創(chuàng)新發(fā)展的中國(guó)橋梁工程

王嘉煒 馮偲玫 劉嘉莉 蘇詩(shī)瑋

摘 要：本文通過(guò)對(duì)我國(guó)橋梁工程發(fā)展歷程的回顧，介紹了改革開(kāi)放30年以來(lái)我國(guó)橋梁在工程材料、勘察、設(shè)計(jì)、施工、管養(yǎng)等方面的新技術(shù)，并對(duì)我國(guó)未來(lái)橋梁技術(shù)的發(fā)展方向做了展望。

關(guān)鍵詞：中國(guó)橋梁; 發(fā)展歷程; 創(chuàng)新技術(shù); 信息化

中圖分類號(hào)：TU45? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2020）11-183-002

1.中國(guó)橋梁的發(fā)展歷程

千百年來(lái)，橋梁已經(jīng)成為人們的生產(chǎn)和生活中必不可少的組成部分，一座座造福民生的幸福橋屹立在祖國(guó)大地上。南京長(zhǎng)江大橋是長(zhǎng)江上第一座由我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的雙層式鐵路、公路兩用橋梁，是中國(guó)橋梁建設(shè)的重要里程碑，具有極大的政治、經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義，被人們稱為“爭(zhēng)氣橋”。隨后，中國(guó)橋梁在吸收國(guó)際先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)“世界之最”，世界上最長(zhǎng)的跨海大橋——港珠澳大橋，世界上第一高橋——北盤(pán)江大橋，全球最佳橋梁——膠州灣大橋，都出自中國(guó)。改革開(kāi)放以來(lái)的40年，是中國(guó)橋梁發(fā)展的黃金時(shí)期，走過(guò)了三個(gè)階段，即20世紀(jì)80年代的學(xué)習(xí)與追趕、90年代的跟蹤與提高以及21世紀(jì)以來(lái)的創(chuàng)新與超越發(fā)展階段。20世紀(jì)80年代到90年代是第一階段，在拱橋方面出現(xiàn)了兩種新型結(jié)構(gòu)，以四川旺蒼東河橋?yàn)槔匿摴芑炷凉皹蚝鸵允徍獫蓸驗(yàn)槔臒o(wú)風(fēng)撐的下承式拱橋，反映出我國(guó)的橋梁行業(yè)在積極向國(guó)際的新潮流邁進(jìn)。90年代初，我們努力學(xué)習(xí)和追趕國(guó)外橋梁的建設(shè)成就，1991年開(kāi)工的上海楊浦大橋就是一次攀登，主跨602米的結(jié)合梁斜拉橋在1994年建成時(shí)居世界斜拉橋跨度之首，現(xiàn)名列第三。隨后建成的江陰長(zhǎng)江大橋，成為了中國(guó)首座跨徑超千米——1385米的懸索橋梁，標(biāo)志著中國(guó)正走向世界橋梁強(qiáng)國(guó)之列。在拱橋方面，建成的四川萬(wàn)縣長(zhǎng)江大橋成為了繼武漢長(zhǎng)江大橋和南京長(zhǎng)江大橋后我國(guó)橋梁行業(yè)的又一里程碑。21世紀(jì)以來(lái)，我們橋梁的建造水平有了進(jìn)一步的提高和突破，我國(guó)橋梁行業(yè)的工作者積極主動(dòng)地發(fā)揮了創(chuàng)新和超越精神，建造了全球首座超千米跨徑斜拉橋——蘇通長(zhǎng)江公路大橋;世界總體跨度最長(zhǎng)、鋼結(jié)構(gòu)橋體最長(zhǎng)、海底沉管隧道最長(zhǎng)的港珠澳跨海大橋。這些橋梁的突出成就讓我國(guó)成為了名副其實(shí)的橋梁大國(guó)。

截至2017年年底，中國(guó)已建成的橋梁數(shù)量超過(guò)83萬(wàn)座，獲得了全世界對(duì)中國(guó)橋梁工程的認(rèn)可。“21世紀(jì)的橋梁看中國(guó)”，已是世界橋梁建筑領(lǐng)域公認(rèn)的觀點(diǎn)，中國(guó)橋梁在中國(guó)乃至世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的巨大作用和意義，充分展示出了中國(guó)橋梁建設(shè)者用智慧與創(chuàng)新打響的中國(guó)名片。

