境下（泥石流、落石、滑坡、洪水等）桥上行车安全性控制。相关研究成果被应用于成灌铁路、秦沈客专、津秦高铁、长沙中低速磁浮、广州地铁、杭长高铁、深茂高铁等重点工程中。主持国家自然科学基金3项、省部级课题3项，企业委托课题十余项。出版学术专著1部，发表SCI/EI收录论文50余篇。

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徐勋，男，博士，讲师，硕士生导师。研究方向为桥梁结构行为、箱梁桥结构行为。完成科研项目20余项，发表论文30余篇。

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任伟平，男，博士，高级工程师。主要从事现代桥式及桥梁结构设计理论、桥梁钢结构稳定与疲劳等方向的研究及教学工作。近年来主持完成了20多座大中型桥梁的工程设计及技术咨询；主持完成了铁道部科技研究开发计划1项；参与国家863项目1项，西部课题1项；参编教材专著2本、译著1本。

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