安風(fēng)明，陳 多

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 杭州市 310030)

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，為了進(jìn)一步加快發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟(jì)，浙江省內(nèi)大力投資交通基礎(chǔ)設(shè)施，遇山開(kāi)路、遇水架橋，省內(nèi)公路橋梁建設(shè)迎來(lái)一個(gè)又一個(gè)發(fā)展高峰期。由于浙江多山地、多海灣、多軟土的地形特點(diǎn)，橋梁發(fā)展也呈現(xiàn)出多跨海工程、多大跨徑橋梁的特點(diǎn)。

浙江素有“萬(wàn)千橋隧”之省的美譽(yù)，截止2018年底，橋梁總數(shù)達(dá)到了5萬(wàn)余座，2008年，杭州灣跨海大橋通車，斬獲了“菲迪克年度工程杰出項(xiàng)目獎(jiǎng)”。之后一年，五橋連島——舟山跨海大橋正式通車；2013年，嘉紹大橋正式通車，中國(guó)的橋梁建設(shè)技術(shù)又實(shí)現(xiàn)了多個(gè)“首創(chuàng)”。

近20年來(lái)，浙江省橋梁科技創(chuàng)新水平不斷取得新的突破，依托浙江省交通廳科技項(xiàng)目《浙江省公路橋梁科技成果回顧和展望研究》，從浙江省公路橋梁工程建設(shè)的發(fā)展歷程入手，對(duì)近年來(lái)公路橋梁工程的科技成果進(jìn)行梳理，在已有橋梁科技成果的基礎(chǔ)上，分析公路橋梁領(lǐng)域科學(xué)研究的短板，提出未來(lái)十年橋梁科技成果的發(fā)展方向。

1 大跨徑橋梁建設(shè)歷程

1.1 大跨徑拱橋建設(shè)發(fā)展歷程

浙江省2000年以后大跨徑拱橋發(fā)展歷程如圖1所示，最大跨徑為2017年建成的春曉大橋，主跨跨徑336m。主拱結(jié)構(gòu)類型以鋼管混凝土拱為主，2006年建成的金竹牌特大橋和2019年建成的烏溪江大橋是鋼管混凝土拱橋的代表，主跨分別為252m和260m。有少量的鋼桁架拱橋(春曉大橋)和鋼箱系桿拱橋(九堡大橋，主跨210m)。

圖1 浙江省2000年以來(lái)大跨徑拱橋發(fā)展歷程圖

烏溪江大橋主橋?yàn)榭鐝?60m的上承式鋼管混凝土拱橋，主拱采用四肢等截面鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，由兩條拱肋及橫向聯(lián)接系構(gòu)成，采用斜拉扣掛、纜索吊裝方法施工；拱上立柱采用鋼管混凝土格構(gòu)柱，拱上蓋梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順橋向分為兩片預(yù)制安裝，現(xiàn)澆濕接頭；主橋上部結(jié)構(gòu)采用16m跨徑T梁。

1.2 大跨徑斜拉橋建設(shè)發(fā)展歷程

2000年以后大跨徑斜拉橋發(fā)展歷程如圖2所示，大跨徑斜拉橋主要分布在東部沿海通道工程跨海灣節(jié)點(diǎn)上，錢塘江、甬江等越江工程跨航道節(jié)點(diǎn)上或者舟山連島工程跨航道節(jié)點(diǎn)上，最大跨徑斜拉橋?yàn)?012年建成的象山港大橋，主跨跨徑688m。斜拉橋結(jié)構(gòu)形式隨著技術(shù)的進(jìn)步也在不斷發(fā)展創(chuàng)新，主梁結(jié)構(gòu)形式由混凝土主梁逐漸發(fā)展成鋼混組合梁，主塔錨固形式由環(huán)向預(yù)應(yīng)力逐漸發(fā)展成為鋼錨梁、鋼錨箱等組合結(jié)構(gòu)錨固形式。

圖2 2000年以來(lái)大跨徑斜拉橋發(fā)展歷程圖

浙江省斜拉橋的發(fā)展歷程也是不斷提高斜拉橋受力性能，提高斜拉橋經(jīng)濟(jì)性和耐久性的過(guò)程。最具代表性的斜拉橋有金塘大橋、象山港大橋等。

