浙江省大跨橋梁科技成果回顧及創新發展研究

安風明，陳 多

(浙江省交通規劃設計研究院有限公司 杭州市 310030)

0 引言

進入新世紀以來，為了進一步加快發展地區經濟，浙江省內大力投資交通基礎設施，遇山開路、遇水架橋，省內公路橋梁建設迎來一個又一個發展高峰期。由于浙江多山地、多海灣、多軟土的地形特點，橋梁發展也呈現出多跨海工程、多大跨徑橋梁的特點。

浙江素有“萬千橋隧”之省的美譽，截止2018年底，橋梁總數達到了5萬余座，2008年，杭州灣跨海大橋通車，斬獲了“菲迪克年度工程杰出項目獎”。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，中國的橋梁建設技術又實現了多個“首創”。

近20年來，浙江省橋梁科技創新水平不斷取得新的突破，依托浙江省交通廳科技項目《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的發展歷程入手，對近年來公路橋梁工程的科技成果進行梳理，在已有橋梁科技成果的基礎上，分析公路橋梁領域科學研究的短板，提出未來十年橋梁科技成果的發展方向。

1 大跨徑橋梁建設歷程

1.1 大跨徑拱橋建設發展歷程

浙江省2000年以后大跨徑拱橋發展歷程如圖1所示，最大跨徑為2017年建成的春曉大橋，主跨跨徑336m。主拱結構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年以來大跨徑拱橋發展歷程圖

烏溪江大橋主橋為跨徑260m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構，由兩條拱肋及橫向聯接系構成，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柱，拱上蓋梁為鋼筋混凝土結構，順橋向分為兩片預制安裝，現澆濕接頭；主橋上部結構采用16m跨徑T梁。

1.2 大跨徑斜拉橋建設發展歷程

2000年以后大跨徑斜拉橋發展歷程如圖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點上，錢塘江、甬江等越江工程跨航道節點上或者舟山連島工程跨航道節點上，最大跨徑斜拉橋為2012年建成的象山港大橋，主跨跨徑688m。斜拉橋結構形式隨著技術的進步也在不斷發展創新，主梁結構形式由混凝土主梁逐漸發展成鋼混組合梁，主塔錨固形式由環向預應力逐漸發展成為鋼錨梁、鋼錨箱等組合結構錨固形式。

圖2 2000年以來大跨徑斜拉橋發展歷程圖

浙江省斜拉橋的發展歷程也是不斷提高斜拉橋受力性能，提高斜拉橋經濟性和耐久性的過程。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構。鋼錨梁由受拉錨梁和錨固構造組成。每對斜拉索面內的平衡水平分力由鋼錨梁承受，部分不平衡水平分力通過梁端頂座傳遞到預埋鋼板，由索塔承受；豎向分力通過牛腿傳到塔身后，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開裂問題，提高了結構耐久性，還有利于提高施工速度，保證施工質量，為國際首創，見圖3。

圖3 金塘大橋鋼錨梁示意圖

1.3 大跨徑懸索橋建設歷程

2000年以后大跨徑懸索橋發展歷程如圖4所示，最大跨徑懸索橋為2009年建成的西堠門大橋，主跨跨徑1650m，建成時為國內最大單跨跨徑橋梁結構。懸索橋結構形式以地錨式懸索橋為主，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構。總的來看，浙江省內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(建設中)等。

圖4 2000年以來大跨徑懸索橋發展歷程圖

西堠門大橋[2]是世界上抗風要求最高的橋梁之一，采用分體鋼箱梁技術成功地解決了顫振穩定性問題，為世界第一座分體式鋼箱梁懸索橋。大橋開展了大跨度纜索承重橋梁渦激振動動態監測研究(2016009)和大橋側風行車安全及控制措施研究(2010H21)，解決了多項抗風技術難題。西堠門大橋首創了可變姿態的活動風障，保障了橋面行車與結構抗風的安全性，每年減少西堠門大橋因風關閉時間35d，顯著提高了經濟和社會效益。

