桥梁工程展望-桥梁工程概论

从1890年英国建成的福思铁路桥算起，现代桥梁已走过130年的发展历程。人类对陆地交通的不断需求，科学与技术的不断进步，是桥梁工程得以发展的强大动力。20世纪后期，通过对结构型式、工程材料、设计理论、施工设备、制造工艺等的不断研究与创新，使桥梁工程取得了长足的技术进步。纵观中外桥梁近几十年的发展情况，可以预见，21世纪的桥梁建设会表现出以下几个特点。

1.桥跨结构继续向大跨发展

在具有一定承载能力条件下，跨越能力仍然是反映桥梁技术水平的主要指标。为避免修建或少建深水桥墩，加大通航能力，悬索桥、斜拉桥等桥式的跨度记录一再被打破。一方面，为适应陆地交通发展，需要建造跨越能力更大的桥梁；另一方面，建造前所未有的大跨度桥梁，需要渊博的技术知识、卓越的才能和创造性的勇气，是对自然和人类自身的挑战，因此具有极大的吸引力。回顾过去百余年间各类钢桥主跨的增长情况可知：悬索桥的主跨从19世纪末期的500m左右增长到20世纪末期的近2000m，而斜拉桥主跨从20世纪50年代的200m 左右增长到21世纪初期的1100m左右。各种桥型的跨度排名，见附录。

修建跨海（湾、峡）桥是促使桥梁向大跨度发展的重要因素之一。土耳其在建的恰纳卡莱1915大桥，跨越达达尼尔海峡，主跨达到2023m。在规划的跨海大桥项目中，对超大跨桥梁的需求越来越明显。意大利墨西拿（Messina）海峡悬索桥方案（图1.40）采用的主跨达3300m。印度尼西亚拟在巽他海峡修建27km 长的跨海大桥，采用主跨约3000m的悬索桥跨越主航道。挪威计划在斯图尔峡湾建造跨度2300m的悬索桥。日本跨越纪淡海峡大桥的跨度在2500～3000m，而跨越丰予海峡及津轻海峡的悬索桥方案的跨度在3000m 以上。在我国，21世纪的陆地交通工程将有更大规模的发展，需要修建一系列更大跨度、更大规模的跨海通道（桥梁，或隧道，或桥隧结合）跨海工程和连岛工程。目前，我国跨度超过2000m的悬索桥建设项目（如江苏张皋过江通道、广东狮子洋大桥等）正在实施之中。

图1.40　意大利墨西拿（Messina）海峡悬索桥示意（单位：m）

2.新桥设计理论与旧桥评估理论更趋完善

桥梁设计理论是桥梁工程建设的基石。随着桥跨的增加、建桥环境的变化（如海洋环境、艰险山区环境）、结构体系的多样和复杂，桥梁设计会面临许多新的课题和难题，需要适应桥梁发展的需要，进一步开展设计理论研究，完善设计规范。

20世纪70年代以来，国际上开始逐步采用以结构可靠性理论为基础、以分项系数表达的概率极限状态设计法，如欧洲结构规范 EUROCODE、美国桥梁规范 AASHTO、加拿大桥梁规范 CAN/CSA-S6等。与过去采用的容许应力设计和破坏强度设计等方法相比，极限状态设计理论更趋完善和合理。我国公路桥梁已从1985年开始采用极限状态法进行结构设计，从2004年起，逐步颁布新一代设计规范。基于概率极限状态设计法的铁路桥梁设计规范也已颁布实施。

桥梁工程的发展大致要经历以下3个阶段：以新建为主的阶段、新建与养护维修并重的阶段、以养护维修和加固改造为主的阶段。由于不利的环境影响、结构的自然老化、车辆荷载的增加以及养护维修的不足，一部分桥梁不可避免地要暴露出各种结构损伤。这导致结构的承载能力和耐久性降低，运营状况不能完全满足规定。如何评估既有桥梁的运营条件和承载能力，如何对已损伤桥梁进行修复加固，是保证线路安全畅通的重要问题。

自20世纪80年代起，在一些工业发达国家，桥梁工程的重心已逐步转移到其养护维修、监测监控、鉴定评估和加固改造方面。在公路桥梁方面，美、英、加拿大等国家先后颁布了基于结构可靠性理论的评估规范。我国在公路桥涵养护规范的基础上，近年来也相继颁布了公路桥梁技术状况和承载力评定、加固设计和施工等一系列标准和规范。

开展旧桥评估理论和技术的研究和实践，一方面对准确评估桥梁的承载能力、尽量延长桥梁的使用寿命和减少加固替换的高额费用，具有明显的技术意义和经济意义；另一方面，可针对旧桥暴露出来的问题，更新设计理念，完善设计理论和方法。今后的设计规范应在安全、适用、经济、美观的原则基础上，基于全寿命设计思想，考虑桥梁的耐久性，满足环保要求，推动桥梁工程的可持续性。

3.建桥材料向高强和多功能方向发展

材料科学的进步是推动桥梁工程发展的重要动力之一。当代桥梁向大跨度发展的趋势，对建桥材料提出了高强和多功能的更高要求。

世界各国都很注重提高建桥材料的强度。我国在建设九江长江大桥时，发展了15MnVNq钢；芜湖长江大桥采用的是14MnNbq新钢种，沪通长江大桥采用的是新研发的Q500级高性能钢材。近年来我国颁布的低合金高强度结构钢标准中，列入的强度等级已提升到690MPa。高强度低松弛钢丝及钢绞线在桥梁工程中的应用日趋广泛，目前国内外开发出的φ5～7mm的高强镀锌钢丝，其强度达2000MPa左右。高强混凝土具有强度高、抗冲击性能好、耐久性强等优点，其既可减小结构尺寸，又能减轻梁体自重而增大跨度。目前，投入使用的混凝土等级达到C80～100级。预应力混凝土用螺纹钢筋是向大直径、高强度、低松弛、耐腐蚀、与混凝土黏结力高、拼接便利的方向发展。目前钢筋的最大直径为 φ75mm，抗拉强度约为1330MPa。

