創(chuàng)新發(fā)展的中國橋梁工程

王嘉煒 馮偲玫 劉嘉莉 蘇詩瑋

摘 要：本文通過對(duì)我國橋梁工程發(fā)展歷程的回顧，介紹了改革開放30年以來我國橋梁在工程材料、勘察、設(shè)計(jì)、施工、管養(yǎng)等方面的新技術(shù)，并對(duì)我國未來橋梁技術(shù)的發(fā)展方向做了展望。

關(guān)鍵詞：中國橋梁; 發(fā)展歷程; 創(chuàng)新技術(shù); 信息化

中圖分類號(hào)：TU45? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2020）11-183-002

1.中國橋梁的發(fā)展歷程

千百年來，橋梁已經(jīng)成為人們的生產(chǎn)和生活中必不可少的組成部分，一座座造福民生的幸福橋屹立在祖國大地上。南京長江大橋是長江上第一座由我國自行設(shè)計(jì)和建造的雙層式鐵路、公路兩用橋梁，是中國橋梁建設(shè)的重要里程碑，具有極大的政治、經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義，被人們稱為“爭氣橋”。隨后，中國橋梁在吸收國際先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)“世界之最”，世界上最長的跨海大橋——港珠澳大橋，世界上第一高橋——北盤江大橋，全球最佳橋梁——膠州灣大橋，都出自中國。改革開放以來的40年，是中國橋梁發(fā)展的黃金時(shí)期，走過了三個(gè)階段，即20世紀(jì)80年代的學(xué)習(xí)與追趕、90年代的跟蹤與提高以及21世紀(jì)以來的創(chuàng)新與超越發(fā)展階段。20世紀(jì)80年代到90年代是第一階段，在拱橋方面出現(xiàn)了兩種新型結(jié)構(gòu)，以四川旺蒼東河橋?yàn)槔匿摴芑炷凉皹蚝鸵允徍獫蓸驗(yàn)槔臒o風(fēng)撐的下承式拱橋，反映出我國的橋梁行業(yè)在積極向國際的新潮流邁進(jìn)。90年代初，我們努力學(xué)習(xí)和追趕國外橋梁的建設(shè)成就，1991年開工的上海楊浦大橋就是一次攀登，主跨602米的結(jié)合梁斜拉橋在1994年建成時(shí)居世界斜拉橋跨度之首，現(xiàn)名列第三。隨后建成的江陰長江大橋，成為了中國首座跨徑超千米——1385米的懸索橋梁，標(biāo)志著中國正走向世界橋梁強(qiáng)國之列。在拱橋方面，建成的四川萬縣長江大橋成為了繼武漢長江大橋和南京長江大橋后我國橋梁行業(yè)的又一里程碑。21世紀(jì)以來，我們橋梁的建造水平有了進(jìn)一步的提高和突破，我國橋梁行業(yè)的工作者積極主動(dòng)地發(fā)揮了創(chuàng)新和超越精神，建造了全球首座超千米跨徑斜拉橋——蘇通長江公路大橋;世界總體跨度最長、鋼結(jié)構(gòu)橋體最長、海底沉管隧道最長的港珠澳跨海大橋。這些橋梁的突出成就讓我國成為了名副其實(shí)的橋梁大國。

截至2017年年底，中國已建成的橋梁數(shù)量超過83萬座，獲得了全世界對(duì)中國橋梁工程的認(rèn)可?！?1世紀(jì)的橋梁看中國”，已是世界橋梁建筑領(lǐng)域公認(rèn)的觀點(diǎn)，中國橋梁在中國乃至世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的巨大作用和意義，充分展示出了中國橋梁建設(shè)者用智慧與創(chuàng)新打響的中國名片。

中國橋梁產(chǎn)業(yè)取得的這些成就離不開我國橋梁技術(shù)“集成-發(fā)展-創(chuàng)新”的發(fā)展規(guī)律，中國橋梁建設(shè)之所以取得突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，主要在五個(gè)方面的技術(shù)上進(jìn)行了發(fā)展創(chuàng)新。

