2019年度進展7：鋼橋的若干新進展（1/2）

唐繼舜 2020-03-26

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前言

本文掛一漏萬地回顧總結(jié)2019年等近期我國大跨鋼橋的建設(shè)成就和技術(shù)進步、高性能橋梁用鋼的研發(fā)和應(yīng)用、橋梁新的組合形式與體系、3D打印鋼橋雛形、正交異性鋼橋面的進展、橋梁用高強鉚釘、跨海鋼橋多災(zāi)害動力分析研究和第二代歐洲規(guī)范鋼橋相關(guān)部分的進展等問題，歡迎同行指正。

1 我國大型鋼橋的建設(shè)成就和技術(shù)進步

1.1 大跨懸索橋

2019年4月建成通車的廣東省南沙大橋(虎門二橋)坭洲水道橋(圖1)，以主跨1688 m超越了浙江省舟山西堠門大橋(主跨1650m)，躋身世界懸索橋的第二跨度；2019年10月建成通車的湖北省武漢楊泗港長江大橋(圖2)，以主跨1700m成為懸索橋新的第二跨度。南沙大橋坭洲水道橋和楊泗港長江大橋的主纜均采用抗拉強度1960 MPa的高強鋼絲制作；前者為8車道公路正交異性橋面鋼箱梁懸索橋，鋼箱梁全寬49.7m，高4.0m，后者為10車道與雙自行車道的雙層正交異性橋面(采用新型厚邊U肋橋面)鋼桁梁懸索橋，桁梁寬32.5m，高10.0m，采用了低屈強比的橋梁鋼材。

圖1 南沙大橋坭洲水道橋及其鋼箱梁

圖2 楊泗港長江大橋及其鋼桁梁

1.2 大跨斜拉橋

江蘇省滬通長江大橋(圖3)為連接張家港與南通的主跨1092 m公鐵兩用雙層橋面斜拉橋；上層為雙向6車道公路，下層為4線鐵路；鋼桁梁部分采用Q500qE級高強橋梁結(jié)構(gòu)鋼；斜拉索采用抗拉強度2000 MPa的高強平行鋼絲束；橋塔高330m。橋梁主體已經(jīng)建成，即將通車，成為世界第二跨度斜拉橋和第一跨度公鐵兩用斜拉橋。

圖3 滬通長江大橋

1.3 大跨拱橋

我國在2009年建成世界第一跨度拱橋重慶朝天門長江大橋(主跨552m)、 2003年建成上海盧浦大橋(主跨 550m)、2013年建成四川合江波司登大橋(鋼管混凝土桁架拱橋，主跨530m)后，2019年又建成湖北秭歸長江大橋，為主跨519m(主孔兩過渡墩之間長度531.2m)的4車道公路鋼桁架拱橋，成為世界拱橋的第4跨度，使我國囊括世界拱橋跨度的前4位。

圖4 湖北秭歸長江大橋

在鐵路拱橋方面，我國在2013年建成450m的南廣鐵路廣東省肇慶西江大橋、2016年建成445m的滬昆高鐵貴州省晴隆北盤江大橋后，主跨490m的云南大理至瑞麗鐵路怒江大橋(圖5)主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)建成，即將通車。該橋為提籃式上承鋼桁拱橋，拱上采用14×32.7m連續(xù)鋼箱梁鋪設(shè)道砟橋面，橋面寬24.9 m，4線鐵路，用鋼量4.6萬t，是世界第一跨度鐵路拱橋，也使我國囊括世界鐵路拱橋跨度的前3位。

圖5 大瑞鐵路怒江大橋

1.4 高橋

2016年，云南與貴州交界建成跨度720m的世界第一高橋，杭瑞高速公路都格北盤江大橋(斜拉橋，圖6)，橋面離谷底565m；同年，湖北建成跨度900m的世界第二高橋，滬渝高速公路四渡河大橋(懸索橋，圖7)，橋面離谷底560m。2019年底建成通車的貴州省余慶至安龍高速公路平塘大橋(如圖8)為兩主跨均為550m的組合梁高橋塔斜拉橋，橋梁全寬30.2m，雙向四車道，橋塔高度332m，為世界第二高塔斜拉橋。

