21世纪大跨径桥梁工程的挑战

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

21世纪大跨径桥梁工程的挑战

廖文科

(重庆交通大学土木工程学院重庆400074)

社会经济的发展，在一定程度上推动了我国大跨径桥梁工程的发展。随着大跨径桥梁工程的建设在20世纪末进入了高潮，21世纪的大跨径桥梁工程必将掀起新的浪潮。目前的桥梁工程技术已经能够较好的解决现在存在的大多数桥梁工程问题，但随着桥梁往更大跨径发展，为保证其可靠性、耐久性等，21世纪大跨径桥梁工程仍有许多值得研究的问题。

大跨径桥梁工程；挑战；技术

一、高性能材料的应用和研发

反观历史上每一次的工程突破，其中影响最深远的莫过于新材料的问世与应用。1867年钢筋混凝土的问世在建材、工程领域掀起了一场革命，其影响直到今天仍是巨大的。建筑材料的性能的提高是桥梁工程不断进步的重要动力。现代桥梁仍以钢材和混凝土为主要建筑材料。过去60年中，钢材强度从S343发展到了S1100，混凝土强度也提高到了C150。各种轻质高强复合材料和智能材料在桥梁工程中得到了应用。高性能材料显示出来的巨大优势使世界各国竞相开展这方面的研究。

高性能钢材可以通过优化现代炼钢技术，提高钢材的各种性能，如焊接、耐腐蚀、抗疲劳等性能。高性能混凝土可以通过在混凝土中掺入各种外加剂、纤维材料、纳米材料等制成，具有高抗渗性、高体积稳定性、高抗压强度和良好的施工性能。高性能复合材料，如FRP复合材料主要是将FRP纤维掺入混凝土形成的FRP纤维混凝土，在混凝土结构加固中得到了广泛的应用。这些高性能材料必将在未来大跨径桥梁中发挥巨大的作用。

二、深水基础技术的研究

随着各国跨海大桥建设的筹备与开展，必将面临着深水基础者一难题，目前国际上最深的大桥基础是明石海峡大桥的水深70m的巨型沉井基础。我国桥梁目前也尚只拥有修建30m左右水深的基础的经验。而纵观世界各国的海峡，水深都达100米甚至更深，所以必须未雨绸缪，对深水桥梁基础的方案选型，设计理论，施工工艺进行深入的研究。深水基础技术的进步必将带动大跨径桥梁有更长远的发展。

三、桥梁结构的耐久性研究

许多古老桥梁能够屹立几千年，而现代大多数桥梁建成后，桥梁的耐久性问却越来越突出。国内外统计资料表明，由于桥梁耐久性而导致的经济损失是巨大的。我国现有规范规定，桥梁结构的设计使用年限为100年，但事实上许多桥梁结构在规定期限内就已经达到了其耐久性极限而拆除重建。影响桥梁耐久的因素众多，如混凝土开裂、钢筋锈蚀，混凝土徐变、预应力钢筋松弛导致的预应力损失等。其中，混凝土斜拉桥的开裂，混凝土梁式桥的下挠和正交异性钢桥面的疲劳裂缝等是桥梁耐久性研究中最需要解决的问题。对于未来的大跨径桥梁工程，不仅要保证100年的设计使用寿命，而且应朝着更长久的使用年限发展。桥梁的耐久性问题如果能够解决，将会为桥梁工程建设减少巨大的损失。

四、计算方法与软件的研究

计算机技术与有限元分析理论的快速发展为桥梁结构计算方法和相应软件的开发奠定了坚实基础，国际上已经出现了许多大型商用软件,IT技术和计算机处理能力的进一步提高以及相应结构分析软件的不断进步将使得桥梁的设计更加精细化，为实现仿真数值模拟和“虚拟现实”创造了条件，建立起一种基于全桥结构空间非线性应力水平的设计和计算方法，并充分考虑配筋和预应力配束以及斜拉桥等的实际空间分布，同时计及不同部位混凝土的空间强度分布，以精确的控制实际的应力状况和材料强度状况，保证结构在施工和运营中的安全。目前桥梁工程建设应逐步走向智能化，加强适合于桥梁工程智能软件如BIM的开发将会对大跨径桥梁的建设产生重大意义。

五、斜拉桥跨度的研究

斜拉桥的极限跨度一般可以达到1500m左右，主要是桥面受到斜拉索水平分力产生的轴向力、拉锁的非线性效应以及长悬臂施工中的变形和振动等问题随着跨度的增大越来越明显，从而限制了斜拉桥的跨越能力。目前超过一千米的桥大多选用悬索桥，然后由于多跨悬索桥中塔鞍座的抗滑问题尚未得到根本的解决，因此目前多跨悬索桥适用范围受到限制，而应优先考虑经济合理和施工方便的多跨斜拉桥。目前多主跨斜拉桥的关键技术问题在于如何保证结构体系具有足够的刚度，特别是主梁的刚度。在未来的大跨径跨海大桥中，多塔斜拉桥必将展示出其独特的优越性，成为跨海大桥的主要桥型。

六、钢与混凝土组合结构桥梁的研究

在传统的钢梁和混凝土结合梁的基础上发展起来的许多不同形式的组合结构，组合体系充分发挥了钢材和混凝土各自的优点，相互取长补短，具有广泛的发展前景与经济技术竞争力。如：在支点处可用上下双层结合的竖向结合梁桥、钢筋混凝土边梁与钢横梁的横向结合梁以及中跨钢梁与边跨混凝土的纵向结合梁(混合梁)。如果能够在钢-混组合结构桥梁方面有更深入的研究，对大跨径桥梁的建设有重要意义。

七、桥梁施工方法及装备的研究

桥梁施工是桥梁建设的关键环节，桥梁施工技术水平的高低直接影响到桥梁建设的发展。回顾过去的一百多年里，桥梁施工工法经历了从现场浇筑到预制拼装的过程、从有支架到无支架的过程、从分段分片到整体化施工的过程，而桥梁施工装备也从小型机具向更加大型、智能化、自动化的方向发展，并相应地减少施工人员数量、提高了施工质量。为了建筑优质和耐久的桥梁结构必须研发更加先进的施工工法和技术设备，为未来大跨径桥梁如跨海工程、恶劣施工环境、超长使用寿命的桥梁建设做好充分的准备。

八、结语

展望未来的桥梁，我们将面临长达而又雄伟、轻质而又超重、基深而又桥高、大跨而又宽阔的超级桥梁工程。这些工程将挑战宽阔的海峡、自然灾害等地球力量，并担负起连接人与人、国与国、大陆与大陆的使命。这需要我们鼓励创新，加速高性能材料、超深水基础、耐久性结构物的研发，储备好先进的技术。

[1]向海帆.21世纪世界桥梁工程的展望[J].土木工程学报,2000.

[2]伊藤学，川田忠树.超长大桥梁建设的序幕—技术者的挑战[M].北京：人民交通出版社，2009