2.材料技術(shù)創(chuàng)新

俗話說“巧婦難為無米之炊”，材料是一切工程的基礎(chǔ)，特大橋梁的建設(shè)離不開材料技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新。到目前為止，中國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)能在國內(nèi)生產(chǎn)高強(qiáng)度的混凝土、鋼材、復(fù)合材料和智能材料，其中某些材料的生產(chǎn)技術(shù)也處于世界領(lǐng)先水平。

滬通長江大橋是主跨度超千米的公鐵兩用橋，屬于特大橋，載重量非常大，而在此之前我國生產(chǎn)的最高強(qiáng)度級(jí)別的橋梁鋼是Q420qE，不能滿足如此高荷載的設(shè)計(jì)要求。在多方專家研討攻關(guān)后，最終在國內(nèi)首次采用了Q500qE級(jí)高強(qiáng)度鋼及2000MPa級(jí)斜拉索新型材料。

除了傳統(tǒng)建筑材料，新型材料的使用使得橋梁建設(shè)如虎添翼，如有記憶、自我修復(fù)功能的智能材料，這種材料有記憶合金、壓電材料、光導(dǎo)纖維、自修復(fù)智能混凝土等，它們使得橋梁像生物一樣具有了一定的自我檢測(cè)和愈合功能，在橋梁建設(shè)和加固工程中的研究和應(yīng)用已逐步開展。北盤江大橋是一座懸索式高架公路橋，橫跨號(hào)稱“世界大裂縫”的花江大峽谷，建設(shè)期間需要克服山巒疊嶂、溝谷縱橫、地質(zhì)復(fù)雜、氣候惡劣等重重困難，為了有效避免傳統(tǒng)混凝土施工中可能出現(xiàn)的空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量問題，降低施工難度，節(jié)約施工成本，北盤江大橋在建設(shè)過程中研發(fā)了能夠自己流動(dòng)均勻填密的“智慧”混凝土，這種混凝土具有高流動(dòng)性和良好的抗離析泌水能力，不光能保持干稠混凝土的良好性能，而且僅靠自身重力就能均勻密實(shí)地填充成型。

3.勘察技術(shù)創(chuàng)新

勘察技術(shù)是橋梁工程發(fā)展的先決條件，在施工前，通過勘察對(duì)地形、地質(zhì)構(gòu)造、地下資源蘊(yùn)藏情況等進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。面對(duì)著浩瀚、一望無際的大海或者深不見底的峽谷，傳統(tǒng)的以人工、經(jīng)驗(yàn)為主的勘察和測(cè)量手段需要勘察設(shè)計(jì)人員跨越山區(qū)、在地形復(fù)雜的條件下進(jìn)行工作，往往既艱苦又困難，無法適應(yīng)在復(fù)雜地形地貌下的勘察任務(wù)。目前，在復(fù)雜工程上，我們主要應(yīng)用遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代空間信息技術(shù)來進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的獲取和分析，為我國橋梁的建設(shè)提供準(zhǔn)確和充分的地質(zhì)地形資料。無人機(jī)攝影技術(shù)為勘察和設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)判讀數(shù)據(jù)，方便獲取海域或者峽谷等工作人員無法到達(dá)的地方的影像資料，再利用影像處理軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后就可以獲得高質(zhì)量、準(zhǔn)確性好的測(cè)繪圖。比如杭州灣跨海大橋不再采用傳統(tǒng)的測(cè)量儀器，而是采用了全球定位系統(tǒng)（GPS），借助船體臨時(shí)參考坐標(biāo)系及樁身與樁架的相對(duì)位置關(guān)系，通過GPS系統(tǒng)，可以把握兩個(gè)樁位設(shè)計(jì)與實(shí)際之間偏差，實(shí)現(xiàn)GPS系統(tǒng)對(duì)鋼管樁的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新

