中国桥梁历史悠久, 精湛的桥梁建造技术和艺术从古代就闻名于世, 成为中华民族绚丽多姿的文化瑰宝, 是不可分割的重要组成部分。近30多年来, 随着综合国力的显著提升和交通事业的飞速发展, 中国桥梁建设者获得了充分展示聪明才智的难得机遇, 在神州大地上陆续新建了成千上万座桥梁, 跨越江河湖泊、深沟峡谷、海峡岛屿。特别是在大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥和梁桥等方面, 多座桥梁已跃居世界桥梁跨度前列, 有的已占领先地位。可以毫不夸张地说, 我国目前已堪称世界桥梁大国。

在铁路桥或公铁两用桥方面, 武汉长江大桥、南京长江大桥、九江长江大桥、芜湖长江大桥、天兴洲长江大桥、大胜关长江大桥都是具有当之无愧里程碑意义的桥梁。在公路桥方面, 西堠门大桥、苏通长江大桥、重庆朝天门长江大桥、石板坡长江大桥等都在相应的桥型方面名列前茅。据《2016年交通运输行业发展统计公报》显示, 截至2016年末, 中国公路桥梁共计80.53万座、总长4 916.97万m, 其中特大桥梁4 257座、总长753.54万m, 大桥86 178座、总长2 251.50万m。目前, 世界排名前10位的已建成大跨径悬索桥、大跨径斜拉桥、大跨径拱桥中, 中国分别占4, 5, 7座。

此外, 在建的五峰山长江大桥为公铁两用悬索桥, 主跨为1 092m, 上层为8车道高速公路, 设计速度100km/h;下层为4线高速铁路通道, 设计速度250km/h, 加劲梁为钢桁梁、混凝土塔, 建成后将成为跨度最大的公铁两用悬索桥。在建的沪通长江大桥, 是沪通铁路的控制性工程, 其主航道斜拉桥将是最大跨度的公铁两用三桁三索面斜拉桥, 其具体布置为主航道桥:142+462+1 092+462+142=2 300m, 5跨2塔连续钢桁梁斜拉桥的主桁用钢等级为:Q500q, Q420q, Q370q等;天生港航道桥的具体布置为141.5+336+141.8=619.3m, 为钢桁柔性拱桥。2座大桥都计划于2019—2020年建成。在建虎门二桥坭洲水道桥 (主跨1 688m的钢箱梁公路悬索桥) , 预计2019年5月建成通车。在建的武汉杨泗港双层公路悬索桥, 主跨达到1 700m, 预计2019年底建成通车。

在国际上, 日本明石海峡大桥仍为跨度第一的悬索桥, 俄罗斯的俄罗斯岛大桥跨度已超过苏通长江大桥, 位列斜拉桥跨度第一。世界已建成的十大悬索桥、斜拉桥、拱桥、梁桥分别如表1~4所示。

1) 高强新材料的应用 1 960MPa强度的钢丝将用于在建的公铁两用悬索桥主缆, 它将进一步减轻主缆自重, 提升跨越能力, 并且节约材料, 方便施工。

2) 大跨度悬索桥锚碇采用可更换无粘结预应力锚固系统 即在原预应力锚固体系的基础上, 在锚碇体混凝土灌注时, 预留无粘结预应力孔道, 以及后锚面作业空间, 孔道中穿入预应力钢绞线张拉并灌入液态防腐油脂。在桥梁运营中, 可根据检测结果随时单根更换钢绞线和防腐油脂, 保证悬索桥的安全和正常运营不因锚固体系腐蚀受影响。

3) 在主缆架设方案方面的突破 首先是主缆牵引先导索架设方法的创新如下: (1) 火箭抛绳法牵引先导索过江即利用发射火箭牵引的方法使先导索越过深沟峡谷到沟谷对面; (2) 直升机或无人机牵引法在地形比较平坦的桥位, 利用直升机或无人机牵拉先导索过海; (3) 飞艇架设先导索利用飞艇牵引先导索过江。其次是取消抗风缆, 直接采用制振装置保证猫道的抗风稳定。由于悬索桥的主缆在高空施工, 受风的影响较大, 要保证猫道在施工期间的抗风稳定性、足够的结构刚度和调整线性的需要, 通常在猫道的下方设置抗风缆系统, 取消猫道抗风缆, 而代之以水平和竖向制振装置, 一是有利于桥下通航, 二是简化了施工。

