回顾近年来我国大跨钢桥的建设成就和技术进步、高性能桥梁用钢的研发和应用、桥梁新的组合形式与体系、3D打印钢桥雏形、正交异性钢桥面和高强铆钉等多方面的进展，对相关问题做了综合分析。我国大型钢桥跨进世界行列大跨悬索桥年4月建成通车的广东省南沙大桥(虎门二桥)坭洲水道桥，以主跨米超越了浙江省舟山西堠门大桥(主跨米)，跻身世界悬索桥的第二跨度；年10月建成通车的湖北省武汉杨泗港长江大桥（图1），以主跨米成为悬索桥新的第二跨度。南沙大桥坭洲水道桥和杨泗港长江大桥的主缆均采用抗拉强度MPa的高强钢丝制作。前者为八车道公路正交异性桥面钢箱梁悬索桥，钢箱梁全宽49.7米，高4.0米；后者为十车道与双自行车道的双层正交异性桥面(采用新型厚边U肋桥面)钢桁梁悬索桥，桁梁宽32.5米，高10米，采用了低屈强比的桥梁钢材。图1杨泗港长江大桥及其钢桁梁与上层桥面大跨斜拉桥江苏省沪通长江大桥为连接张家港与南通的主跨米公铁两用双层桥面斜拉桥；上层为双向六车道公路，下层为四线铁路；钢桁梁部分采用QqE级高强桥梁结构钢；斜拉索采用抗拉强度MPa的高强平行钢丝束；桥塔高米。桥梁主体已经建成，将成为世界第二跨度斜拉桥和第一跨度公铁两用斜拉桥。图2沪通长江大桥大跨拱桥我国在年建成世界第一跨度拱桥重庆朝天门长江大桥(主跨米)、年建成上海卢浦大桥(主跨米)、年建成四川合江波司登大桥(钢管混凝土桁架拱桥，主跨米)后，年又建成湖北秭归长江大桥，主跨米(主孔两过渡墩之间长度.2米)的四车道公路钢桁架拱桥，成为世界拱桥的第四跨度，使我国囊括世界拱桥跨度的前四位。在铁路拱桥方面，我国在年建成米的南广铁路广东省肇庆西江大桥、年建成米的沪昆高铁贵州省晴隆北盘江大桥后，主跨米的云南大理至瑞丽铁路怒江大桥(图3)主体结构已经建成，即将通车。该桥为提篮式上承钢桁拱桥，拱上采用14×32.7米连续钢箱梁铺设道砟桥面，桥面宽24.9米，四线铁路，用钢量4.6万吨，是世界第一跨度铁路拱桥。此外，年12月建成通车的成都至贵阳高铁跨越黔西县鸭池河大桥，采用中承式提篮拱桥，混凝土部分外包钢桁架拱，主跨米。由此，我国囊括世界铁路拱桥跨度的前四位。图3大瑞铁路怒江大桥高桥年，云南与贵州交界建成跨度米的世界第一高桥——杭瑞高速公路都格北盘江大桥，桥面离谷底米；同年，湖北建成跨度米的世界第二高桥——沪渝高速公路四渡河大桥，桥面离谷底米。年底建成通车的贵州省余庆至安龙高速公路平塘大桥两主跨均为米的组合梁高桥塔斜拉桥，桥梁全宽30.2米，双向四车道，桥塔高度米，为世界第二高塔斜拉桥。优美而复杂的新首钢大桥以优美而复杂为突出特点的北京新首钢大桥(图4)位于北京长安街西延线上，横跨永定河。桥梁为两塔五跨钢箱梁斜拉桥，主跨米，桥宽54.9米，双向八车道；钢桥塔为空间复杂曲面倾斜拱形高低塔，高低塔在桥面以上高度分别为.2米和65.9米；高塔南北塔柱角度分别为71.1度与61.3度，低塔南北塔柱角度分别为74.6度与58.4度，高低塔的塔柱在塔底中心的纵向间距均为25.1米；塔柱扭曲度由塔底至塔顶递增，断面尺寸递减。桥梁总用钢量达到难以想象的4.5万吨(超过国家体育场“鸟巢”4.2万吨的用钢量)。据说，大桥设计采用“和力之门”寓意，从桥梁美学设计角度看，两座拱形桥塔分别向东、西两侧倾斜，从高空俯瞰，犹如两个面对面席地而坐的拔河健儿，脚抵着脚，手拉着手，各自向后用力拉伸，就像一座兼具力与美的钢铁艺术品。