創新發展的中國橋梁工程

王嘉煒 馮偲玫 劉嘉莉 蘇詩瑋

摘 要：本文通過對我國橋梁工程發展歷程的回顧，介紹了改革開放30年以來我國橋梁在工程材料、勘察、設計、施工、管養等方面的新技術，并對我國未來橋梁技術的發展方向做了展望。

關鍵詞：中國橋梁; 發展歷程; 創新技術; 信息化

中圖分類號：TU45? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1006-3315（2020）11-183-002

1.中國橋梁的發展歷程

千百年來，橋梁已經成為人們的生產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計和建造的雙層式鐵路、公路兩用橋梁，是中國橋梁建設的重要里程碑，具有極大的政治、經濟和戰略意義，被人們稱為“爭氣橋”。隨后，中國橋梁在吸收國際先進科學技術的基礎上，創造了一個又一個“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，是中國橋梁發展的黃金時期，走過了三個階段，即20世紀80年代的學習與追趕、90年代的跟蹤與提高以及21世紀以來的創新與超越發展階段。20世紀80年代到90年代是第一階段，在拱橋方面出現了兩種新型結構，以四川旺蒼東河橋為例的鋼管混凝土拱橋和以蕪湖元澤橋為例的無風撐的下承式拱橋，反映出我國的橋梁行業在積極向國際的新潮流邁進。90年代初，我們努力學習和追趕國外橋梁的建設成就，1991年開工的上海楊浦大橋就是一次攀登，主跨602米的結合梁斜拉橋在1994年建成時居世界斜拉橋跨度之首，現名列第三。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，標志著中國正走向世界橋梁強國之列。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的又一里程碑。21世紀以來，我們橋梁的建造水平有了進一步的提高和突破，我國橋梁行業的工作者積極主動地發揮了創新和超越精神，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、鋼結構橋體最長、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的橋梁大國。

截至2017年年底，中國已建成的橋梁數量超過83萬座，獲得了全世界對中國橋梁工程的認可?！?1世紀的橋梁看中國”，已是世界橋梁建筑領域公認的觀點，中國橋梁在中國乃至世界經濟社會發展中的巨大作用和意義，充分展示出了中國橋梁建設者用智慧與創新打響的中國名片。

中國橋梁產業取得的這些成就離不開我國橋梁技術“集成-發展-創新”的發展規律，中國橋梁建設之所以取得突飛猛進的進展，主要在五個方面的技術上進行了發展創新。

2.材料技術創新

俗話說“巧婦難為無米之炊”，材料是一切工程的基礎，特大橋梁的建設離不開材料技術的發展創新。到目前為止，中國已經實現能在國內生產高強度的混凝土、鋼材、復合材料和智能材料，其中某些材料的生產技術也處于世界領先水平。

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的最高強度級別的橋梁鋼是Q420qE，不能滿足如此高荷載的設計要求。在多方專家研討攻關后，最終在國內首次采用了Q500qE級高強度鋼及2000MPa級斜拉索新型材料。

除了傳統建筑材料，新型材料的使用使得橋梁建設如虎添翼，如有記憶、自我修復功能的智能材料，這種材料有記憶合金、壓電材料、光導纖維、自修復智能混凝土等，它們使得橋梁像生物一樣具有了一定的自我檢測和愈合功能，在橋梁建設和加固工程中的研究和應用已逐步開展。北盤江大橋是一座懸索式高架公路橋，橫跨號稱“世界大裂縫”的花江大峽谷，建設期間需要克服山巒疊嶂、溝谷縱橫、地質復雜、氣候惡劣等重重困難，為了有效避免傳統混凝土施工中可能出現的空洞、蜂窩、麻面等質量問題，降低施工難度，節約施工成本，北盤江大橋在建設過程中研發了能夠自己流動均勻填密的“智慧”混凝土，這種混凝土具有高流動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地填充成型。

3.勘察技術創新

勘察技術是橋梁工程發展的先決條件，在施工前，通過勘察對地形、地質構造、地下資源蘊藏情況等進行實地調查。面對著浩瀚、一望無際的大海或者深不見底的峽谷，傳統的以人工、經驗為主的勘察和測量手段需要勘察設計人員跨越山區、在地形復雜的條件下進行工作，往往既艱苦又困難，無法適應在復雜地形地貌下的勘察任務。目前，在復雜工程上，我們主要應用遙感、全球定位系統、地理信息系統等現代空間信息技術來進行空間數據的獲取和分析，為我國橋梁的建設提供準確和充分的地質地形資料。無人機攝影技術為勘察和設計提供了準確的地質判讀數據，方便獲取海域或者峽谷等工作人員無法到達的地方的影像資料，再利用影像處理軟件對這些數據進行處理后就可以獲得高質量、準確性好的測繪圖。比如杭州灣跨海大橋不再采用傳統的測量儀器，而是采用了全球定位系統（GPS），借助船體臨時參考坐標系及樁身與樁架的相對位置關系，通過GPS系統，可以把握兩個樁位設計與實際之間偏差，實現GPS系統對鋼管樁的實時監控。