金塘大橋[1]主跨為620m的鋼箱梁斜拉橋，提出了能夠錨固空間索面斜拉索的鋼錨梁和鋼牛腿組合結(jié)構(gòu)。鋼錨梁由受拉錨梁和錨固構(gòu)造組成。每對(duì)斜拉索面內(nèi)的平衡水平分力由鋼錨梁承受，部分不平衡水平分力通過(guò)梁端頂座傳遞到預(yù)埋鋼板，由索塔承受；豎向分力通過(guò)牛腿傳到塔身后，全部由索塔承受；空間索在面外的水平分力由鋼錨梁自身平衡，不但成功解決了錨固區(qū)開(kāi)裂問(wèn)題，提高了結(jié)構(gòu)耐久性，還有利于提高施工速度，保證施工質(zhì)量，為國(guó)際首創(chuàng)，見(jiàn)圖3。

圖3 金塘大橋鋼錨梁示意圖

1.3 大跨徑懸索橋建設(shè)歷程

2000年以后大跨徑懸索橋發(fā)展歷程如圖4所示，最大跨徑懸索橋?yàn)?009年建成的西堠門大橋，主跨跨徑1650m，建成時(shí)為國(guó)內(nèi)最大單跨跨徑橋梁結(jié)構(gòu)。懸索橋結(jié)構(gòu)形式以地錨式懸索橋?yàn)橹?，也有部分追求景觀效果的自錨式懸索橋，如主跨260m的空間纜自錨式懸索橋—江東大橋，還有極個(gè)別的懸索橋如東苕溪大橋(主跨228m)采用了纜索承重混合體系結(jié)構(gòu)。總的來(lái)看，浙江省內(nèi)代表性的懸索橋主要有西堠門大橋、秀山大橋和甌江北口大橋(建設(shè)中)等。

圖4 2000年以來(lái)大跨徑懸索橋發(fā)展歷程圖

西堠門大橋[2]是世界上抗風(fēng)要求最高的橋梁之一，采用分體鋼箱梁技術(shù)成功地解決了顫振穩(wěn)定性問(wèn)題，為世界第一座分體式鋼箱梁懸索橋。大橋開(kāi)展了大跨度纜索承重橋梁渦激振動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究(2016009)和大橋側(cè)風(fēng)行車安全及控制措施研究(2010H21)，解決了多項(xiàng)抗風(fēng)技術(shù)難題。西堠門大橋首創(chuàng)了可變姿態(tài)的活動(dòng)風(fēng)障，保障了橋面行車與結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的安全性，每年減少西堠門大橋因風(fēng)關(guān)閉時(shí)間35d，顯著提高了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

西堠門大橋首次采用大直徑、高強(qiáng)度等級(jí)、高破斷拉力的鋼絲繩制作吊索，并成功地解決了疲勞問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用強(qiáng)度為1770MPa的平行鋼絲制作主纜，節(jié)約工程投資約835萬(wàn)元，同時(shí)降低了施工難度。通過(guò)冶煉、軋制、拉絲等環(huán)節(jié)的研發(fā)、創(chuàng)新，依托項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度1770MPa的平行鋼絲國(guó)產(chǎn)化。架設(shè)主纜首次采用水平成圈與放索工藝，提高了索股架設(shè)質(zhì)量。研發(fā)了Φ5mm系列纜用高強(qiáng)度平行鋼絲，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平、填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，并形成了規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 大跨徑橋梁科技成果總結(jié)分析

從科研項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)間、科技成果內(nèi)容、科研成果鑒定及獲獎(jiǎng)、推廣情況三個(gè)角度入手，對(duì)浙江省的公路橋梁科技成果(大橋共42個(gè)課題)進(jìn)行分析。

2.1 科研項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)間

從圖5可以看出，2005～2007年，正值金塘大橋、西堠門大橋建設(shè)時(shí)期，相關(guān)科研相繼立項(xiàng)；另外，隨著之江大橋、椒江二橋、嘉紹大橋等相繼開(kāi)工建設(shè)，一系列課題也就此開(kāi)展，形成另一個(gè)科研立項(xiàng)的高峰期。

圖5 科研立項(xiàng)時(shí)間分布

2.2 科研成果內(nèi)容

就課題研究?jī)?nèi)容而言，見(jiàn)圖6，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化類課題占課題總數(shù)的42.9%，大多數(shù)課題都是這個(gè)方向的相關(guān)內(nèi)容。其中既包含了宏觀的結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新，也包含大跨徑橋梁局部受力構(gòu)造的細(xì)化分析；既有斜拉橋、懸索橋、拱橋等大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)受力體系的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，又有波流力、大跨徑橋梁墩塔等下部結(jié)構(gòu)的防撞專題研發(fā)?？傮w上看，各類大跨徑橋梁專題研究為實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)省目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖6 課題研究?jī)?nèi)容分布