图4北京新首钢大桥及其桥塔曲面制造单元材料加持提高钢桥经济性高强钢与高强钢丝的研发与应用高强钢具有减少用钢量、减少焊接工作量、节省运费、减轻结构自重等优势，能够带来可观的社会经济效益。随着冶金技术的发展，钢材性能不断提高，各国家和地区定义的高强钢名义屈服应力也在不断提高：欧洲Eurocode3规范规定为～MPa；澳大利亚AS规范规定为MPa；我国香港规范定义为～MPa。年，“十三五”国家重点研发计划“高性能桥梁用钢”项目研制的MPa级桥梁钢通过专家评审。高强度钢应用在桥梁中会导致钢板厚度降低，其稳定性将更为显著。针对高强度结构钢抗震应用问题的研究表明，随钢材强度提高，其伸长率下降、屈强比提高且延性变差，这将阻碍高强度结构钢在抗震结构中的应用。此外，对Q钢在高温下的强度和弹性模量进行了研究，结果表明，Q钢的力学性能随温度升高而降低，其高温下的强度折减率系数低于普通结构钢。综上所述，高强度钢的应用可以为桥梁结构进一步发展奠定基础，但是，其应用带来的稳定问题、抗震问题和耐火问题需进一步研究。除高强钢板外，高强钢丝也能提高结构效率，进一步增加桥梁跨越能力。国内外在高强钢丝的研制上投入了大量精力，已发展了元素调控和冶炼工艺等高强钢丝制造手段。如前所述，主跨米的南沙大桥坭洲水道桥，采用比常规悬索桥主缆强度更高的MPa级热镀锌铝合金镀层钢丝，钢丝用量减少量达11%，成本大幅降低；杨泗港长江大桥同样采用了MPa高强钢丝，也节约了工程造价。此外，沪通长江大桥在我国首次采用直径7.0毫米的MPa镀锌高强钢丝束，拉索用量有所减少，同时也成为大跨桥梁应用最高强度钢丝缆索的新起点。耐候钢的研发与应用据统计，全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约达0亿美元，其中我国因金属腐蚀造成的损失占国民生产总值的4%。钢桥在运营期内持续受到腐蚀作用，而耐候钢的出现在一定程度上解决了此问题。耐候钢也称为耐大气腐蚀钢，它是在钢材中添加磷、铜、铬、镍等微量元素，使其表面形成致密和附着性强、50μm～μm厚的非晶态尖晶石型氧化物层保护膜，阻碍锈蚀向内部扩散和发展，保护锈层下面的基体，减缓腐蚀速度，提高钢材的耐大气腐蚀能力。耐候钢是现代冶金新技术、新工艺得以持续发展和创新的钢材系列。研究表明，耐候钢也会发生锈蚀，但其所含合金元素会增加锈蚀层中α-FeOOH含量，导致锈蚀层稳定，从而减慢腐蚀速率。与普通钢桥相比，免涂装耐候钢桥梁不仅能节约建造成本、建造时间和维护成本，还能带来巨大的环境效益，在发达国家使用已经超过半个世纪。美国的耐候钢桥梁约占钢桥数量的50%，其中也包括年建成的第一跨度拱桥新河谷大桥(主跨米)。实践表明，免涂装耐候钢桥梁在使用过程中存在均匀腐蚀问题，其受腐蚀程度不仅与环境相关，还与桥梁部位有关；各发达国家已对免涂装耐候钢桥梁腐蚀问题进行了相应考虑和规定。此外，局部凹坑也有较大的腐蚀作用，将导致耐候钢疲劳性能下降。因此，研究耐候钢在坑蚀作用下的疲劳性能，有助于评估免涂装耐候钢桥梁的腐蚀-疲劳寿命。近年来，我国已经有多座桥梁采用免涂装耐候钢。年建成的河北怀来官厅水库公路大桥主桥为跨度米悬索桥，主梁采用钢的纵横梁与混凝土桥面板组合结构，其中钢梁采用免涂装耐候钢。