4) 在施工机械装备方面的改进 首先是在主梁架设缆载吊机方面的改进和突破如下: (1) 跨缆吊机采用模块化设计, 单件模块尺寸小、质量轻、便于制造、运输、安装和保管; (2) 通过更换模块 (或局部尺寸调整) 即可适用于不同跨径悬索桥钢箱梁吊装施工; (3) 中央控制系统采用计算机控制和智能化设计, 所有工作机构的工作状态全部受中央控制系统监测和控制, 自动化程度及同步控制精度高 (荷载控制精度5%, 伸长量差值控制在10mm以内) , 提高了设备的安全性和可靠性; (4) 设备质量轻, 安全起吊能力大; (5) 跨缆吊机采用一套自备的安装系统提升安装至主缆。该方法既可用于吊机安装, 也可用于吊机的拆除, 并可在跨中或塔根部进行拆除。

其次是在紧缆机方面的改进如下: (1) 采用模块化设计, 便于制造、运输和安装; (2) 可以自动控制液压千斤顶行程, 保证了主缆成型质量; (3) 紧固蹄的结构形状既有利于主缆成型, 又不会损伤主缆表面钢丝; (4) 液压系统采用高、低压组合泵, 可单独或并开、低压泵的工作压力可自动转换, 加大了千斤顶顶升速度调节范围, 更加切合和满足紧缆施工的实际作业要求, 提高了紧缆效率。

再次就是研制了先进的S形钢丝缠丝机。其主要技术特点为: (1) 缠丝密封效果好, 提高了主缆的使用寿命, 设备技术要求和科技含量高; (2) 缠丝张力可调, 最大张力达3 000k N, 满足了“先缠丝后铺装”的新工艺要求, 可大幅度缩短施工工期和主缆在空气中的裸露锈蚀时间; (3) 具有缠绕、行走联动及单动、缠绕张力、转速显示等控制功能。

5) 首次采用岩锚吊索结构, 并用碳纤维作为悬索桥岩锚预应力锚筋材料。

6) 超大型水中沉井分节浮运下沉施工技术, 最大尺寸已达58.2m×44.1m×88.0m。

1) 建立了大跨度斜拉桥施工几何控制法的方法体系 具体如下: (1) 数字化几何控制体系总成通过研究几何控制体系的总体构建和各模块功能, 使之成为适用的大跨斜拉桥几何控制体系; (2) 钢箱梁与斜拉索制造几何控制体系用数字化模式实现对制造的控制, 以及修正制造误差, 并在安装阶段予以合理考虑; (3) 钢箱梁与斜拉索安装几何控制体系研发了钢箱梁与斜拉索安装的数字化表示方法; (4) 桥梁线形与内力控制方法根据桥梁线形与内力影响的重要性对控制要素分层管理;根据现场施工控制过程中桥梁线形与内力状态, 正确评价当前状态, 以实现施工控制中结构线形及内力的最优化。

2) 基本掌握了大跨度斜拉桥施工全过程非线性数值仿真方法 具体如下: (1) 可对施工过程各阶段最优状态进行求解, 包括各阶段的理想几何位置、索长、索力、内力、位移等状态的确定; (2) 可分析施工过程对几何非线性的影响; (3) 可对施工全过程结构稳定性进行分析和控制, 包括对实际施工状态的评价和结构稳定对应的几何控制指标的确定。

3) 研发了具有自主知识产权的千米级斜拉桥钢箱梁制作、架设关键设备专利与系列施工工法等, 主要内容有: (1) 开发了标准梁段悬臂拼装技术; (2) 掌握了钢箱梁匹配技术, 形成了确定梁段间无应力匹配和重现预拼装线形的实施工艺, 根据匹配工艺要求优化匹配件的结构设计与布置; (3) 成功研发了多功能桥面吊机系统。

4) 掌握了高塔安装测量技术和施工控制技术。

5) 不断优化结构抗风技术及构造设计技术, 具体的工作如下: (1) 主梁断面高雷诺数下三分力及涡激共振风洞试验进行抗风性能和措施研究; (2) 研发出纳米技术的阻尼器; (3) 大跨度斜拉桥钢桁梁采用焊接整体节点技术; (4) 三片钢桁梁节段拼装技术。