圖6 杭瑞高速公路都格北盤江大橋

圖7 滬渝高速公路四渡河大橋

圖8 余安高速公路平塘大橋

1.5 優(yōu)美而復(fù)雜的新首鋼大橋

以優(yōu)美而復(fù)雜為突出特點的北京新首鋼大橋(圖9，永定河大橋)位于北京長安街西延線上，橫跨永定河。橋梁為兩塔五跨鋼箱梁斜拉橋，主跨280 m，橋?qū)?4.9 m，雙向8車道；鋼橋塔為空間復(fù)雜曲面傾斜拱形高低塔，高低塔在橋面以上高度分別為112.2m和65.9m；高塔南北塔柱角度分別為71.1°與61.3°，低塔南北塔柱角度分別為74.6°與58.4°，高低塔的塔柱在塔底中心的縱向間距均為25.1m；塔柱扭曲度由塔底至塔頂遞增，斷面尺寸遞減[97]。橋梁總用鋼量達到難以想象的4.5萬t。

圖9 北京新首鋼大橋及其橋塔曲面制造單元

2 高性能橋梁用鋼的研發(fā)和應(yīng)用

2.1 高強鋼與高強鋼絲的研發(fā)與應(yīng)用

高強鋼具有減少用鋼量、減少焊接工作量、節(jié)省運費、減輕結(jié)構(gòu)自重等優(yōu)勢，能夠帶來可觀的社會經(jīng)濟效益[1]。隨著冶金技術(shù)的發(fā)展，鋼材性能不斷提高：歐洲Eurocode 3規(guī)范規(guī)定為500~700 MPa[2]；澳大利亞AS 4100規(guī)范規(guī)定為450 MPa[3]。高強度鋼應(yīng)用在橋梁中會導(dǎo)致鋼板厚度降低，其穩(wěn)定性問題將更為顯著。對此，施剛等[5]針對高強度鋼的穩(wěn)定問題進行了綜述和研究。李國強等[1]針對高強度結(jié)構(gòu)鋼抗震應(yīng)用問題的研究表明，隨鋼材強度提高，其伸長率下降、屈強比提高且延性變差，這將阻礙高強度結(jié)構(gòu)鋼在抗震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。此外，Wang等[6]對Q460鋼在高溫下的強度和彈性模量進行了研究，結(jié)果表明，Q460鋼的力學(xué)性能隨溫度升高而降低，其高溫下的強度折減率系數(shù)低于普通結(jié)構(gòu)鋼。綜上所述，高強度鋼的應(yīng)用可以為橋梁結(jié)構(gòu)進一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)，但是，其應(yīng)用帶來的穩(wěn)定問題、抗震問題和耐火問題需進一步研究。

除高強鋼板外，高強鋼絲也能提高結(jié)構(gòu)效率，進一步增加橋梁跨越能力。國內(nèi)外在高強鋼絲的研制上投入了大量精力，已發(fā)展了元素調(diào)控和冶煉工藝等高強鋼絲制造手段[7]-[9]。如前所述，主跨1688m的南沙大橋坭洲水道橋，采用比常規(guī)懸索橋主纜強度更高的1960 MPa級熱鍍鋅鋁合金鍍層鋼絲，鋼絲用量減少量達11%，成本大幅降低[10]；楊泗港長江大橋同樣采用了1960 MPa高強鋼絲，也節(jié)約工程造價[11]。此外，滬通長江大橋在我國首次采用直徑7.0 mm的2000 MPa鍍鋅高強鋼絲束，拉索用量有所減少，同時也成為大跨橋梁應(yīng)用最高強度鋼絲纜索的新起點。

2.2 耐候鋼的研發(fā)與應(yīng)用

據(jù)統(tǒng)計，全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失約達7000億美元，其中我國因金屬腐蝕造成的損失占國民生產(chǎn)總值的4%[12]。鋼橋在運營期內(nèi)持續(xù)受到腐蝕作用，而耐候鋼的出現(xiàn)在一定程度上解決了此問題。研究表明，耐候鋼也會發(fā)生銹蝕，但其所含合金元素會增加銹蝕層中α-FeOOH含量，導(dǎo)致銹蝕層穩(wěn)定，從而減慢腐蝕速率[13][14]。與普通鋼橋相比，免涂裝耐候鋼橋梁不僅能節(jié)約建造成本、建造時間和維護成本，還能帶來巨大的環(huán)境效益，在發(fā)達國家使用已經(jīng)超過半個世紀[15]-[18]。實踐表明，免涂裝耐候鋼橋梁在使用過程中存在均勻腐蝕問題，其受腐蝕程度不僅與環(huán)境相關(guān)還與橋梁部位有關(guān)[19][20]；各發(fā)達國家已對免涂裝耐候鋼橋梁腐蝕問題進行了相應(yīng)考慮和規(guī)定[21]-[25]。此外，局部凹坑也有較大的腐蝕作用[26]，將導(dǎo)致耐候鋼疲勞性能下降[27]。因此，研究耐候鋼在坑蝕作用下的疲勞性能有助于評估免涂裝耐候鋼橋梁的腐蝕-疲勞壽命[28]。