正在建设中的拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥，桥梁为跨度米的中承式提篮钢管混凝土拱桥，其中桥梁主要钢材采用QqENH和QqENH免涂装耐候钢。可以预测，我国将建设更多的免涂装耐候钢桥梁。高性能钢材冶炼制备的进展传统认识中，含碳量增加可以提高钢材的强度，但会使钢材塑性和韧性降低，同时还会影响钢材的焊接性能。近年来，高性能钢制备工业逐步出现各类在不增加含碳量的基础上，加入其他元素来提高钢材强度的方法，即微合金化。综合Al、Mn和C元素对高强钢性能的影响，表明添加Al、Mn和C元素将使得钢材的冶炼、加工、显微组织演变和变形机制等与常规钢种大不相同，有助于推动低密度高强钢的发展。此外，通过各种处理工艺也能够改变钢材的性能。通过晶格错配和高密度纳米析出的概念设计，在实验室条件下制备出屈服强度MPa的超高强度马氏体时效钢，同时保持了良好的塑性(约8.2%)。因此，通过研究和应用合金元素、各种处理工艺和晶格错配设计等技术，能够进一步突破钢材的性能限制，并有望在钢桥中加以应用，从而进一步提高桥梁承载和跨越能力。此外，我国已经研制QqE、QqENH和滨海耐候桥梁钢材QqENHY等。平潭海峡大桥铁路横梁上翼缘采用轧制复合工艺的36毫米的QqD和3毫米的L不锈钢复合板，解决其防腐问题。多种优化组合结构与体系钢桁梁与混凝土刚构组合体系桥梁为提高混凝土刚构桥的刚度、解决刚构桥后期下挠等问题，年主体建成的银西高铁漠谷河2号大桥主桥为(97+2×+97)米孔跨，其中两孔米孔跨采用钢桁梁加强混凝土连续刚构桥的形式，形成钢桁梁与混凝土连续刚构组合体系桥梁(图5)。这种桥梁设计理念与钢拱和混凝土连续刚构的组合桥梁类似，后者如年建成的汉十高铁崔家营汉江大桥，跨度组合为(+2×+)米。钢桁梁与混凝土连续刚构组合体系桥梁，钢桁梁高度相对较低，在增加梁体竖向刚度的同时，也适度提高了梁体的横向刚度，施工建造与后期维修养护更加简便易行。图5银西高铁漠谷河2号大桥主桥两主跨斜拉桥拉索交叉布置形式年建成通车的英国昆斯费里大桥(QueensferryCrossing，又称福斯三桥)毗邻年的福斯铁路桥和年的福斯公路悬索桥，主桥两主跨均为米，是世界最大跨度三塔斜拉桥，采用组合梁，六车道桥面；单索面斜拉索在两主跨跨中一定长度范围内采用交叉布置(如图6)，既能有效地解决了多塔斜拉桥因中间桥塔纵向刚度不足，导致非对称荷载作用下主梁竖向变形较大的问题，又能解决了一般斜拉桥跨中无索区梁段出现的较大轴拉力(甚至导致横向开裂)等问题。这一革新性的拉索布置形式，可望成为斜拉桥设计与研究的热点问题。图6英国昆斯费里大桥钢与FRP组合桥梁早前提出在混凝土中添加复合加强塑料，用以提高混凝土抗拉强度，试验效果显著。该方法是用于FRP混凝土的非轴向强度模型，并通过试验进行了验证。还提出了复合材料对于混凝土梁抗剪性能的提高作用，并提出了相应模型。此外，研究表明，在增加配筋率的条件下，碳纤维增强复合材料板-混凝土组合梁的极限承载力将得到提高，且梁体变形减小。对FRP-钢组合梁桥的连接界面受力特性的研究，采用弹性理论建立了FRP-钢组合梁变形的微分方程，并计入了温度和荷载的影响，有助于连接界面抗剪连接件的合理设计。