設(shè)計(jì)是橋梁工程的靈魂，是設(shè)計(jì)理念與技術(shù)的完美結(jié)合。我國橋梁設(shè)計(jì)理念日益完善，從注重施工質(zhì)量的可靠性設(shè)計(jì)向統(tǒng)籌考慮工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營維護(hù)的全壽命周期理念轉(zhuǎn)變。在橋型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，中國工程師研發(fā)了適用于當(dāng)?shù)貤l件的技術(shù)。包括各種創(chuàng)新橋型，比如港珠澳大橋的橋島隧組合的設(shè)計(jì)。伶仃洋海域中的主航道受到航空領(lǐng)域的建筑物高度限制只能采用隧道，其他部位采用橋梁則更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，為了實(shí)現(xiàn)橋梁與隧道之間的轉(zhuǎn)換，選擇在隧道兩端修建人工島，這就構(gòu)成了港珠澳大橋的橋島隧相結(jié)合的建設(shè)方式;還包括各種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如擁有世界高度的矮寨特大懸索橋，設(shè)計(jì)采用塔梁分離式懸索橋結(jié)構(gòu)，它的索塔位置距懸崖邊緣僅70-100米，下面就是萬丈深淵。不同于一般懸索橋設(shè)計(jì)中的塔與梁相接，矮寨特大懸索橋大橋設(shè)計(jì)因地制宜，大橋兩個(gè)索塔分別立于兩岸的山頭上，兩端分別與路面或者山體的隧道相接。這種橋梁設(shè)計(jì)不僅最大限度地減少了對(duì)山體的開挖，節(jié)省了投資，還實(shí)現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)與自然景觀的完美融合。

5.施工技術(shù)創(chuàng)新

中國擁有不同施工條件下各類型橋梁的施工技術(shù)，隨著自動(dòng)化水平、生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性的不斷提升，橋梁行業(yè)的施工創(chuàng)新技術(shù)正迅速發(fā)展。比如馬鞍山長江大橋左汊主橋位處河床寬、流速快的長江水道，跨江主體部分長達(dá)11.209千米，施工難度可想而知。大橋的中塔上塔柱高127.8米，這個(gè)高度不亞于古詩中“危樓高百尺，手可摘星辰”，超高索塔施工導(dǎo)致普通的塔吊無法滿足其起重量和高度的施工要求[2]，我國自主研制的5200t塔式起重機(jī)解決了這一難題，標(biāo)志著我國的超高橋塔的施工技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

杭州灣跨海大橋的灘涂區(qū)采用“整孔預(yù)制架”新技術(shù)[3]，這種技術(shù)通俗來說就像拼搭積木一樣，提前制造好合適的積木塊，然后將積木塊拼接在一起組成橋梁主體。杭州灣跨海大橋就是提前在梁場制造好與橋面寬度等同的箱梁頂板，然后將這些頂板運(yùn)到海上提前建好的橋墩上進(jìn)行拼接。杭州灣是我國潮水落差最高的地方，怎么將這個(gè)“積木塊”拼接呢？杭州灣跨海大橋的技術(shù)人員采用了大型平板車梁上運(yùn)梁的工藝，去拼接“積木塊”，這種方法是通過提升站將箱梁放至大型運(yùn)梁車上，再采用1350t大型運(yùn)梁車將箱梁運(yùn)至待架位置。

貴州北盤江大橋地處高原邊界深山地區(qū)，跨越河谷深切600米的北盤江“U”形大峽谷，地勢(shì)十分險(xiǎn)峻，地質(zhì)條件非常復(fù)雜。當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，風(fēng)大、霧、雨、凝凍等惡劣的自然氣候環(huán)境，這種氣候環(huán)境常常給人一種“云深不知處”的感覺，大大影響了工程吊裝技術(shù)。因此，該工程創(chuàng)新運(yùn)用了縱移懸拼技術(shù)對(duì)鋼桁梁節(jié)段進(jìn)行吊裝。這種技術(shù)是把長達(dá)12米、重160噸左右的鋼桁梁節(jié)段在地面整體拼接完成后，通過吊機(jī)進(jìn)行整體吊裝。由于鋼桁梁節(jié)段均是在地面拼接完成后，再進(jìn)行整體吊裝，對(duì)比傳統(tǒng)在空中一節(jié)節(jié)拼接的工藝而言，安全系數(shù)更高，也更加方便。