西堠門大橋首次采用大直徑、高強度等級、高破斷拉力的鋼絲繩制作吊索，并成功地解決了疲勞問題。在國內首次應用強度為1770MPa的平行鋼絲制作主纜，節約工程投資約835萬元，同時降低了施工難度。通過冶煉、軋制、拉絲等環節的研發、創新，依托項目實現了強度1770MPa的平行鋼絲國產化。架設主纜首次采用水平成圈與放索工藝，提高了索股架設質量。研發了Φ5mm系列纜用高強度平行鋼絲，達到了國際先進水平、填補了國內空白，并形成了規模化生產，產生了較大的經濟效益。

2 大跨徑橋梁科技成果總結分析

從科研項目立項時間、科技成果內容、科研成果鑒定及獲獎、推廣情況三個角度入手，對浙江省的公路橋梁科技成果(大橋共42個課題)進行分析。

2.1 科研項目立項時間

從圖5可以看出，2005～2007年，正值金塘大橋、西堠門大橋建設時期，相關科研相繼立項；另外，隨著之江大橋、椒江二橋、嘉紹大橋等相繼開工建設，一系列課題也就此開展，形成另一個科研立項的高峰期。

圖5 科研立項時間分布

2.2 科研成果內容

就課題研究內容而言，見圖6，結構設計優化類課題占課題總數的42.9%，大多數課題都是這個方向的相關內容。其中既包含了宏觀的結構體系創新，也包含大跨徑橋梁局部受力構造的細化分析；既有斜拉橋、懸索橋、拱橋等大跨徑橋梁結構受力體系的關鍵技術研發，又有波流力、大跨徑橋梁墩塔等下部結構的防撞專題研發。總體上看，各類大跨徑橋梁專題研究為實現交通強省目標打下了堅實的基礎。

圖6 課題研究內容分布

施工工藝創新類課題占課題總數的19%，其研究內容以解決實際工程問題為主，針對大跨徑橋梁鋼箱梁主梁施工關鍵技術，開展了海洋環境鋼箱梁運輸、定位、架設、拼裝等方面的技術研究，對提高施工質量和工藝水平，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較晚。省內直到2010年左右才陸續開展了結構耐久性方面的研究課題，經過多年的工程實踐，浙江省在跨海大橋耐久性，大跨鋼橋維護和維修技術方面也積累了很多的經驗，對省內大跨徑橋梁耐久性的提升起了很好的指導作用。

運營期檢測和監測類課題占課題總數的21.4%，而且大都依托具體橋梁工程項目開展，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測及安全評價系統研究和設計等。為保障大橋長期服役性能提供了可靠的技術基礎。

2.3 科研成果鑒定及獲獎、推廣情況

大跨徑橋梁科技成果中，高達45%的課題達到了國際先進水平，鑒定結果在國際先進及以上的達54%，總體鑒定結果較好，見圖7。

圖7 科研成果鑒定情況

就課題獲獎情況而言，省內公路橋梁科技成果獲獎總數較少，僅一項成果獲浙江省科技進步一等獎(2006H06西堠門大橋建設成套技術研究)，兩項獲中國公路學會科學技術一等獎(2006H06西堠門大橋建設成套技術研究，2011H17拱形鋼塔斜拉橋建設和養護關鍵技術研究與工程示范)，一些成果較好的課題同時獲得了多個獎項，但也有很多鑒定結果較好的課題并未進行后續的獎項申報工作。

很多大型工程項目都開展了多個專題的研究，如舟山跨海大橋建設過程中開展的“西堠門大橋建設成套技術研究(2006H06)”等，運營養護期間開展的“舟山跨海大橋耐久性提升技術研究(2013H28-3)”等。這些課題為具有重要意義的特大跨徑或特殊結構橋梁提供了全壽命周期的技術支撐。

但是，省內橋梁科研課題形成的專利、軟件著作權、專著等知識產權數量較少，且多集中在個別課題，由課題成果提煉的相關技術標準、指導手冊、工藝工法等也較少；很多課題鑒定資料已經缺失，難以對其成果進行持續的跟蹤評價。

