(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

21世紀(jì)大跨徑橋梁工程的挑戰(zhàn)

廖文科

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院重慶400074)

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在一定程度上推動了我國大跨徑橋梁工程的發(fā)展。隨著大跨徑橋梁工程的建設(shè)在20世紀(jì)末進(jìn)入了高潮，21世紀(jì)的大跨徑橋梁工程必將掀起新的浪潮。目前的橋梁工程技術(shù)已經(jīng)能夠較好的解決現(xiàn)在存在的大多數(shù)橋梁工程問題，但隨著橋梁往更大跨徑發(fā)展，為保證其可靠性、耐久性等，21世紀(jì)大跨徑橋梁工程仍有許多值得研究的問題。

大跨徑橋梁工程；挑戰(zhàn)；技術(shù)

一、高性能材料的應(yīng)用和研發(fā)

反觀歷史上每一次的工程突破，其中影響最深遠(yuǎn)的莫過于新材料的問世與應(yīng)用。1867年鋼筋混凝土的問世在建材、工程領(lǐng)域掀起了一場革命，其影響直到今天仍是巨大的。建筑材料的性能的提高是橋梁工程不斷進(jìn)步的重要動力?，F(xiàn)代橋梁仍以鋼材和混凝土為主要建筑材料。過去60年中，鋼材強(qiáng)度從S343發(fā)展到了S1100，混凝土強(qiáng)度也提高到了C150。各種輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料和智能材料在橋梁工程中得到了應(yīng)用。高性能材料顯示出來的巨大優(yōu)勢使世界各國競相開展這方面的研究。

高性能鋼材可以通過優(yōu)化現(xiàn)代煉鋼技術(shù)，提高鋼材的各種性能，如焊接、耐腐蝕、抗疲勞等性能。高性能混凝土可以通過在混凝土中摻入各種外加劑、纖維材料、納米材料等制成，具有高抗?jié)B性、高體積穩(wěn)定性、高抗壓強(qiáng)度和良好的施工性能。高性能復(fù)合材料，如FRP復(fù)合材料主要是將FRP纖維摻入混凝土形成的FRP纖維混凝土，在混凝土結(jié)構(gòu)加固中得到了廣泛的應(yīng)用。這些高性能材料必將在未來大跨徑橋梁中發(fā)揮巨大的作用。

二、深水基礎(chǔ)技術(shù)的研究

隨著各國跨海大橋建設(shè)的籌備與開展，必將面臨著深水基礎(chǔ)者一難題，目前國際上最深的大橋基礎(chǔ)是明石海峽大橋的水深70m的巨型沉井基礎(chǔ)。我國橋梁目前也尚只擁有修建30m左右水深的基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)。而縱觀世界各國的海峽，水深都達(dá)100米甚至更深，所以必須未雨綢繆，對深水橋梁基礎(chǔ)的方案選型，設(shè)計(jì)理論，施工工藝進(jìn)行深入的研究。深水基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步必將帶動大跨徑橋梁有更長遠(yuǎn)的發(fā)展。

三、橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性研究

許多古老橋梁能夠屹立幾千年，而現(xiàn)代大多數(shù)橋梁建成后，橋梁的耐久性問卻越來越突出。國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料表明，由于橋梁耐久性而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。我國現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年，但事實(shí)上許多橋梁結(jié)構(gòu)在規(guī)定期限內(nèi)就已經(jīng)達(dá)到了其耐久性極限而拆除重建。影響橋梁耐久的因素眾多，如混凝土開裂、鋼筋銹蝕，混凝土徐變、預(yù)應(yīng)力鋼筋松弛導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力損失等。其中，混凝土斜拉橋的開裂，混凝土梁式橋的下?lián)虾驼划愋凿摌蛎娴钠诹芽p等是橋梁耐久性研究中最需要解決的問題。對于未來的大跨徑橋梁工程，不僅要保證100年的設(shè)計(jì)使用壽命，而且應(yīng)朝著更長久的使用年限發(fā)展。橋梁的耐久性問題如果能夠解決，將會為橋梁工程建設(shè)減少巨大的損失。