衛(wèi)星教授團隊針對斜焊縫十字接頭展開了疲勞性能試驗，通過人工制造初始缺陷方法模擬蝕坑，研究結(jié)果表明，當(dāng)初始缺陷深度小于1 mm時，可以忽略其對疲勞強度影響[30][31]；人工蝕坑對有效應(yīng)力強度因子幅和裂紋擴展方向無影響。鄭凱鋒團隊于2017年起就耐候鋼的腐蝕性能、疲勞性能和設(shè)計方法展開研究[13][18][28]，研究表明，耐候鋼和高性能鋼能夠滿足我國橋梁建設(shè)要求，腐蝕作用對其疲勞性能有較大影響。隨后通過進一步分析和試驗研究發(fā)現(xiàn)，免涂裝耐候鋼橋梁設(shè)計中，均勻腐蝕主要對強度和穩(wěn)定造成一定影響，坑蝕主要影響疲勞性能；經(jīng)過腐蝕的耐候鋼和高性能鋼的疲勞強度有較大幅度的降低。

新的耐候鋼橋梁設(shè)計將尋求突破傳統(tǒng)耐候鋼橋梁設(shè)計的限制[29]，因此，在推進免涂裝耐候鋼橋梁應(yīng)用過程中，需要通過理論研究和試驗解決以下問題：(1) 均勻腐蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定演化規(guī)律；(2) 腐蝕導(dǎo)致的構(gòu)件疲勞強度等級的折減。

近年來，我國已經(jīng)有多座橋梁采用免涂裝耐候鋼；可以預(yù)測，我國將建設(shè)更多的免涂裝耐候鋼橋梁。

2.3 高性能鋼材冶煉制備的進展

傳統(tǒng)認識中，含碳量增加可以提高鋼材的強度，但會使鋼材塑性和韌性降低，同時還會影響鋼材的焊接性能。近年來，高性能鋼制備工業(yè)逐步出現(xiàn)各類在不增加含碳量的基礎(chǔ)上加入其它元素來提高鋼材強度的方法，即微合金化。劉春泉等[32]綜述了Al、Mn和C元素對高強鋼性能的影響，表明添加Al、Mn和C元素將使得鋼材的冶煉、加工、顯微組織演變和變形機制等與常規(guī)鋼種大不相同，有助于推動低密度高強鋼的發(fā)展。此外，通過各種處理工藝也能夠改變鋼材的性能[33]-[35]。呂昭平等[36]通過晶格錯配和高密度納米析出的概念設(shè)計，在實驗室條件下制備出屈服強度2200MPa的超高強度馬氏體時效鋼，同時保持了良好的塑性(約8.2%)。因此，通過研究和應(yīng)用合金元素、各種處理工藝和晶格錯配設(shè)計等技術(shù)，能夠進一步突破鋼材的性能限制，并有望在鋼橋中加以應(yīng)用，從而進一步提高橋梁承載和跨越能力。

此外，我國已經(jīng)研制Q690qE、Q690qENH和濱海耐候橋梁鋼材Q370qENHY等。平潭海峽大橋鐵路橫梁上翼緣采用軋制復(fù)合工藝的36mm的Q370qD和3mm的316L不銹鋼復(fù)合板，解決其防腐問題。

3 橋梁新的組合形式與體系

3.1 鋼桁梁與混凝土剛構(gòu)組合體系橋梁

為提高混凝土剛構(gòu)橋的剛度、解決剛構(gòu)橋后期下?lián)系葐栴}，2019年主體建成的銀西高鐵漠谷河2號大橋主橋為(97 2×180 97)m孔跨，其中兩孔180m孔跨采用鋼桁梁加強混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的形式(如圖10)，形成鋼桁梁與混凝土連續(xù)剛構(gòu)組合體系橋梁。這種橋梁設(shè)計理念與鋼拱和混凝土連續(xù)剛構(gòu)的組合橋梁類似，后者如2019年建成的漢十高鐵崔家營漢江大橋(圖11)，跨度組合為(135 2×300 135)m。鋼桁梁與混凝土連續(xù)剛構(gòu)組合體系橋梁，鋼桁梁高度相對較低，在增加梁體豎向剛度的同時，也適度提高了梁體的橫向剛度，施工建造與后期維修養(yǎng)護更加簡便易行。