钢-FRP-混凝土组合梁桥的力学性能和设计方法的研究，指出了弯曲荷载作用下钢-FRP-混凝土组合梁的破坏形态，并提出了组合梁抗弯承载力的计算方法。基于FRP材料的优点，提出了采用FRP材料对钢桥加固的指南。综上，纤维增强复合材料在钢桥中的应用具有优势：极高的强度质量比，能够进一步实现主梁轻量化，同时也为桥梁的加固提供了新方法。此外，FRP材料在解决松弛问题与耐老化问题之后，也可能用于桥梁斜拉索和主缆。3D打印打开钢桥新大门荷兰科技公司MX3D在年正式启动一项基于3D打印的不锈钢桥建设项目，通过3D打印技术和工业机器人制造一座跨度为18m的不锈钢人行桥(如图7)，并计划安装在阿姆斯特丹老城的OudezijdsAchterburgwal运河上。该项目由多家科技公司和业界单位协同开展，目前已完成20吨静力荷载的最终测试，下一步将进行传感器安装，以测试材料性能和结构使用数据。图7MX3D打印钢桥年该项目获得了“荷兰设计奖”(设计研究类)，评审意见提到：“经过多年的耐心等待，MX3D打印的桥梁不仅消除了对数字制造的紧张期待，而且在阿姆斯特丹风景如画的城市中心将改变乌托邦式建筑，3D打印研究的飞跃为建筑和金属行业其他大型和公共应用开启了一扇大门。评审组对看到它将如何被模仿和被引导到何处充满好奇心。项目团队设定了很高的标准，选用了非凡的钢材：一种典型而保守的建筑材料，以其极高静力性能而闻名；设计所获得的形式和材料自由形状隐含着几乎无法想象的意境。”新型工艺提高钢桥面耐久性钢与UHPC组合桥面年阿根廷跨越巴拉那河的公铁两用斜拉桥(跨度为++米)的公路桥面，曾采用在正交异性钢桥面上增加钢筋混凝土板；早期的巴西里约热内卢联邦大学针对里约-尼特罗伊大桥(Rio-NiteroiBridge，米主跨连续钢箱梁桥，年建成)的正交异性钢桥面加固研究中，曾论证过在钢顶板上焊剪力钉与铺设毫米钢筋混凝土层的方法。其他国家多家研究机构陆续开展多项类似研究并投入应用。我国在钢与超高性能混凝土(UHPC)组合桥面的研究应用也取得多项重要进展。因为增设了UHPC层，钢桥面的应力可以减低50%以上，直接改善桥面受力。自年首次在广东肇庆马房北江桥桥面加固改造工程的应用以来，已在60余座桥梁中进一步推广使用。年建成的杭瑞高速公路洞庭湖大桥，为主跨米悬索桥，钢桁梁宽35.4米、高9米，六车道；桥面结构采用12毫米钢顶板上焊接短剪力钉，铺设钢筋网，浇筑40毫米的超高韧性混凝土(STC，经改性和强化的UHPC)和40毫米的磨耗层。研究表明，可望成为终身无需大修的超长寿命桥面结构，建设维护成本大幅度降低。钢桥面U肋双面焊工艺钢桥面顶板与U肋连接焊缝采用内部焊接和外部焊接相结合(简称双面焊)工艺，最早由日本阪神高速道路公司于年提出，同年在日本开始进行相应制造工艺研发（如图8），即在完成外侧75%熔透焊缝后，在U肋内侧采用二氧化碳气体保护焊形成贴边角焊缝。年-年间，日本研究机构所开展的有限元分析表明：采用内焊工艺后，焊根处应力水平降低80%左右；内侧焊缝的焊趾处应力水平为原焊根处应力水平的50%左右。年，我国研发的U肋内焊技术，完成包含U肋内焊(CO2气保焊)在内的全自动生产线，在顶板与U肋焊缝自动化制造中加入双面焊接技术。此后，对工艺进行改进：首先采用细丝埋弧工艺实现U肋内焊，然后在U肋外侧采用埋弧焊工艺(船形位或平位)施焊。