3 浙江大跨徑橋梁創新發展方向

根據已有的研究和新興前沿技術兩個方面，提出浙江省大跨橋梁的創新發展方向，引領省內交通運輸高質量發展。

3.1 橋梁美學

橋梁美學，是當代大跨橋梁設計建設面臨的熱點問題。尤其在大跨橋梁概念設計和方案評選階段，對橋梁美學的重視程度可以說已經超越了任何時候。但是，對橋梁美學理論的研究，還一直處于瓶頸期：一方面，美學思想和理論偏于感性，主觀性較強，難以形成系統；另一方面，這方面的研究偏于社會科學，在當前以工程建設成果指標化的情況下，科研人員在短期內難以得到明顯的回報；這也是當前橋梁美學越來越受到重視但工程人員也只當其一個興趣愛好的主要原因。目前，橋梁美學理論，大多借助于建筑美學理論，還沒有形成專門的橋梁美學理論或流派。

橋梁美學重點研究方向：

(1)橋梁美學理論及設計方法。

(2)橋梁附屬設計與景觀設計。

(3)基于BIM和人工智能技術的橋梁美學設計與實際的融合。

(4)橋梁美學與力學的融合。

3.2 高性能材料應用

目前高性能混凝土的種類眾多，但實際運用較少，其在橋梁工程中的運用主要以UHPC為主，省內UHPC主要應用在預制梁接縫及墩柱、蓋梁接縫等位置，將高性能混凝土應用于橋梁工程的探索與研究依然須繼續努力。隨著研究的深入，有望UHPC價格下降，增強UHPC在橋梁中的競爭力。

現階段橋梁工程常用的FRP材料主要是樹脂基的纖維增強聚合物，包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及玄武巖纖維等增強聚合物，FRP材料適應了現代橋梁結構向大跨、輕質、耐久的需求，成為混凝土和鋼材等傳統建筑材料之外的重要工程材料。

高性能材料重點研究方向：

(1)基于UHPC材料的預制橋梁結構。

(2)纖維增強復合材料(FRP)橋梁設計、施工和監測規范體系。

(3)鋼與UHPC組合橋面。

3.3 智能化檢測、監測技術

從應用需求和技術發展趨勢角度出發，未來省內大跨橋梁運營期檢測和監測技術還有很多的研究方向和研究問題值得探索。

針對大跨橋梁的檢測、監測裝備與技術，應重點向輕型化、快速化方向發展，要求設備具備易安裝、易維護的特性，在傳統技術的基礎上進行突破，如無人機、橋梁檢測機器人等智能檢測裝備以及無需供電的低功耗傳感技術、非接觸式的測量方式等；對于大跨橋梁隱蔽工程，目前的檢測手段較少，需要開發更多行之有效的無損探傷技術智能化檢測、監測技術重點研發方向：

(1)鋼橋疲勞裂紋智能探測技術。

(2)水下樁基礎智能檢測技術。

(3)新建橋梁嵌入式檢測、監測模塊開發。

3.4 橋梁信息化建管養

橋梁是巨大的公共資源，建立信息化決策支持系統，對橋梁資產的管理和養護具有重要意義。全面把握橋梁建造與服役全過程的結構狀態與損傷演化趨勢，制定主動、預防性的養護措施，將對預測損傷積累，延緩抗力衰減，恢復使用功能起到積極作用。

利用信息化技術連接橋梁工程全壽命周期不同階段的數據、過程和資源，實現設計、施工、運維等階段參與各方信息共享。

信息化建管養技術重點研發方向：

(1)路網橋梁數據管理與分析系統。

(2)橋梁建管養一體化信息管理系統。

4 結語

在信息化時代，人工智能、大數據、5G技術等信息技術不斷成熟落地，新技術正逐漸應用于交通領域的方方面面，在信息化大背景下，橋梁工程領域也將產生深刻變革，分析橋梁成果研究現狀，提出浙江省公路橋梁未來十年的發展方向，從產學研用全過程融合的維度入手，推動浙江省公路橋梁領域科技不斷創新發展，促進已有科技成果的推廣和應用，具有重要的意義。