圖10 銀西高鐵漠谷河2號大橋主橋

圖11 漢十高鐵崔家營漢江特大橋

3.2 兩主跨斜拉橋拉索交叉布置形式

2017年建成通車的英國昆斯費里大橋(Queensferry Crossing，又稱福斯三橋)毗鄰福斯鐵路橋和福斯公路懸索橋，主橋為兩主跨均為650 m，世界最大跨度三塔斜拉橋，采用組合梁，6車道橋面，單索面斜拉索在兩主跨跨中一定長度范圍內(nèi)采用交叉布置(如圖12)，既能有效地解決了多塔斜拉橋因中間橋塔縱向剛度不足導(dǎo)致非對稱荷載作用下主梁豎向變形較大的問題，又能解決了一般斜拉橋跨中無索區(qū)梁段出現(xiàn)的較大軸拉力(甚至導(dǎo)致橫向開裂)等問題。這一革新性的拉索布置形式可望成為斜拉橋設(shè)計與研究的熱點問題。

圖12 英國昆斯費里大橋與拉索交叉布置

3.3 鋼與FRP組合橋梁

Khalili等[37] 較早提出了在混凝土中添加復(fù)合加強塑料，提高混凝土抗拉強度，試驗表明效果顯著。Spoelstra等[38]提出了一種用于FRP混凝土的非軸向強度模型，并通過試驗進行了驗證。Chen等[39]研究了復(fù)合材料對于混凝土梁抗剪性能的提高作用，并提出了相應(yīng)模型。此外，研究表明，在增加配筋率的條件下，碳纖維增強復(fù)合材料板-混凝土組合梁的極限承載力將得到提高，且梁體變形減小[40]。朱坤寧等[41]對FRP-鋼組合梁橋的連接界面受力特性進行研究，采用彈性理論建立了FRP-鋼組合梁變形的微分方程，并計入了溫度和荷載的影響，有助于連接界面抗剪連接件的合理設(shè)計。黃輝[42]研究了鋼-FRP-混凝土組合梁橋的力學(xué)性能和設(shè)計方法，研究指出了彎曲荷載作用下鋼-FRP-混凝土組合梁的破壞形態(tài)，并提出了組合梁抗彎承載力的計算方法。基于FRP材料的優(yōu)點，Schnerch等[43]提出了采用FRP材料對鋼橋加固的指南。綜上，纖維增強復(fù)合材料在鋼橋中的應(yīng)用具有優(yōu)勢：極高的強度質(zhì)量比[44]，能夠進一步實現(xiàn)主梁輕量化，同時也為橋梁的加固提供了新方法[45][46]。此外，F(xiàn)RP材料在解決松弛問題與耐老化問題之后，也可能用于橋梁斜拉索和主纜[47][48]。

4 3D打印鋼橋雛形

荷蘭科技公司MX3D在2015年正式啟動一項基于3D打印的不銹鋼橋建設(shè)項目[49]，通過3D打印技術(shù)和工業(yè)機器人制造一座跨度為18 m的不銹鋼人行橋(如圖13)，并計劃安裝在阿姆斯特老城的Oudezijds Achterburgwal運河上。該項目由多家科技公司和業(yè)界單位協(xié)同開展，其中Joris Laarman實驗室負責(zé)橋梁設(shè)計，Arcelor Mittal公司提供金屬材料相關(guān)服務(wù)，Autodesk公司協(xié)助橋梁數(shù)字工作，Heijmans提供安裝服務(wù)，聯(lián)想公司提供計算資源支持，ABB公司提供機器人，Air Liquide & Oerlikon負責(zé)焊接相關(guān)工作，代爾夫特理工大學(xué)負責(zé)相關(guān)研究工作。該橋目前已由帝國理工大學(xué)完成20t靜力荷載的最終荷載測試，下一步將進行傳感器安裝以測試材料性能和結(jié)構(gòu)使用數(shù)據(jù)。