中國(guó)橋梁產(chǎn)業(yè)取得的這些成就離不開(kāi)我國(guó)橋梁技術(shù)“集成-發(fā)展-創(chuàng)新”的發(fā)展規(guī)律，中國(guó)橋梁建設(shè)之所以取得突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，主要在五個(gè)方面的技術(shù)上進(jìn)行了發(fā)展創(chuàng)新。

2.材料技術(shù)創(chuàng)新

俗話說(shuō)“巧婦難為無(wú)米之炊”，材料是一切工程的基礎(chǔ)，特大橋梁的建設(shè)離不開(kāi)材料技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新。到目前為止，中國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)能在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高強(qiáng)度的混凝土、鋼材、復(fù)合材料和智能材料，其中某些材料的生產(chǎn)技術(shù)也處于世界領(lǐng)先水平。

滬通長(zhǎng)江大橋是主跨度超千米的公鐵兩用橋，屬于特大橋，載重量非常大，而在此之前我國(guó)生產(chǎn)的最高強(qiáng)度級(jí)別的橋梁鋼是Q420qE，不能滿足如此高荷載的設(shè)計(jì)要求。在多方專家研討攻關(guān)后，最終在國(guó)內(nèi)首次采用了Q500qE級(jí)高強(qiáng)度鋼及2000MPa級(jí)斜拉索新型材料。

除了傳統(tǒng)建筑材料，新型材料的使用使得橋梁建設(shè)如虎添翼，如有記憶、自我修復(fù)功能的智能材料，這種材料有記憶合金、壓電材料、光導(dǎo)纖維、自修復(fù)智能混凝土等，它們使得橋梁像生物一樣具有了一定的自我檢測(cè)和愈合功能，在橋梁建設(shè)和加固工程中的研究和應(yīng)用已逐步開(kāi)展。北盤(pán)江大橋是一座懸索式高架公路橋，橫跨號(hào)稱“世界大裂縫”的花江大峽谷，建設(shè)期間需要克服山巒疊嶂、溝谷縱橫、地質(zhì)復(fù)雜、氣候惡劣等重重困難，為了有效避免傳統(tǒng)混凝土施工中可能出現(xiàn)的空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量問(wèn)題，降低施工難度，節(jié)約施工成本，北盤(pán)江大橋在建設(shè)過(guò)程中研發(fā)了能夠自己流動(dòng)均勻填密的“智慧”混凝土，這種混凝土具有高流動(dòng)性和良好的抗離析泌水能力，不光能保持干稠混凝土的良好性能，而且僅靠自身重力就能均勻密實(shí)地填充成型。

3.勘察技術(shù)創(chuàng)新

勘察技術(shù)是橋梁工程發(fā)展的先決條件，在施工前，通過(guò)勘察對(duì)地形、地質(zhì)構(gòu)造、地下資源蘊(yùn)藏情況等進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。面對(duì)著浩瀚、一望無(wú)際的大海或者深不見(jiàn)底的峽谷，傳統(tǒng)的以人工、經(jīng)驗(yàn)為主的勘察和測(cè)量手段需要勘察設(shè)計(jì)人員跨越山區(qū)、在地形復(fù)雜的條件下進(jìn)行工作，往往既艱苦又困難，無(wú)法適應(yīng)在復(fù)雜地形地貌下的勘察任務(wù)。目前，在復(fù)雜工程上，我們主要應(yīng)用遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代空間信息技術(shù)來(lái)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的獲取和分析，為我國(guó)橋梁的建設(shè)提供準(zhǔn)確和充分的地質(zhì)地形資料。無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)為勘察和設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)判讀數(shù)據(jù)，方便獲取海域或者峽谷等工作人員無(wú)法到達(dá)的地方的影像資料，再利用影像處理軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后就可以獲得高質(zhì)量、準(zhǔn)確性好的測(cè)繪圖。比如杭州灣跨海大橋不再采用傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，而是采用了全球定位系統(tǒng)（GPS），借助船體臨時(shí)參考坐標(biāo)系及樁身與樁架的相對(duì)位置關(guān)系，通過(guò)GPS系統(tǒng)，可以把握兩個(gè)樁位設(shè)計(jì)與實(shí)際之間偏差，實(shí)現(xiàn)GPS系統(tǒng)對(duì)鋼管樁的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新

