田銳

（深圳華粵城市建設工程設計有限公司，廣東深圳 518100）

1 引言

城市橋梁是城市交通公共基礎設施的重要組成部分，其建設往往受地下構筑物（特別是綜合管廊與地鐵）、市政管線、用地規(guī)劃、周邊銜接與環(huán)境控制等諸多因素制約，嚴苛的客觀條件對城市橋梁建設技術水平提出了更高的現實要求。 基于此， 近年來越來越多的新技術材料逐步應用于城市橋梁設計與建設過程中，包括高性能混凝土（HPC）、纖維增強聚合物類（FRP）、輕質土等，給城市橋梁設計提供了更多的解決方案，進一步增強了橋梁設計的可實施性，將城市橋梁建設的美觀、實用、高效提升到一個嶄新的臺階。

2 新材料的特點和潛力

在橋梁工程領域，新材料具備高強度、高韌性、低密度等顯著特點，使得在特定的工程建設條件下，橋梁設計師能大膽實現更輕薄的結構尺寸、更富有創(chuàng)意的結構造型、更大橋梁跨徑的設計，為城市橋梁建設向著高質量發(fā)展提供了重要支撐，并且發(fā)展?jié)摿薮蟆⒂绊懮钸h。 目前，城市橋梁中常用的新材料類型、優(yōu)點及應用領域見表1。

表1 城市橋梁工程常用新材料的類型、優(yōu)點及應用場景

在充分挖掘新材料優(yōu)點的同時，還應注重其應用領域。 重點把握不同建設條件下橋梁工程的重難點， 有側重點地使用新材料，深入探究和分析新材料的成本、可靠性及后期管養(yǎng)維護的可操作性，揚長避短，不斷激發(fā)、釋放新材料的優(yōu)勢潛力，管控新材料的經濟合理性及安全性， 為橋梁建設提供更加先進、安全、可持續(xù)的解決方案。

3 基于新材料的城市橋梁創(chuàng)新設計思路

3.1 橋梁結構形態(tài)優(yōu)化

新材料優(yōu)異的力學結構性能， 讓設計摒棄常規(guī)固有結構選型并大膽嘗試更加輕盈、富有強烈藝術形態(tài)成為可能。 相較于傳統(tǒng)材料，新材料更易于加工成復雜形狀，為橋梁外形設計的創(chuàng)新和獨特性提供了落地性支撐。 此外，新材料還兼?zhèn)錁O佳的耐久性和耐腐蝕性，該性能拓寬了新結構、新材料的應用范圍，為橋梁結構或形態(tài)優(yōu)化提供了可靠性保障。

3.2 材料的優(yōu)化選擇與組合

在橋梁設計中， 新材料的特性和性能差異使設計可以靈活選擇和組合不同材料。 例如，在實際工程中，選擇高強度材料用于承受大荷載的關鍵部位； 選擇耐腐蝕材料應對海岸地區(qū)的腐蝕環(huán)境。 通過合理選擇和組合這些材料，可以充分發(fā)揮其特點，提高橋梁的整體性能。 同時加強材料的優(yōu)化選擇與組合和可持續(xù)性的關系。 在橋梁設計中，選擇能耗較低和對環(huán)境影響較小的可再生材料，并與傳統(tǒng)材料相結合，可以降低資源消耗和環(huán)境負荷，推動城市橋梁朝著可持續(xù)的方向發(fā)展。

4 橋梁工程新材料

4.1 高性能混凝土

在城市橋梁領域， 應用較為廣泛的高性能混凝土尤以超高強韌性混凝土（USFRC）、超高韌性混凝土（STC）為代表。 以STC 為例， 該材料現已逐步大面積應用于減小橋面板疲勞應力和提高耐久性的鋼橋面正交異性板鋪裝層。 廣東省交通運輸廳于2015 年發(fā)布了GD JTG/T A01—2015 《超高性能輕型組合橋面結構技術規(guī)程》，深圳市SJG 71—2020《橋梁工程設計標準》第5.2.2 節(jié)亦做出了明文推薦。

以深圳市某在建山地橋梁為例。道路起終點高差達47 m，且路線整體位于現狀生態(tài)林地范圍， 路線平面展線需嚴格控制在規(guī)劃線位范圍內， 導致路線起點區(qū)段需布置縱坡達4.37%、曲率半徑僅49.0 m 的橋梁，同時，受工期限制，橋梁擬考慮采用鋼箱梁結構。

根據橋梁建設的前置條件， 為解決正交異性鋼橋面的耐久、耐疲勞問題，緩解大縱坡、小半徑車輛荷載的離心力、汽車制動力對于橋面鋪裝損傷影響， 結合廣東省及地方性標準的相關要求， 該項目橋梁鋪裝考慮并采用了超高韌性混凝土STC25 方案， 其各項力學性能均顯著高于常規(guī)普通C50 混凝土。 具體橋面鋪裝材料力學性能對比見表2。