2018年該項目獲得了 “荷蘭設(shè)計獎”(設(shè)計研究類)；評審意見提到：“經(jīng)過多年的耐心等待，MX3D打印的橋梁不僅消除了對數(shù)字制造的緊張期待，而且在阿姆斯特丹風(fēng)景如畫的城市中心將改變理想建筑！3D打印研究的飛躍為建筑和金屬行業(yè)其它大型和公共應(yīng)用開啟了一扇大門。評審組對看到它將如何被模仿和被引導(dǎo)到何處充滿好奇心。Laarman實驗室設(shè)定了很高的標準，選用了非凡的鋼材：一種典型而保守的建筑材料，以其極高靜力性能而聞名；設(shè)計所獲得的形式和外形隱含著幾乎無法想象的意境?！?/p>

圖13 MX3D打印鋼橋

注：參與本文寫作的還有衡俊霖、張宇、馮霄暘、雷鳴、王亞偉和熊籽躒。

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[48]楊亞強. 輕量化FRP拉索超大跨橋梁研究[D]. 東南大學(xué), 2015.

[49]MX3D. MX3D Bridge Project [EB/OL] [2020-3-7]. https:///projects/mx3d-bridge/

研究方向團隊成員介紹

鄭凱鋒教授，博士，博導(dǎo)

主要研究方向有復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼橋、大跨橋梁、橋梁精細計算與仿真分析計算等；入選“全國百千萬人才工程”、特殊津貼專家；發(fā)表論文120余篇，入選“F5000中國精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文”，獲省部科技進步一等獎、中國鐵道學(xué)會優(yōu)秀論文一等獎、中國公路橋梁學(xué)會優(yōu)秀論文獎等，參編《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》等，擔(dān)任50多座大型、復(fù)雜橋梁工程的技術(shù)顧問和咨詢專家，英國南安普敦大學(xué)客座教授，考察60多個國家著名橋梁和復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁。

唐繼舜教授，博士，碩導(dǎo)

主要從事鋼橋、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁和既有橋梁的評估方法與加固理論等教學(xué)科研工作，主編有鐵路特色專業(yè)教材《鐵路橋梁》，參編《鐵路工務(wù)》、《橋梁工程概論》、《大跨度橋梁與城市橋梁》、《大跨度懸索橋的設(shè)計與施工》、鐵道全書《工務(wù)與工程》卷、《東橋》、《汶川大地震工程震害分析》等。

李俊副教授，博士，碩導(dǎo)

主要從事鋼橋教學(xué)科研工作，曾在美國University of Arizona作訪問學(xué)者，發(fā)表論文40余篇，完成重慶菜園壩長江大橋、重慶朝天門長江大橋、湛江海灣大橋、渝利線韓家沱長江大橋、宜萬線萬州長江大橋、內(nèi)六線宜賓岷江大橋、襄渝線嘉陵江大橋、成渝線龍馬河大橋等鋼橋疲勞、穩(wěn)定、振動、檢測、加固等科研項目。

葉華文副教授，博士，碩導(dǎo)

西南交通大學(xué)和德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士。注冊結(jié)構(gòu)師、注冊橋梁檢測師、四川省科技廳項目評審專家、成都鐵路局顧問專家。主要研究方向：大跨鋼橋疲勞及橋梁加固、高性能纖維材料工程應(yīng)用等方面。主持國家自然科學(xué)基金青年基金等項目，主研多項國家重點研發(fā)計劃、四川省重大研發(fā)項目、“863計劃”項目、鐵道部重大課題等20余項縱向項目，主持及參與港珠澳大橋、重慶菜園壩長江大橋、朝天門長江大橋、兩江大橋、東沙大橋、湛江海灣大橋、?？谌缫鈲u跨海大橋等30余項橫向項目；發(fā)表文章50余篇。Journal of Bridge Engineering (ASCE)、Engineering Structures、Composite Structures、中國公路學(xué)報、西南交通大學(xué)學(xué)報、長安大學(xué)學(xué)報、中外公路、長沙理工大學(xué)學(xué)報等期刊的審稿人。

栗懷廣講師，博士，碩導(dǎo)

主要從事鋼橋、新型橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論、可持續(xù)性橋梁工程綜合技術(shù)等的教學(xué)科研工作，曾在美國University of Connecticut作訪問學(xué)者。主持國家自然科學(xué)基金青年基金等項目，主研多項國家重點研發(fā)計劃、四川省重大研發(fā)項目、鐵道部重大課題等縱向項目與橫向項目。