設(shè)計(jì)是橋梁工程的靈魂，是設(shè)計(jì)理念與技術(shù)的完美結(jié)合。我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)理念日益完善，從注重施工質(zhì)量的可靠性設(shè)計(jì)向統(tǒng)籌考慮工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的全壽命周期理念轉(zhuǎn)變。在橋型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，中國(guó)工程師研發(fā)了適用于當(dāng)?shù)貤l件的技術(shù)。包括各種創(chuàng)新橋型，比如港珠澳大橋的橋島隧組合的設(shè)計(jì)。伶仃洋海域中的主航道受到航空領(lǐng)域的建筑物高度限制只能采用隧道，其他部位采用橋梁則更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，為了實(shí)現(xiàn)橋梁與隧道之間的轉(zhuǎn)換，選擇在隧道兩端修建人工島，這就構(gòu)成了港珠澳大橋的橋島隧相結(jié)合的建設(shè)方式;還包括各種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如擁有世界高度的矮寨特大懸索橋，設(shè)計(jì)采用塔梁分離式懸索橋結(jié)構(gòu)，它的索塔位置距懸崖邊緣僅70-100米，下面就是萬(wàn)丈深淵。不同于一般懸索橋設(shè)計(jì)中的塔與梁相接，矮寨特大懸索橋大橋設(shè)計(jì)因地制宜，大橋兩個(gè)索塔分別立于兩岸的山頭上，兩端分別與路面或者山體的隧道相接。這種橋梁設(shè)計(jì)不僅最大限度地減少了對(duì)山體的開(kāi)挖，節(jié)省了投資，還實(shí)現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)與自然景觀的完美融合。

5.施工技術(shù)創(chuàng)新

中國(guó)擁有不同施工條件下各類型橋梁的施工技術(shù)，隨著自動(dòng)化水平、生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性的不斷提升，橋梁行業(yè)的施工創(chuàng)新技術(shù)正迅速發(fā)展。比如馬鞍山長(zhǎng)江大橋左汊主橋位處河床寬、流速快的長(zhǎng)江水道，跨江主體部分長(zhǎng)達(dá)11.209千米，施工難度可想而知。大橋的中塔上塔柱高127.8米，這個(gè)高度不亞于古詩(shī)中“危樓高百尺，手可摘星辰”，超高索塔施工導(dǎo)致普通的塔吊無(wú)法滿足其起重量和高度的施工要求[2]，我國(guó)自主研制的5200t塔式起重機(jī)解決了這一難題，標(biāo)志著我國(guó)的超高橋塔的施工技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

杭州灣跨海大橋的灘涂區(qū)采用“整孔預(yù)制架”新技術(shù)[3]，這種技術(shù)通俗來(lái)說(shuō)就像拼搭積木一樣，提前制造好合適的積木塊，然后將積木塊拼接在一起組成橋梁主體。杭州灣跨海大橋就是提前在梁場(chǎng)制造好與橋面寬度等同的箱梁頂板，然后將這些頂板運(yùn)到海上提前建好的橋墩上進(jìn)行拼接。杭州灣是我國(guó)潮水落差最高的地方，怎么將這個(gè)“積木塊”拼接呢？杭州灣跨海大橋的技術(shù)人員采用了大型平板車梁上運(yùn)梁的工藝，去拼接“積木塊”，這種方法是通過(guò)提升站將箱梁放至大型運(yùn)梁車上，再采用1350t大型運(yùn)梁車將箱梁運(yùn)至待架位置。