利用双面埋弧焊熔深大的优势，该工艺基本实现U肋腹板免开坡口的全熔透焊接，与U肋双面气保焊工艺相比，生产工效得到了提高。目前该技术已应用到湖北嘉鱼长江公路大桥、湖北武汉青山长江大桥等多座桥梁。图8钢桥面U肋内焊机器人和双面焊的焊缝形态厚边U肋正交异性钢桥面厚边U肋正交异性钢桥面的设计与研究理念是：在不改变U肋总体形态的前提下进行端部局部镦厚，以增大可焊接熔深，从而提高钢桥面顶板与纵肋连接焊缝的疲劳强度(如图9)。年研究团队对厚边U肋钢桥面进行了较为详细的试验研究，研究表明：厚边U肋的使用有效地提升了该焊缝的疲劳强度，其应用能够延长钢桥面的使用寿命。相关研究成果现已纳入行业标准《桥梁钢结构用U形肋冷弯型钢》，并应用到四川成都凤凰山高架桥、北京三元新桥、山西太原五一路桥、浙江湖州五一大桥、浙江鱼山大桥、北京首都环线大桥和年通车的湖北武汉杨泗港长江大桥(主跨米双层桥面悬索桥，共使用近0吨)等工程中。图9厚边U肋钢桥面焊后退火处理的正交异性钢桥面正交异性钢桥面是钢桥主要的桥面形式，但由于其纵肋与横肋数量较多，且焊接细节复杂、焊缝数量庞大，在焊接过程中不可避免会产生大量的焊接残余应力。现有的理论和试验研究表明：焊接残余拉应力是影响正交异性钢桥面连接焊缝疲劳性能的重要因素之一。如何消除正交异性钢桥面焊接残余应力，已成为保证其正常服役亟待解决的难题。借鉴压力容器等行业的做法，焊后在退火炉中作退火处理工艺，是消除焊接残余应力的有效方法，用以细化钢材经焊接后出现的粗大过热组织与消除焊接残余应力。一般焊后退火工艺分为三个过程：即加热、保温、冷却。其中主要的处理工艺参数含有加热速度、保温时长与冷却速度等。当焊件升温至一定温度后，能够产生由蠕变引起的应力松弛，并产生晶粒细化，从而消除由于晶格畸变产生的应力。关于焊后退火钢桥面疲劳性能研究，通过足尺模型对比疲劳试验的初步研究表明，焊后退火工艺能够提高钢桥面多种焊缝与构造细节的疲劳性能。有前景的高强铆钉连接高强环槽铆钉也称高强铆钉、锁紧螺栓、胡克铆钉等，从上世纪30年代发明以来不断改进与完善，在欧美多国已广泛应用到铁路机车、车辆、钢轨接长或钢轨与道岔连接、空客飞机、宝马汽车和其他机械设备等。我国从年开始引进和研发环槽铆钉，用于铁路货车制造。美国、捷克、法国和德国等少数国家已经将高强铆钉用于老式铆接钢桥的改造加固和新桥建设中。高强铆钉有如下突出优点：第一，钉杆的铆接环槽与套环双侧、垂直密贴接触，锚固牢靠，特别是在交变荷载作用下，防松动性能极高；第二，钉杆仅受轴向应力，其失效模式为纯拉简单应力状态的断裂，强度比同时受拉与受剪的复杂应力状态下强度更高，无延迟断裂问题；第三，铆接操作用时少，每钉铆接在10秒以内；第四，使用寿命长、免维护。鉴于目前桥梁中有用少数高强螺栓存在延迟断裂等问题，高强铆钉有望部分替代高强螺栓应用在钢桥中。年，研究团队对高强铆钉接头承载力和钉群效应问题，进行初步对比试验和理论研究，研究表明，高强铆钉可以部分替代高强螺栓。年底，四川省成都天府国际机场高速公路钢混组合梁桥第一次采用高强铆钉连接(如图10)。图10高强铆钉和成都天府国际机场高速公路钢混组合梁桥接头本文刊载/《桥梁》杂志年第2期总第94期作者/郑凯锋衡俊霖冯霄旸作者单位/西南交通大学
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