6) 超大型群桩基础施工成套技术建成承台总体平面尺寸113.95m×48.1m, 厚5.0~13.3m。

7) 在建的某长江大桥斜拉索已采用1 960MPa的平行钢绞线, 它将进一步减轻主索自重, 提升承载力, 并且节约材料, 方便施工和维护及更换。

1) 大跨拱桥缆索吊装施工装备及控制技术

新型反置主索系统可将缆塔顶不平衡水平力控制在相对小的范围内;少支索器独立走绳系统, 不同绳索空间上各自独立, 不会缠绕, 且能大幅减少支索器数量;轻型跑车, 幅宽小、层数少、质量轻;吊索具系统采用液压可调式吊索具或滑轮式可调吊索具, 可使吊索受力均匀;扣锚索采取整体安装工艺, 即大吨位千斤顶整体张拉。

2) 拱上吊机安装拱肋技术 可为拱桥悬臂拼装提供安全、方便、快捷的方法。

3) 拱桥转体施工技术 包括平转、竖转和平竖转结合技术的不断进步, 使适宜条件下的拱桥施工变得非常安全、经济和方便。

1) 利用钢与混凝土结构混合组成的方法, 使跨中设钢箱梁的预应力混凝土连续梁的跨度达到310m, 如重庆石板坡大桥。

2) 利用空腹式的结构形式, 可以在一定程度上改善受力状况, 提升连续刚构桥的跨度, 具有一定地创新性, 如北盘江大桥。

1) BIM技术的研发与应用实现了可视化、协调性和可模拟性, 使项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行;避免出现各种专业之间的碰撞;既能模拟设计出建筑物模型, 还可以模拟不能够在真实世界中进行操作的事物。设计阶段进行方案和构造可模拟试验, 招投标和施工阶段进行4D模拟 (三维模型+项目的发展时间) , 确定合理的施工方案来指导施工。同时还可以进行5D模拟 (4D+造价控制) , 后期运营阶段进行日常紧急情况处理方式的模拟。目前BIM技术已经开始在设计或施工的单个阶段进行初步的应用, 取得了一定的成效。

2) 桥梁施工单元大型化、标准化、装配化

(1) 12 000t全回转自航浮吊, 20 000t级半潜驳等大型设备的出现可以满足桥梁结构长节段或大构件的吊装, 减少现场作业, 保证安全和质量; (2) 形成了成体系的各类施工方案、工法和规程, 通过标准化施工, 提高效率并可保证质量; (3) 海上混凝土墩身、大型钢桁梁、钢箱梁等结构部位的装配式施工技术已经有一定的应用。

3) 钢桥制造新装备和新工艺水平得到很大提升, 机器人焊接技术、预制装配技术在多座大桥上得到验证, 在国际市场上赢得了一席之地。

高强、高性能钢材方面, 国际上发达国家多采用Q420及以上的高强、高性能钢材。除了高的屈服强度外, 作为桥梁用钢可焊性要好, 主要是通过控制钢材的化学成分和适当的热处理方法实现。同时采用配套适宜的焊接工艺来保证成桥的结构性能, 包括适合工程要求的强度和可焊性, 良好的延展性和脆裂韧性。日本早已在主跨1 991m的明石海峡大桥上使用了800MPa级钢材, 欧洲的钢材已经达到960MPa级, 美国的桥梁用耐候钢已达690MPa级, 其桥梁混凝土主要采用C60~C80。由于我国材料工业相对落后, 大部分钢桥仍以S345为主, 仅已建成的南京大胜关长江大桥等少数钢桥采用S420, 在建的沪通长江大桥部分钢材将采用Q500q;混凝土强度等级也大都在C50以下, 仅少数采用C60。材料性能低必然导致增大截面尺寸, 造成“肥梁胖柱”和“傻大黑粗”现象。好在我国桥梁界已开始在此方面做出一定努力, 在高强钢绞线、高强钢丝等方面已大量采用1 860MPa材料, 在建斜拉桥、斜拉索和悬索桥主缆正在研究采用1 960~2 000MPa材料, 大有后来居上之势。

国际一些国家已相继开展150~200年使用寿命桥梁工程的基础研究工作, 并就全寿命设计理论方法、基于性能的设计理论方法和多灾害作用下防灾、减灾理论方法的系统深化研究与应用方面取得一定进展, 我国目前桥梁的设计基准期基本还在100年左右, 个别为120年, 并没有系统开展超长寿命桥梁结构的研究, 在全寿命设计理论和设计方法等方面虽有一些研究探讨和应用, 但还没有大面积推开。