貴州北盤(pán)江大橋地處高原邊界深山地區(qū)，跨越河谷深切600米的北盤(pán)江“U”形大峽谷，地勢(shì)十分險(xiǎn)峻，地質(zhì)條件非常復(fù)雜。當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，風(fēng)大、霧、雨、凝凍等惡劣的自然氣候環(huán)境，這種氣候環(huán)境常常給人一種“云深不知處”的感覺(jué)，大大影響了工程吊裝技術(shù)。因此，該工程創(chuàng)新運(yùn)用了縱移懸拼技術(shù)對(duì)鋼桁梁節(jié)段進(jìn)行吊裝。這種技術(shù)是把長(zhǎng)達(dá)12米、重160噸左右的鋼桁梁節(jié)段在地面整體拼接完成后，通過(guò)吊機(jī)進(jìn)行整體吊裝。由于鋼桁梁節(jié)段均是在地面拼接完成后，再進(jìn)行整體吊裝，對(duì)比傳統(tǒng)在空中一節(jié)節(jié)拼接的工藝而言，安全系數(shù)更高，也更加方便。

6.橋梁監(jiān)測(cè)和管養(yǎng)技術(shù)創(chuàng)新

隨著橋梁工程建設(shè)的快速發(fā)展，保證橋梁長(zhǎng)期運(yùn)行和使用過(guò)程中的安全、穩(wěn)定的是擺在我國(guó)橋梁建設(shè)工作者前面的重大挑戰(zhàn)，解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于采取有效的手段監(jiān)測(cè)和評(píng)估橋梁的安全狀況[4]，對(duì)橋梁進(jìn)行及時(shí)和有效的管養(yǎng)操作。

橋梁在建成通車后的20到30年之間，往往就進(jìn)入了“高齡期”和“病發(fā)期”，對(duì)橋梁的運(yùn)行狀態(tài)不進(jìn)行及時(shí)有效的跟蹤監(jiān)測(cè)，很容易發(fā)生因橋體質(zhì)量不過(guò)關(guān)而導(dǎo)致的安全隱患。加上我國(guó)橋梁數(shù)量和使用年限日益增長(zhǎng)，以人工檢查、手工監(jiān)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)決策為主要依據(jù)的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)和管養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)不能滿足我們橋梁運(yùn)行維護(hù)的要求。在橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)上，信息化技術(shù)和設(shè)備的運(yùn)用提高了監(jiān)測(cè)的速度和準(zhǔn)確性。滬通長(zhǎng)江大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括了測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化步驟、硬件設(shè)備集成、數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析和評(píng)定、自動(dòng)預(yù)警的強(qiáng)大功能。大橋的結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)上的人工目測(cè)方法，也趨向集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、深入化。港珠澳大橋的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就結(jié)合了傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集、分析和處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效地保證了施工到橋梁正常運(yùn)行期間的結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性以及橋體的質(zhì)量。在橋梁的管養(yǎng)技術(shù)上，水流流態(tài)變化復(fù)雜的蘇通大橋采用了動(dòng)態(tài)的施工和維護(hù)管理方法，比如對(duì)施工前進(jìn)行地形的掃測(cè)，施工進(jìn)程中利用多波束側(cè)深的方式進(jìn)行拋投量策略。

7.我國(guó)橋梁發(fā)展的展望

中國(guó)在橋梁工程的技術(shù)創(chuàng)新方面已經(jīng)取得了輝煌成就，但是，在一些基礎(chǔ)理論研究和共性關(guān)鍵技術(shù)尚需突破，橋梁施工的精細(xì)化程度、工業(yè)化、信息化和智能化水平有待進(jìn)一步提高。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型正在興起，全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出智能化、信息化的新發(fā)展趨勢(shì)。新一代信息技術(shù)正在改變?nèi)祟惖纳罘绞剑⒔o傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。橋梁建設(shè)和養(yǎng)護(hù)技術(shù)是材料、設(shè)備制造、信息、節(jié)能和環(huán)保等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要載體。因此，在新科技革命和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的浪潮中，與新一代信息技術(shù)的全面融合，促進(jìn)橋梁建設(shè)和養(yǎng)護(hù)技術(shù)全面轉(zhuǎn)型升級(jí)，從而促進(jìn)“第三代橋梁工程”的發(fā)展，是廣大橋梁科研和技術(shù)人員期待的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

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