表2 橋面鋪裝材料力學性能對比表

對于該類材料，廣中江高速龍溪互通A 匝道橋、深圳崗廈北鋼橋、 佛江高速FJ-S03 標H 匝道橋等一批中大型橋梁均已采用，并取得了較好的工程效益，其安全性、可靠性已經通過檢驗。該新材料的應用大幅提高了橋面剛度，有效改善了瀝青面層的受力狀態(tài)；良好的溫度穩(wěn)定性，在改善瀝青面層工作條件的狀況下，大幅度降低了黏結層失效、車轍、推移等破壞風險[1]；不斷減小了鋼面板和加勁肋在輪載下的應力， 更大幅提高了鋼橋面的抗疲勞壽命， 高密實性和良好的耐久性根本性地解決了鋼橋面板的防腐問題。 其在橋梁工程中的應用效益發(fā)揮出了傳統(tǒng)的材料所無法達到的效果。對于鋼橋來說，采用該材料“一勞永逸、一舉多得”的解決方案，將會逐步引領橋梁鋪裝發(fā)展新趨勢。

4.2 纖維增強聚合物（FRP）

工程上常用的纖維增強聚合物材料包括玻璃纖維增強聚酯（GRP）、碳纖維增強聚合物（CFRP）、芳綸纖維增強聚合物（AFRP）等。目前，在橋梁工程中，尤以玻璃纖維、碳纖維增強聚合物應用較為廣泛， 其中， 玻璃纖維增強聚合物一般用于常規(guī)鋼橋面鋪裝、高橋臺回填土工格柵中。 其作為加筋材料，具有良好的抗拉強度，能夠有效抵御填土體受力時產生的拉伸力，提高填土體的強度和穩(wěn)定性。 此外，玻璃纖維具有較好的柔韌性和抗震性能。

而碳纖維增強聚合物多用于橋梁加固工程中， 利用其高強度和高剛度優(yōu)點，將其貼在需要加固的結構表面上，并使用專用黏合劑進行連接，可以有效避免結構裂縫、變形問題，提高結構的承載能力和抗震性的同時，延長橋梁使用壽命。

無論是玻璃纖維、碳纖維還是芳綸纖維增強聚合物，其作為一種復合新型材料，目前已在大跨度建筑、鋼管混凝土結構、組合梁板、人行天橋等領域得到了前瞻性應用，對于城市橋梁而言，其應用相對簡單且成熟。但是，隨著FRP 結構的相關基本理論和設計方法逐步成熟， 其材料優(yōu)勢將會進一步擴大至橋梁工程中的其他領域，也勢必在包括梁在內的各構件中逐步得到廣泛應用。

4.3 輕質土

工程領域，特別是橋梁工程中，輕質土的應用多以氣泡混合輕質土為主， 其是將制備的氣泡群按一定的比例加入由水泥、水及可添加材料制成的漿料中，經混合、攪拌、現澆成型的一種微孔類輕質材料。 根據不同的工程需要，一般氣泡混合輕質土的重度和強度可分別在3～15 kN/m3及0.3～10 MPa 范圍內調整。 具體各回填材料主要性能詳見表3。

表3 氣泡混合輕質土材料力學性能對比表

根據定義可知，輕質土具備如下特點：（1）多孔、輕質；（2）良好的流動性，可自流平；（3）構筑成型后可實現自立（即側土壓力極?。?；（4）材料重度和強度的可調節(jié)性；（5）流動屬性帶來的施工便捷性；（6）幾乎等同于混凝土材料的耐久性[2]。

同樣以深圳市某橋梁為例， 該項目橋梁整體線位與現狀地鐵車站平面重疊，因外部環(huán)境制約，橋臺處需進行最大高度達7.48 m 的臺背回填， 且回填范圍與現狀地鐵車站結構重疊面積約910.54 m2。 橋臺填土與地鐵車站立面關系圖詳見圖1。

圖1 橋臺填土與地鐵車站立面關系圖

根據現狀地鐵安全運營保護區(qū)的相關規(guī)定， 新建工程對現狀地鐵建構筑物的附加荷載不得大于5.0 kN/m2。 根據上述要求，按7.48 m 的最大填筑高度，回填材料最大重度不得大于0.66 kN/m3。 基于此，僅可考慮采用氣泡混合輕質土。

為有效保證道路路面結構的最低設計標準， 設計考慮采用部分挖除車站頂原有覆土， 換填氣泡混合輕質土的實施方案。 按照附加荷載不大于5.0 kN/m2的總體設計原則，根據橋臺填土高度的變化， 設計沿道路縱向按臺階開挖方式換填現狀車站頂部分覆土。 其中， 氣泡混合輕質土采用重度等級為W4、標準濕重為4.0 kN/m3的建設方案。 經詳細核算并報地鐵安保審查，該方案已批準實施。

該氣泡混合輕質土在橋梁建設環(huán)境嚴重受限、 外部附加荷載要求極其苛刻的情況下得以順利使用， 充分展現了其可以大幅降低填土荷載、減少地基的附加應力的特點，同時還有效緩解了橋臺與臺背路基的剛性突變， 消除了填料自身的工后沉降問題[3]。 其施工自動流平密實，完全解決了臺背壓實難的問題，施工適應性極強。 此外，制造輕質土所需的能源和水資源都比傳統(tǒng)的建筑材料少很多， 兼顧生態(tài)環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展。 該材料將在橋梁建設中發(fā)揮越來越不可替代的作用。

5 結語

本文通過研究和分析， 深入探討了城市橋梁工程新材料的應用潛力、發(fā)展前景及實際的應用情況，梳理了新材料對于城市橋梁工程建設減輕橋梁自重、提高承載能力、延長使用壽命和減少維護成本等方面具有的優(yōu)勢， 并提出未來應進一步加強探索新材料的性能和應用、完善設計理論、改進施工技術和工藝，以不斷提升城市橋梁的質量、安全性和可持續(xù)性。