在钢材的功能方面，抗腐蚀性能好的耐候钢（weathering steel）逐步得到应用。自20世纪60年代起，欧美和日本就在桥梁上应用耐候钢；1991年我国在京广线巡司河上建成第一座耐候钢桥，目前正得到重视和应用。在国外，高性能钢（high performance steel）的种类及其应用逐步增加。它不仅保持了较高的强度，而且在材料的抗腐蚀和耐候性能、可焊性、抗脆断和疲劳性能等方面都比传统钢材有明显的提高和改善。其他具备多功能的钢材有：按热力控制加工生产的高质量、高强度的厚钢板（该类钢材在40～100mm 厚度内不需要降低标准设计强度），能大幅度减轻焊接时预热作业的抗裂钢，抗层裂钢，变厚度钢，波纹钢板（用于结合梁桥的腹板），树脂复合型减振钢板等。在混凝土方面：具备高强、早强、缓凝、微膨胀、不离析、自密实等性能的混凝土得到广泛应用；近年来研发的超高性能混凝土（UHPC－Ultra-High Performance Concrete）是一种钢纤维增强水泥复合材料，具备优越的耐久性和力学性能，将会带来水泥基工程材料的跨越发展。

纤维增强复合材料（FRP－Fibre Reinforced Polymer）起源于20世纪70年代。近20年来，在桥梁工程领域的应用越来越多。FRP具有高强、轻质、耐腐蚀、易维护等显著优点。在桥梁工程中，FRP短纤维加入混凝土中，可大大提高混凝土的抗裂性、延性和承载力；FRP片材（板或布）可粘贴于钢或混凝土结构表面，用于旧桥的加固补强；在新桥建造中，FRP棒材（筋和索）可用来替代钢筋和预应力索，FRP夹层结构和蜂窝板可用作桥面板。对抗腐蚀、耐久性要求高的桥面板，采用FRP筋（也包括FRP夹层结构和蜂窝板）可大大减少日常维护费用和改造维修费用。(www.xing528.com)

4.信息技术在桥梁工程中的应用更趋广泛

进入21世纪，随着信息技术和智能材料的广泛应用，桥梁结构会变得“灵敏”和“智能”，其设计、施工和管理也将更为科学合理。在规划和设计方面，可以通过快速仿真分析等逼真演示桥梁造型及功能，为决策提供可靠依据。在建造方面，可通过虚拟设计和施工技术提高安全性和功效，采用遥控技术进行施工控制和管理，GPS 和3D激光扫描技术进行定位与测量，机器人技术进行结构整体安装或复杂环境下的施工等。在健康监测和管理方面，可综合应用计算机技术（网络及数据库，图像图形技术、BⅠM技术等）、人工智能技术、传感器技术及计算数学、有限元分析等多学科，建立一套桥梁设计、施工及养护维修的科学评价体系（施工控制，运营状态监测，损伤诊断及评估，预警和养护对策等），实时掌握桥梁的健康状况。可以预见，第四次工业革命（包括人工智能，机器人，智能传感，大数据，云计算，3D打印，物联网等）将推动桥梁工程跟上时代步伐。

5.日益重视桥梁美学、建筑造型和景观设计

桥梁作为建筑实体，除向社会大众提供使用功能外，还凸现出其作为建筑审美客体的作用。在历史上，许多著名的桥梁建筑，如旧金山海湾大桥、悉尼港大桥、武汉长江大桥等，以其宏大的气势和造型，成为城市或地区的象征。

国家经济的持续发展、大众审美要求的提高，以及社会不断增强的自我标志意识，将会导致桥梁建筑设计理念的逐步改变。桥梁作为可定量计算分析的设计产品，一直是工程师独占的领域。随着设计学科之间的交叉，会有更多的建筑师、艺术家、景观和环境方面的专家参与到桥梁设计中来，通过设计合作，把技术（材料，结构，施工）与美学、造型和景观密切联系起来，共同创造出既保证安全适用，又体现美学魅力的桥。

概括地讲，桥梁建设的基本目标是安全、适用、经济、美观。针对我国近几十年来的桥梁状况，需要更多地关注桥梁耐久和环保问题。围绕这一基本目标，桥梁技术的发展应表现在：具有较大的跨越能力、承载能力和良好的耐久性能；车辆能安全运行于桥上并使旅客有舒适感；讲求经济效益，力图降低造价；结构造型优美并能较好地与周边环境协调。

今后我国桥梁的发展方向主要有以下一些方面：

·发展大跨度桥梁，进一步研究与自然环境和使用条件相关的动力和稳定等问题。

·研究超长跨海（湾，峡）桥的设计、施工和耐久、环保技术。

·开发中小跨度钢桥、混凝土桥和结合梁桥的新的截面形式，完善桥梁的标准设计。

·注重施工技术的发展，提高桥梁建造的机械化、工厂化、大型化水平。

·广泛采用以极限状态法和可靠性理论为基础的方法指导桥梁设计与评估。

·更多地将高强和高性能材料应用于桥梁工程。

·建立和完善桥梁健康监测与管理系统，提高既有桥梁的养护、评估和加固水平。

·开展桥梁美学、建筑造型和景观设计的系统研究。

·开展桥梁设计与施工风险评估研究，提高桥梁安全水平。