国际上许多国家的桥梁设计者在设计方案方面往往花费较大的力气, 在满足使用功能的基础上, 就方案的创新性、结构的合理性、技术的先进性, 经济的可取性等方面反复斟酌和比选优化, 力求完美, 不留缺憾。许多工程虽算不上创纪录, 但却基本无懈可击, 值得同行敬佩和学习。而我国在前一段时期的大规模建设期, 一些工程由于众所周知的原因, 仓促立项, 急于开工, 导致方案阶段缺乏必要的反复比较优化, 出现一些不尽合理的方案、桥型。除了经济技术方面的不合理外, 往往也与环境和当地人文不甚协调, 造成美学上的遗憾。

还有一些工程由于工期的原因, 设计单位往往在接到设计任务时, 交图日期就已非常紧迫, 加之效益驱动, 设计任务多, 经验丰富和素质较强的设计人员有限, 使设计者没有足够的时间进行设计创新思考和结构优化, 最便捷的做法就是模拟、类比采用现有建桥条件相似的方案和结构, 加以验算, 略加改动就付之施工, 缺少创意。

此外, 为了创造纪录或政绩, 一味地不顾实际追求大跨度、新纪录和首次之类, 以及刻意标新立异的不良风气更是应当杜绝。

在大跨度悬索桥、斜拉桥上部结构施工技术方面我国已跃居世界先进甚至领先地位, 包括悬索桥主缆架设和各类加劲梁架设技术和装备;斜拉索和主梁架设技术和装备, 形成了比较完整的技术体系。但在一般桥梁施工技术方面工业化程度还较低。发达国家大部分已实现混凝土结构全预制装配的工业化建造。一些国家已在进行系列化、标准化桥梁快速建设技术研究和推广应用。虽然我国近年来长线或短线匹配预制、现场装配技术逐步在特大跨预应力混凝土桥梁上应用, 整孔预制架设等工业化技术在中小桥上也有所应用, 但预应力混凝土桥梁现浇作业仍然大量存在, 工厂预制、现场装配的施工技术尚未全面推广, 而要建立全行业的工业化建造标准体系路更长, 环境污染和能源浪费仍较普遍, 质量可靠性仍较低, 工业化程度亟待提升。

尽管我国在打桩船、液压打桩锤、大直径钻机等大型装备方面均已实现了自主研发, 但大部分施工装备的效率、功力、可靠性、故障率等与国外先进国家的机械装备还有一定差距, 部分机械装备存在寿命期较短、需频繁修理和更换易损配件等问题, 一些控制系统、液压系统、行走系统等关键核心部件须依赖进口。自动化、智能化施工技术研究和应用还处在起步阶段, 目前仅在正交异形板钢箱梁机器人焊接、预应力智能张拉和压浆等方面有一些进展。

我国桥梁信息化技术水平相对较低、国产核心软件相对匮乏、支撑软件系统性差, 数据采集设备、方法和手段较落后, 缺乏适用于桥梁工程的海量数据存储、分析、挖掘等技术。BIM技术的研究应用刚刚起步, 尚未搭建起完整的桥梁BIM标准体系, 主要以试点工程的局部应用为主, 且侧重于方案设计、施工模拟等个别阶段的单独应用, 尚未全面系统地应用于覆盖桥梁规划设计、建造和运营管理的全寿命周期, 未充分实现BIM技术所具有的信息共享、减少能耗、降低成本、缩短工期和实现建养一体化的价值。

1) 监测、检测技术方面 无线传感测试技术、数据采集及通讯技术等还存在差距, 仪器精度及稳定性还有待提高, 预埋光栅、光纤等元器件寿命还较短, 高精度监测设备和隐蔽工程检测设备、非接触性检测设备等大多依赖进口, 缺乏针对中小桥的快速检测技术与设备和针对大跨度缆索桥梁关键构件的无损检测技术与设备、结构内部缺陷快速检测与诊断技术。

2) 理论方法和评估技术方面 缺乏实用的基于桥梁结构状态和退化模型的长期性能预测、养护规划与决策等方面的理论与方法, 桥梁长期性能、承载力评估及耐久性评估诊断技术等尚需进一步研究突破。

3) 建管养一体化技术开发和平台建设方面

预防性养护技术研究缺乏系统性, 基础数据积累和挖掘利用不够;关键管养设备主要依赖进口, 自主创新能力还有待提高。

现有水深最大的桥梁基础是>65m的希腊Rion-Antirion桥, 相比之下我国超深水设置基础和组合基础的研究与开发较为滞后, 目前很少有突破50m水深的桥梁基础。

