引領鋼橋科技發展趨勢——長壽命鋼橋設計理論與智能建造

文/圖 長安大學 王春生 王茜 段蘭

圍繞長壽命高性能鋼橋結構體系、設計理論與建造關鍵技術，項目研究團隊在長安大學教授王春生的帶領下，歷經近20年產、學、研、用一體化的自主創新與實踐，攻克了高性能、強韌性新材料研發與選材準則制定、新型構造與連接研發、創新性結構體系研制、試驗技術突破、體系可靠性設計與優化理論革新、智能制造技術研制等重大技術問題，填補了多項技術空白，建立了設計使用年限達150年的長壽命高性能鋼橋設計理論，實現了高性能、強韌化、長壽命的技術目標，引領了行業科技進步。

/研究突破/ 實現了從材料、構件到結構體系的系列創新

建立了長壽命高性能、強韌化鋼橋選材準則與設計指標體系

項目研究團隊提出了高韌性橋梁鋼、耐候性橋梁鋼的斷裂韌性、耐候性設計指標，研發了超高韌性水泥基復合材料（UHPFRC）及其制備技術，確定了橋梁用玻璃纖維增強復合材料（GFRP）的材料設計指標，填補了現行相關規范中高性能材料設計指標不全面、不明確的技術空白。

研發了長壽命高性能鋼橋的創新構造與連接件

項目成功研發了鋼-UHPFRC組合橋面板、新型波折連接件和GFRP-鋼黏貼節點，建立了鋼-UHPFRC冷連接組合橋面板、GFRP-鋼組合橋面板構造設計準則和計算分析方法，通過革新傳力方式，提高了材料利用率、提升了鋼橋面板耐久性，為破解鋼橋面板疲勞耐久性不足的世界技術難題提供了新途徑。

創新了長壽命高性能鋼橋的構件與結構體系

項目研究團隊探明了混合設計高強鋼梁、管翼緣組合梁、波形腹板鋼箱組合梁等新型高性能結構的受力性能；建立了鋼橋數字疲勞試驗方法，確定了耐候鋼梁腹板間隙面外變形細節的疲勞強度等級；確定了實橋大應力比條件下鋼橋抗疲勞強度取值；提出了組合梁斜拉橋主梁軸力和彎矩應力分離—疊加的分析模型與橋面板有效寬度計算公式；提出了鋼橋塔新型構造。形成了系列的設計準則和計算分析方法，填補了相關規范的技術空白。

創建了長壽命高性能鋼橋體系可靠性設計與優化理論

項目建立了長壽命鋼橋溫度梯度模型和溫度疲勞荷載模型，填補了國內外規范中無溫度疲勞荷載模型的空白，提出了溫度與車輛疲勞應力耦合分析模型與計算方法，構建了結構體系可靠度的串并聯分析模型和改進響應面計算方法，確定了長壽命鋼橋構件與結構體系目標可靠度指標取值，提出了鋼橋體系可靠度優化模型及算法，建立了長壽命鋼橋體系可靠性設計與優化理論。

長壽命高性能鋼橋智能制造技術與裝備研制

項目研究團隊提出了與高性能耐候鋼相匹配的焊接材料與工藝參數，研發了耐候鋼橋銹層穩定化技術，研制了波形腹板鋼箱組合梁全流程智能制造設備及生產線，攻克了制約高性能鋼橋發展的建造技術難題。

/研究成果/ 服務工程實際、指導標準制(修)訂、推動行業進步

長壽命高性能鋼橋結構體系、設計理論與建造關鍵技術研究

項目核心技術獲授權專利14項、軟件著作權2項，出版專著3部，發表論文70余篇。部分研究成果納入《公路工程結構可靠性設計統一標準》（JTG 2120-2020）、《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)、《公路斜拉橋設計規范》(JTGT 3365-01-2020)等6部國家行業規范及歐盟標準FRP補充設計指南，支撐了陜西省地方標準《高性能能鋼橋設計與制造技術規程》、中國公路學會團體標準《鋼管翼緣組合梁設計與施工技術指南》、中國工程建設標準化協會標準《公路耐候鋼混凝土組合橋梁技術規程》的編制，以及《鋼板組合梁橋通用圖》等4部標準圖的編制。

項目成果在3個交通運輸部首批公路鋼結構橋梁典型示范工程和首批免涂裝耐候鋼橋，以及西藏、貴州、江蘇、湖北、陜西等14個省份的100余座鋼橋中得到成功應用，包括川藏公路通麥特大橋、廈漳跨海大橋、云南普者黑特大橋等20余座特大跨鋼橋，青藏高速公路等9條高速公路40余座常規跨徑鋼橋，以及中馬友誼大橋等國際工程，對于長壽命高性能鋼橋結構體系設計與建造起到了引領示范作用，產生了顯著的社會經濟效益。研究成果經中國工程院院士等組成的評價委員會鑒定，總體達到國際領先水平。

/創新團隊/ 入選2個省部級創新團隊，實現了產、學、研、用深度融合

項目研究團隊在負責人王春生帶領下，入選交通運輸部科技創新團隊“橋梁耐損性設計與安全維護技術創新團隊”和陜西省科技創新團隊“長壽命高性能鋼橋智能設計、建造與管養創新團隊”，長期致力于鋼橋與組合結構橋梁、長壽命強韌性橋梁結構理論、橋梁耐損性設計方法與安全維護技術等領域的研究，形成了產、學、研、用一體化的研究模式。

王春生為長安大學二級教授，是國家“萬人計劃”科技領軍人才，全國百篇優秀博士論文獎、國務院政府特殊津貼、茅以升科學技術獎—橋梁青年獎獲得者。他主持承擔了國家自然科學基金、973項目子題，以及教育部新世紀優秀人才基金、霍英東青年教師基金等省部級科研項目20余項，主持編制交通運輸部行業技術標準《公路鋼橋疲勞監測、評估與維護技術規程》，參與編制《公路鋼結構橋梁設計規范》《公路工程可靠性設計統一標準》《公路鋼結構橋梁養護技術規范》3部交通行業技術標準，主持編寫地方與協會標準6部。發表論文被SCI、Ei收錄100余篇，出版專著2部，授權國家發明專利10余項。王春生曾獲國家科學技術進步獎二等獎1項、中國公路學會科學技術獎特等獎2項（主持），以及省級和學會科學技術獎10余項，推動了我國首批長壽命公路免涂裝耐候鋼橋的設計和建造。