施工工藝創(chuàng)新類課題占課題總數(shù)的19%，其研究?jī)?nèi)容以解決實(shí)際工程問(wèn)題為主，針對(duì)大跨徑橋梁鋼箱梁主梁施工關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了海洋環(huán)境鋼箱梁運(yùn)輸、定位、架設(shè)、拼裝等方面的技術(shù)研究，對(duì)提高施工質(zhì)量和工藝水平，防治橋梁病害具有重要作用。

病害防治及維修加固類課題占課題總數(shù)的16.7%，大跨徑橋梁病害防治及維修加固方面的研究工作起步相對(duì)較晚。省內(nèi)直到2010年左右才陸續(xù)開(kāi)展了結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究課題，經(jīng)過(guò)多年的工程實(shí)踐，浙江省在跨海大橋耐久性，大跨鋼橋維護(hù)和維修技術(shù)方面也積累了很多的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)省內(nèi)大跨徑橋梁耐久性的提升起了很好的指導(dǎo)作用。

運(yùn)營(yíng)期檢測(cè)和監(jiān)測(cè)類課題占課題總數(shù)的21.4%，而且大都依托具體橋梁工程項(xiàng)目開(kāi)展，以舟山大陸連島工程為代表，取得了系列研究成果。包括浙江舟山大陸連島工程橋梁健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)等。為保障大橋長(zhǎng)期服役性能提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 科研成果鑒定及獲獎(jiǎng)、推廣情況

大跨徑橋梁科技成果中，高達(dá)45%的課題達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，鑒定結(jié)果在國(guó)際先進(jìn)及以上的達(dá)54%，總體鑒定結(jié)果較好，見(jiàn)圖7。

圖7 科研成果鑒定情況

就課題獲獎(jiǎng)情況而言，省內(nèi)公路橋梁科技成果獲獎(jiǎng)總數(shù)較少，僅一項(xiàng)成果獲浙江省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)(2006H06西堠門大橋建設(shè)成套技術(shù)研究)，兩項(xiàng)獲中國(guó)公路學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)(2006H06西堠門大橋建設(shè)成套技術(shù)研究，2011H17拱形鋼塔斜拉橋建設(shè)和養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究與工程示范)，一些成果較好的課題同時(shí)獲得了多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，但也有很多鑒定結(jié)果較好的課題并未進(jìn)行后續(xù)的獎(jiǎng)項(xiàng)申報(bào)工作。

很多大型工程項(xiàng)目都開(kāi)展了多個(gè)專題的研究，如舟山跨海大橋建設(shè)過(guò)程中開(kāi)展的“西堠門大橋建設(shè)成套技術(shù)研究(2006H06)”等，運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)期間開(kāi)展的“舟山跨海大橋耐久性提升技術(shù)研究(2013H28-3)”等。這些課題為具有重要意義的特大跨徑或特殊結(jié)構(gòu)橋梁提供了全壽命周期的技術(shù)支撐。

但是，省內(nèi)橋梁科研課題形成的專利、軟件著作權(quán)、專著等知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)量較少，且多集中在個(gè)別課題，由課題成果提煉的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)手冊(cè)、工藝工法等也較少；很多課題鑒定資料已經(jīng)缺失，難以對(duì)其成果進(jìn)行持續(xù)的跟蹤評(píng)價(jià)。

3 浙江大跨徑橋梁創(chuàng)新發(fā)展方向

根據(jù)已有的研究和新興前沿技術(shù)兩個(gè)方面，提出浙江省大跨橋梁的創(chuàng)新發(fā)展方向，引領(lǐng)省內(nèi)交通運(yùn)輸高質(zhì)量發(fā)展。

3.1 橋梁美學(xué)

橋梁美學(xué)，是當(dāng)代大跨橋梁設(shè)計(jì)建設(shè)面臨的熱點(diǎn)問(wèn)題。尤其在大跨橋梁概念設(shè)計(jì)和方案評(píng)選階段，對(duì)橋梁美學(xué)的重視程度可以說(shuō)已經(jīng)超越了任何時(shí)候。但是，對(duì)橋梁美學(xué)理論的研究，還一直處于瓶頸期：一方面，美學(xué)思想和理論偏于感性，主觀性較強(qiáng)，難以形成系統(tǒng)；另一方面，這方面的研究偏于社會(huì)科學(xué)，在當(dāng)前以工程建設(shè)成果指標(biāo)化的情況下，科研人員在短期內(nèi)難以得到明顯的回報(bào)；這也是當(dāng)前橋梁美學(xué)越來(lái)越受到重視但工程人員也只當(dāng)其一個(gè)興趣愛(ài)好的主要原因。目前，橋梁美學(xué)理論，大多借助于建筑美學(xué)理論，還沒(méi)有形成專門的橋梁美學(xué)理論或流派。