我国总体上已建立了比较完整的标准规范体系, 一些特殊桥梁的建设也针对现有规范的未覆盖部分进行了研究和补充, 弥补了不足, 总体上进步较快。但不可讳言的是, 在基础和应用基础方面的研究和积累尚有许多不足, 在结构疲劳等方面还是借鉴引用国外先进国家的研究成果较多, 自主试验研究和实测数据积累较少。此外, 由于地区各自为政居多, 散布的许多有价值研究成果或数据难以发挥总体效应, 标准在国外也大多只限于非洲等欠发达国家。

1) 高强和高性能钢材料 我国应该在高强、高性能材料方面赶超世界先进水平, 通过研发应用高强和高性能钢减小自重和降低造价, 并可降低寿命周期内低温脆断和疲劳破坏的可能性, 同时, 为了提高桥梁在大气环境下的耐久性, 在钢材中加入一定量的铜、铬、镍, 使之稳定钢材表面的氧化层, 避免钢材内部腐蚀;对海洋环境下的钢材, 则同时采用专用防腐涂料。研究采用高性能混凝土, 通过减小结构尺寸降低自重。所有这些措施将会对大跨度桥梁的发展起到促进作用。

2) 纤维增强复合材料的研究和应用 纤维增强复合材料 (fiber reinforced polymer, 简称FRP) 的比强度 (拉伸强度/密度) 约为钢材的20~50倍, 其中碳纤维 (carbon fiber) 的比模量 (拉伸模量/密度) 约为钢材的5~10倍, 视为目前最佳的工程材料, 但碳纤维的延伸率很小 (0.3%~1.5%) , 根据工程性能要求, 和其他纤维混合应用, 可望取得更佳的综合性能。目前碳纤维已在桥梁维修加固方面得到成功应用, 并在小跨度桥梁和港工结构上试用, 未来在大跨度桥梁主要结构可能会有良好的应用前景, 既高强又轻质、既经济又耐久。

3) 超高强高性能纤维混凝土材料 其研究与应用方兴未艾, 正在迅速发展之中, 如RPC、UHPC等。

1) 许多国家和地区都在开展主跨1 200~1 600m的双塔斜拉桥、主跨>700m的多塔斜拉桥、主跨2 700~3 300m的悬索桥、主跨700~1 000m的拱桥以及主跨1 400m协作体系桥等大跨度桥梁的技术研究与探索应用。我国也应积极筹划、开展相关工作, 为未来海峡桥梁的建设做好技术储备。

2) 进一步加强对全寿命设计理论方法、基于性能的设计理论方法和多灾害作用下防灾减灾理论方法的系统深化研究与应用, 尽可能多用钢桥, 以利环保和可持续发展。

3) 由于智能化的预制加工技术、大型运输、起吊和安装设备、GPS和遥控技术的快速发展, 社会发展对于节约资源和保护环境的要求, 将会使桥梁建造尽可能朝着预制拼装的方向发展, 未来重达5000t左右或者更重的桥体将可实现一次吊装。

4) BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具, 通过参数模型整合各种项目的相关信息, 在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递, 使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对, 为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础, 在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。BIM技术带来的将是一场工程界的重大变革。我国未来一段时间要做的是从桥梁的规划、设计、施工、运行以至拆除的全寿命过程全面系统地研究应用BIM技术, 充分实现BIM技术所具有的信息共享、减少能耗、消除错漏、降低成本、缩短工期和实现建养一体化的价值。

5) 未来海峡大跨度桥梁的建设, 将催生对水深60~100m深水基础研发的迫切需求, 随着水上大型机械装备的不断出现, 复杂海况环境下更大水深的桥梁基础建设将成为可能。

6) 智能化监测设备和技术的研发与应用 随着传感器、高性能检测仪及智能机器人的技术创新和升级, 将使桥梁的施工、运营管理、维修养护等实现自动化、智能化、即时化, 并使工程的集中监控和远程管理成为可能。目前的主要问题是测试仪器和传感器等监测器件的耐久性远不能满足要求, 不能保证结构寿命期的全过程特别是后期的监测需要, 我国应当加强攻关突破相关技术, 并逐步实现国产化。

7) 在学习借鉴先进国家标准规范的基础上, 我国应当加强基础和应用基础研究, 充分发挥已有各地科研和实桥观测资料的作用, 利用国家和行业的优势, 进一步提升桥梁标准规范的总体水准, 为我国桥梁标准真正走向全世界奠定基础。