21世紀大跨徑橋梁工程的挑戰

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

21世紀大跨徑橋梁工程的挑戰

廖文科

(重慶交通大學土木工程學院重慶400074)

社會經濟的發展，在一定程度上推動了我國大跨徑橋梁工程的發展。隨著大跨徑橋梁工程的建設在20世紀末進入了高潮，21世紀的大跨徑橋梁工程必將掀起新的浪潮。目前的橋梁工程技術已經能夠較好的解決現在存在的大多數橋梁工程問題，但隨著橋梁往更大跨徑發展，為保證其可靠性、耐久性等，21世紀大跨徑橋梁工程仍有許多值得研究的問題。

大跨徑橋梁工程；挑戰；技術

一、高性能材料的應用和研發

反觀歷史上每一次的工程突破，其中影響最深遠的莫過于新材料的問世與應用。1867年鋼筋混凝土的問世在建材、工程領域掀起了一場革命，其影響直到今天仍是巨大的。建筑材料的性能的提高是橋梁工程不斷進步的重要動力。現代橋梁仍以鋼材和混凝土為主要建筑材料。過去60年中，鋼材強度從S343發展到了S1100，混凝土強度也提高到了C150。各種輕質高強復合材料和智能材料在橋梁工程中得到了應用。高性能材料顯示出來的巨大優勢使世界各國競相開展這方面的研究。

高性能鋼材可以通過優化現代煉鋼技術，提高鋼材的各種性能，如焊接、耐腐蝕、抗疲勞等性能。高性能混凝土可以通過在混凝土中摻入各種外加劑、纖維材料、納米材料等制成，具有高抗滲性、高體積穩定性、高抗壓強度和良好的施工性能。高性能復合材料，如FRP復合材料主要是將FRP纖維摻入混凝土形成的FRP纖維混凝土，在混凝土結構加固中得到了廣泛的應用。這些高性能材料必將在未來大跨徑橋梁中發揮巨大的作用。

二、深水基礎技術的研究

隨著各國跨海大橋建設的籌備與開展，必將面臨著深水基礎者一難題，目前國際上最深的大橋基礎是明石海峽大橋的水深70m的巨型沉井基礎。我國橋梁目前也尚只擁有修建30m左右水深的基礎的經驗。而縱觀世界各國的海峽，水深都達100米甚至更深，所以必須未雨綢繆，對深水橋梁基礎的方案選型，設計理論，施工工藝進行深入的研究。深水基礎技術的進步必將帶動大跨徑橋梁有更長遠的發展。

三、橋梁結構的耐久性研究

許多古老橋梁能夠屹立幾千年，而現代大多數橋梁建成后，橋梁的耐久性問卻越來越突出。國內外統計資料表明，由于橋梁耐久性而導致的經濟損失是巨大的。我國現有規范規定，橋梁結構的設計使用年限為100年，但事實上許多橋梁結構在規定期限內就已經達到了其耐久性極限而拆除重建。影響橋梁耐久的因素眾多，如混凝土開裂、鋼筋銹蝕，混凝土徐變、預應力鋼筋松弛導致的預應力損失等。其中，混凝土斜拉橋的開裂，混凝土梁式橋的下撓和正交異性鋼橋面的疲勞裂縫等是橋梁耐久性研究中最需要解決的問題。對于未來的大跨徑橋梁工程，不僅要保證100年的設計使用壽命，而且應朝著更長久的使用年限發展。橋梁的耐久性問題如果能夠解決，將會為橋梁工程建設減少巨大的損失。

四、計算方法與軟件的研究

計算機技術與有限元分析理論的快速發展為橋梁結構計算方法和相應軟件的開發奠定了堅實基礎，國際上已經出現了許多大型商用軟件,IT技術和計算機處理能力的進一步提高以及相應結構分析軟件的不斷進步將使得橋梁的設計更加精細化，為實現仿真數值模擬和“虛擬現實”創造了條件，建立起一種基于全橋結構空間非線性應力水平的設計和計算方法，并充分考慮配筋和預應力配束以及斜拉橋等的實際空間分布，同時計及不同部位混凝土的空間強度分布，以精確的控制實際的應力狀況和材料強度狀況，保證結構在施工和運營中的安全。目前橋梁工程建設應逐步走向智能化，加強適合于橋梁工程智能軟件如BIM的開發將會對大跨徑橋梁的建設產生重大意義。

五、斜拉橋跨度的研究

斜拉橋的極限跨度一般可以達到1500m左右，主要是橋面受到斜拉索水平分力產生的軸向力、拉鎖的非線性效應以及長懸臂施工中的變形和振動等問題隨著跨度的增大越來越明顯，從而限制了斜拉橋的跨越能力。目前超過一千米的橋大多選用懸索橋，然后由于多跨懸索橋中塔鞍座的抗滑問題尚未得到根本的解決，因此目前多跨懸索橋適用范圍受到限制，而應優先考慮經濟合理和施工方便的多跨斜拉橋。目前多主跨斜拉橋的關鍵技術問題在于如何保證結構體系具有足夠的剛度，特別是主梁的剛度。在未來的大跨徑跨海大橋中，多塔斜拉橋必將展示出其獨特的優越性，成為跨海大橋的主要橋型。

六、鋼與混凝土組合結構橋梁的研究

在傳統的鋼梁和混凝土結合梁的基礎上發展起來的許多不同形式的組合結構，組合體系充分發揮了鋼材和混凝土各自的優點，相互取長補短，具有廣泛的發展前景與經濟技術競爭力。如：在支點處可用上下雙層結合的豎向結合梁橋、鋼筋混凝土邊梁與鋼橫梁的橫向結合梁以及中跨鋼梁與邊跨混凝土的縱向結合梁(混合梁)。如果能夠在鋼-混組合結構橋梁方面有更深入的研究，對大跨徑橋梁的建設有重要意義。

七、橋梁施工方法及裝備的研究

橋梁施工是橋梁建設的關鍵環節，橋梁施工技術水平的高低直接影響到橋梁建設的發展。回顧過去的一百多年里，橋梁施工工法經歷了從現場澆筑到預制拼裝的過程、從有支架到無支架的過程、從分段分片到整體化施工的過程，而橋梁施工裝備也從小型機具向更加大型、智能化、自動化的方向發展，并相應地減少施工人員數量、提高了施工質量。為了建筑優質和耐久的橋梁結構必須研發更加先進的施工工法和技術設備，為未來大跨徑橋梁如跨海工程、惡劣施工環境、超長使用壽命的橋梁建設做好充分的準備。

八、結語

展望未來的橋梁，我們將面臨長達而又雄偉、輕質而又超重、基深而又橋高、大跨而又寬闊的超級橋梁工程。這些工程將挑戰寬闊的海峽、自然災害等地球力量，并擔負起連接人與人、國與國、大陸與大陸的使命。這需要我們鼓勵創新，加速高性能材料、超深水基礎、耐久性結構物的研發，儲備好先進的技術。

[1]向海帆.21世紀世界橋梁工程的展望[J].土木工程學報,2000.

[2]伊藤學，川田忠樹.超長大橋梁建設的序幕—技術者的挑戰[M].北京：人民交通出版社，2009