橋梁美學(xué)重點(diǎn)研究方向：

(1)橋梁美學(xué)理論及設(shè)計(jì)方法。

(2)橋梁附屬設(shè)計(jì)與景觀設(shè)計(jì)。

(3)基于BIM和人工智能技術(shù)的橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)際的融合。

(4)橋梁美學(xué)與力學(xué)的融合。

3.2 高性能材料應(yīng)用

目前高性能混凝土的種類眾多，但實(shí)際運(yùn)用較少，其在橋梁工程中的運(yùn)用主要以UHPC為主，省內(nèi)UHPC主要應(yīng)用在預(yù)制梁接縫及墩柱、蓋梁接縫等位置，將高性能混凝土應(yīng)用于橋梁工程的探索與研究依然須繼續(xù)努力。隨著研究的深入，有望UHPC價(jià)格下降，增強(qiáng)UHPC在橋梁中的競(jìng)爭(zhēng)力。

現(xiàn)階段橋梁工程常用的FRP材料主要是樹(shù)脂基的纖維增強(qiáng)聚合物，包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及玄武巖纖維等增強(qiáng)聚合物，F(xiàn)RP材料適應(yīng)了現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)向大跨、輕質(zhì)、耐久的需求，成為混凝土和鋼材等傳統(tǒng)建筑材料之外的重要工程材料。

高性能材料重點(diǎn)研究方向：

(1)基于UHPC材料的預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)。

(2)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)橋梁設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)規(guī)范體系。

(3)鋼與UHPC組合橋面。

3.3 智能化檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)

從應(yīng)用需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)角度出發(fā)，未來(lái)省內(nèi)大跨橋梁運(yùn)營(yíng)期檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)還有很多的研究方向和研究問(wèn)題值得探索。

針對(duì)大跨橋梁的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)裝備與技術(shù)，應(yīng)重點(diǎn)向輕型化、快速化方向發(fā)展，要求設(shè)備具備易安裝、易維護(hù)的特性，在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行突破，如無(wú)人機(jī)、橋梁檢測(cè)機(jī)器人等智能檢測(cè)裝備以及無(wú)需供電的低功耗傳感技術(shù)、非接觸式的測(cè)量方式等；對(duì)于大跨橋梁隱蔽工程，目前的檢測(cè)手段較少，需要開(kāi)發(fā)更多行之有效的無(wú)損探傷技術(shù)智能化檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)研發(fā)方向：

(1)鋼橋疲勞裂紋智能探測(cè)技術(shù)。

(2)水下樁基礎(chǔ)智能檢測(cè)技術(shù)。

(3)新建橋梁嵌入式檢測(cè)、監(jiān)測(cè)模塊開(kāi)發(fā)。

3.4 橋梁信息化建管養(yǎng)

橋梁是巨大的公共資源，建立信息化決策支持系統(tǒng)，對(duì)橋梁資產(chǎn)的管理和養(yǎng)護(hù)具有重要意義。全面把握橋梁建造與服役全過(guò)程的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與損傷演化趨勢(shì)，制定主動(dòng)、預(yù)防性的養(yǎng)護(hù)措施，將對(duì)預(yù)測(cè)損傷積累，延緩抗力衰減，恢復(fù)使用功能起到積極作用。

利用信息化技術(shù)連接橋梁工程全壽命周期不同階段的數(shù)據(jù)、過(guò)程和資源，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段參與各方信息共享。

信息化建管養(yǎng)技術(shù)重點(diǎn)研發(fā)方向：

(1)路網(wǎng)橋梁數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)。

(2)橋梁建管養(yǎng)一體化信息管理系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在信息化時(shí)代，人工智能、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)等信息技術(shù)不斷成熟落地，新技術(shù)正逐漸應(yīng)用于交通領(lǐng)域的方方面面，在信息化大背景下，橋梁工程領(lǐng)域也將產(chǎn)生深刻變革，分析橋梁成果研究現(xiàn)狀，提出浙江省公路橋梁未來(lái)十年的發(fā)展方向，從產(chǎn)學(xué)研用全過(guò)程融合的維度入手，推動(dòng)浙江省公路橋梁領(lǐng)域科技不斷創(chuàng)新發(fā)展，促進(jìn)已有科技成果的推廣和應(yīng)用，具有重要的意義。