4.設計技術創新

設計是橋梁工程的靈魂，是設計理念與技術的完美結合。我國橋梁設計理念日益完善，從注重施工質量的可靠性設計向統籌考慮工程的設計、施工和運營維護的全壽命周期理念轉變。在橋型和結構設計上，中國工程師研發了適用于當地條件的技術。包括各種創新橋型，比如港珠澳大橋的橋島隧組合的設計。伶仃洋海域中的主航道受到航空領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濟實用，為了實現橋梁與隧道之間的轉換，選擇在隧道兩端修建人工島，這就構成了港珠澳大橋的橋島隧相結合的建設方式;還包括各種創新結構設計，比如擁有世界高度的矮寨特大懸索橋，設計采用塔梁分離式懸索橋結構，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計中的塔與梁相接，矮寨特大懸索橋大橋設計因地制宜，大橋兩個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。這種橋梁設計不僅最大限度地減少了對山體的開挖，節省了投資，還實現了橋梁結構與自然景觀的完美融合。

5.施工技術創新

中國擁有不同施工條件下各類型橋梁的施工技術，隨著自動化水平、生產效率和質量穩定性的不斷提升，橋梁行業的施工創新技術正迅速發展。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塔式起重機解決了這一難題，標志著我國的超高橋塔的施工技術達到了國際領先水平。

杭州灣跨海大橋的灘涂區采用“整孔預制架”新技術[3]，這種技術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，然后將這些頂板運到海上提前建好的橋墩上進行拼接。杭州灣是我國潮水落差最高的地方，怎么將這個“積木塊”拼接呢？杭州灣跨海大橋的技術人員采用了大型平板車梁上運梁的工藝，去拼接“積木塊”，這種方法是通過提升站將箱梁放至大型運梁車上，再采用1350t大型運梁車將箱梁運至待架位置。

貴州北盤江大橋地處高原邊界深山地區，跨越河谷深切600米的北盤江“U”形大峽谷，地勢十分險峻，地質條件非常復雜。當地地質災害頻發，風大、霧、雨、凝凍等惡劣的自然氣候環境，這種氣候環境常常給人一種“云深不知處”的感覺，大大影響了工程吊裝技術。因此，該工程創新運用了縱移懸拼技術對鋼桁梁節段進行吊裝。這種技術是把長達12米、重160噸左右的鋼桁梁節段在地面整體拼接完成后，通過吊機進行整體吊裝。由于鋼桁梁節段均是在地面拼接完成后，再進行整體吊裝，對比傳統在空中一節節拼接的工藝而言，安全系數更高，也更加方便。

6.橋梁監測和管養技術創新

隨著橋梁工程建設的快速發展，保證橋梁長期運行和使用過程中的安全、穩定的是擺在我國橋梁建設工作者前面的重大挑戰，解決這一問題的關鍵在于采取有效的手段監測和評估橋梁的安全狀況[4]，對橋梁進行及時和有效的管養操作。

橋梁在建成通車后的20到30年之間，往往就進入了“高齡期”和“病發期”，對橋梁的運行狀態不進行及時有效的跟蹤監測，很容易發生因橋體質量不過關而導致的安全隱患。加上我國橋梁數量和使用年限日益增長，以人工檢查、手工監測、經驗決策為主要依據的傳統監測和管養技術已經不能滿足我們橋梁運行維護的要求。在橋梁監測技術上，信息化技術和設備的運用提高了監測的速度和準確性。滬通長江大橋的健康監測系統包括了測點的優化步驟、硬件設備集成、數據的自動分析和評定、自動預警的強大功能。大橋的結構振動監測系統改變了傳統上的人工目測方法，也趨向集成化、智能化、標準化、深入化。港珠澳大橋的振動監測系統就結合了傳感器系統、數據收集、分析和處理系統，結構狀態的自動監測系統，有效地保證了施工到橋梁正常運行期間的結構安全性和穩定性以及橋體的質量。在橋梁的管養技術上，水流流態變化復雜的蘇通大橋采用了動態的施工和維護管理方法，比如對施工前進行地形的掃測，施工進程中利用多波束側深的方式進行拋投量策略。

7.我國橋梁發展的展望

中國在橋梁工程的技術創新方面已經取得了輝煌成就，但是，在一些基礎理論研究和共性關鍵技術尚需突破，橋梁施工的精細化程度、工業化、信息化和智能化水平有待進一步提高。

新一輪科技革命和產業轉型正在興起，全球科技創新呈現出智能化、信息化的新發展趨勢。新一代信息技術正在改變人類的生活方式，并給傳統產業帶來了革命性的變化。橋梁建設和養護技術是材料、設備制造、信息、節能和環保等產業發展的重要載體。因此，在新科技革命和產業轉型的浪潮中，與新一代信息技術的全面融合，促進橋梁建設和養護技術全面轉型升級，從而促進“第三代橋梁工程”的發展，是廣大橋梁科研和技術人員期待的機遇和挑戰。

參考文獻：

[1]吳智深，劉加平，鄒德輝等.海洋橋梁工程輕質、高強、耐久性結構材料現狀及發展趨勢研究[J]中國工程科學，2019，21（3）： 31-40

[2]明昕，戴研，明亮.馬鞍山長江大橋右汊主橋邊跨現澆段施工技術分析[J]工程與建設，2015，29（06）：855-857

[3]周盼，余瓊.杭州灣跨海大橋橋型優化方案研究[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新管理[J]鐵道建筑，2017（02）：1-6