6.橋梁監(jiān)測(cè)和管養(yǎng)技術(shù)創(chuàng)新

隨著橋梁工程建設(shè)的快速發(fā)展，保證橋梁長期運(yùn)行和使用過程中的安全、穩(wěn)定的是擺在我國橋梁建設(shè)工作者前面的重大挑戰(zhàn)，解決這一問題的關(guān)鍵在于采取有效的手段監(jiān)測(cè)和評(píng)估橋梁的安全狀況[4]，對(duì)橋梁進(jìn)行及時(shí)和有效的管養(yǎng)操作。

橋梁在建成通車后的20到30年之間，往往就進(jìn)入了“高齡期”和“病發(fā)期”，對(duì)橋梁的運(yùn)行狀態(tài)不進(jìn)行及時(shí)有效的跟蹤監(jiān)測(cè)，很容易發(fā)生因橋體質(zhì)量不過關(guān)而導(dǎo)致的安全隱患。加上我國橋梁數(shù)量和使用年限日益增長，以人工檢查、手工監(jiān)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)決策為主要依據(jù)的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)和管養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)不能滿足我們橋梁運(yùn)行維護(hù)的要求。在橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)上，信息化技術(shù)和設(shè)備的運(yùn)用提高了監(jiān)測(cè)的速度和準(zhǔn)確性。滬通長江大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括了測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化步驟、硬件設(shè)備集成、數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析和評(píng)定、自動(dòng)預(yù)警的強(qiáng)大功能。大橋的結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)上的人工目測(cè)方法，也趨向集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、深入化。港珠澳大橋的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就結(jié)合了傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集、分析和處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效地保證了施工到橋梁正常運(yùn)行期間的結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性以及橋體的質(zhì)量。在橋梁的管養(yǎng)技術(shù)上，水流流態(tài)變化復(fù)雜的蘇通大橋采用了動(dòng)態(tài)的施工和維護(hù)管理方法，比如對(duì)施工前進(jìn)行地形的掃測(cè)，施工進(jìn)程中利用多波束側(cè)深的方式進(jìn)行拋投量策略。

7.我國橋梁發(fā)展的展望

中國在橋梁工程的技術(shù)創(chuàng)新方面已經(jīng)取得了輝煌成就，但是，在一些基礎(chǔ)理論研究和共性關(guān)鍵技術(shù)尚需突破，橋梁施工的精細(xì)化程度、工業(yè)化、信息化和智能化水平有待進(jìn)一步提高。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型正在興起，全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出智能化、信息化的新發(fā)展趨勢(shì)。新一代信息技術(shù)正在改變?nèi)祟惖纳罘绞?，并給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來了革命性的變化。橋梁建設(shè)和養(yǎng)護(hù)技術(shù)是材料、設(shè)備制造、信息、節(jié)能和環(huán)保等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要載體。因此，在新科技革命和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的浪潮中，與新一代信息技術(shù)的全面融合，促進(jìn)橋梁建設(shè)和養(yǎng)護(hù)技術(shù)全面轉(zhuǎn)型升級(jí)，從而促進(jìn)“第三代橋梁工程”的發(fā)展，是廣大橋梁科研和技術(shù)人員期待的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]周盼，余瓊.杭州灣跨海大橋橋型優(yōu)化方案研究[J]山西建筑，2009，35（25）：315-317

[4]孔文亞，閆志剛.滬通長江大橋科技創(chuàng)新管理[J]鐵道建筑，2017（02）：1-6