四、計(jì)算方法與軟件的研究

計(jì)算機(jī)技術(shù)與有限元分析理論的快速發(fā)展為橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和相應(yīng)軟件的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了許多大型商用軟件,IT技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理能力的進(jìn)一步提高以及相應(yīng)結(jié)構(gòu)分析軟件的不斷進(jìn)步將使得橋梁的設(shè)計(jì)更加精細(xì)化，為實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)值模擬和“虛擬現(xiàn)實(shí)”創(chuàng)造了條件，建立起一種基于全橋結(jié)構(gòu)空間非線性應(yīng)力水平的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，并充分考慮配筋和預(yù)應(yīng)力配束以及斜拉橋等的實(shí)際空間分布，同時(shí)計(jì)及不同部位混凝土的空間強(qiáng)度分布，以精確的控制實(shí)際的應(yīng)力狀況和材料強(qiáng)度狀況，保證結(jié)構(gòu)在施工和運(yùn)營中的安全。目前橋梁工程建設(shè)應(yīng)逐步走向智能化，加強(qiáng)適合于橋梁工程智能軟件如BIM的開發(fā)將會對大跨徑橋梁的建設(shè)產(chǎn)生重大意義。

五、斜拉橋跨度的研究

斜拉橋的極限跨度一般可以達(dá)到1500m左右，主要是橋面受到斜拉索水平分力產(chǎn)生的軸向力、拉鎖的非線性效應(yīng)以及長懸臂施工中的變形和振動等問題隨著跨度的增大越來越明顯，從而限制了斜拉橋的跨越能力。目前超過一千米的橋大多選用懸索橋，然后由于多跨懸索橋中塔鞍座的抗滑問題尚未得到根本的解決，因此目前多跨懸索橋適用范圍受到限制，而應(yīng)優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)合理和施工方便的多跨斜拉橋。目前多主跨斜拉橋的關(guān)鍵技術(shù)問題在于如何保證結(jié)構(gòu)體系具有足夠的剛度，特別是主梁的剛度。在未來的大跨徑跨海大橋中，多塔斜拉橋必將展示出其獨(dú)特的優(yōu)越性，成為跨海大橋的主要橋型。

六、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的研究

在傳統(tǒng)的鋼梁和混凝土結(jié)合梁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的許多不同形式的組合結(jié)構(gòu)，組合體系充分發(fā)揮了鋼材和混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)，相互取長補(bǔ)短，具有廣泛的發(fā)展前景與經(jīng)濟(jì)技術(shù)競爭力。如：在支點(diǎn)處可用上下雙層結(jié)合的豎向結(jié)合梁橋、鋼筋混凝土邊梁與鋼橫梁的橫向結(jié)合梁以及中跨鋼梁與邊跨混凝土的縱向結(jié)合梁(混合梁)。如果能夠在鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁方面有更深入的研究，對大跨徑橋梁的建設(shè)有重要意義。

七、橋梁施工方法及裝備的研究

橋梁施工是橋梁建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，橋梁施工技術(shù)水平的高低直接影響到橋梁建設(shè)的發(fā)展?；仡欉^去的一百多年里，橋梁施工工法經(jīng)歷了從現(xiàn)場澆筑到預(yù)制拼裝的過程、從有支架到無支架的過程、從分段分片到整體化施工的過程，而橋梁施工裝備也從小型機(jī)具向更加大型、智能化、自動化的方向發(fā)展，并相應(yīng)地減少施工人員數(shù)量、提高了施工質(zhì)量。為了建筑優(yōu)質(zhì)和耐久的橋梁結(jié)構(gòu)必須研發(fā)更加先進(jìn)的施工工法和技術(shù)設(shè)備，為未來大跨徑橋梁如跨海工程、惡劣施工環(huán)境、超長使用壽命的橋梁建設(shè)做好充分的準(zhǔn)備。

八、結(jié)語

展望未來的橋梁，我們將面臨長達(dá)而又雄偉、輕質(zhì)而又超重、基深而又橋高、大跨而又寬闊的超級橋梁工程。這些工程將挑戰(zhàn)寬闊的海峽、自然災(zāi)害等地球力量，并擔(dān)負(fù)起連接人與人、國與國、大陸與大陸的使命。這需要我們鼓勵創(chuàng)新，加速高性能材料、超深水基礎(chǔ)、耐久性結(jié)構(gòu)物的研發(fā)，儲備好先進(jìn)的技術(shù)。

[1]向海帆.21世紀(jì)世界橋梁工程的展望[J].土木工程學(xué)報(bào),2000.

[2]伊藤學(xué)，川田忠樹.超長大橋梁建設(shè)的序幕—技術(shù)者的挑戰(zhàn)[M].北京：人民交通出版社，2009