桥梁工程发展前沿动态

.浅谈桥梁工程的应用现状及发展趋势Cy摘要：随着科学技术的进步，建筑材料的不断更新，桥梁建设向着更长、更大、更柔的方向发展，桥梁工程也日新月异的向前迈进。现代桥梁的建设在建筑材料,设计理论,施工方法,管理方法等高科技方面提供了巨大的发展空间和技术创新机会。本文结合新结构新材料在桥梁工程的应用阐述了当前桥梁的状况，并进一步介绍了21世纪桥梁工程的发展趋势。关键字：组合桥梁；高性能混凝土；发展趋势OnthestatusofbridgeengineeringapplicationsanddevelopmenttrendsAbstract:Withtheadvancementofscienceandtechnologyandbuildingmaterialsconstantlyupdated,bridgebuildingtowardalonger,larger,moreflexibledirection.Bridgeprojectisalsochangingtomoveforward.Modernbridgeconstructioninthebuildingmaterials,designtheory,constructionmethodsandmanagementmethodsprovidsahugehigh-techdevelopmentandinnovationopportunities.Thisarticletalksaboutthenewstructureandnewmaterialsinbridgeengineeringapplicationsandthecurrentstatusofthebridgeandfurtherinformationonthe21centurybridgeengineeringtrends.Keywords:compositebridge;high-performanceconcrete;trends在国内外的铁路和公路建设中，桥梁建设是其重要的组成部分。由于桥梁主要是承受动力荷载作用，且对桥面的控制要求非常严格，因此桥梁的设计和施工是非常重要也是比较复杂的，这就对桥梁的结构形式及材料的选择提出了很高的要求。在早期的桥梁设计中，对于跨度不太大的桥梁一般都是采用钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构的梁桥，而对于跨度较大的桥梁则主要采用钢结构桥梁。目前，斜拉桥、悬索桥的建设日益常见，一些应用剪切连接件和压型钢板的钢与混凝土组合结构桥梁得到了广泛的使用，尤其是预应力组合桥梁表现出了其新结构的良好性能，具有显著的社会效益和经济效益，并逐渐成为国外桥梁结构的主要形式，而新材料的出现更是推动了桥梁的进一步发展。从我国的总体部署来看，在比较长的一段时间内的工作重心仍会集中于基础建设上。因此，结合大规模的桥梁建设趋势，了解新结构新材料在桥梁工程的应用现状及其发展动态对促进新桥梁的研究与推广应用是很有意义和必要的，这有利于使我国桥梁建设处于领先地位。1新形式——预应力组合桥梁组合桥梁桥跨结构采用组合连续梁时，应该分为正弯矩段和负弯矩段。在正弯矩区段，钢筋混凝土板是受压的，型钢梁是受拉的，这正好能避免钢材易受压屈曲失稳和混凝土的抗拉强度较低的弱点，因此受力非常合理。但在负弯矩区段，则正好出现相反的情况，钢筋混凝土板是受拉的，因此较容易出现混凝土的开裂，这是组合桥梁的一个关键问题，同时也是钢筋混凝土桥梁的常见问题。为了尽量避免负弯矩区段的混凝土过早开裂和出现较大的裂缝，可以采用简支梁的方法予以避免，但是考虑到组合连续梁在增大桥梁跨度方面以及在车辆动力荷载和地震作用下相比简支梁来说具有更好的性能，简支梁相对于连续梁反而不经济。因此，一般还是多采用连续梁结构，且通常采用预应力方法，即在钢筋混凝土板中施加预应力，以防止钢筋混凝土板受拉区段的过早开裂，并减小裂缝宽度。这就是预应力组合桥梁。一般组合桥梁形式具有以下优点：（1）、将钢筋混凝土板与型钢梁组合成整体，使钢筋混凝土板成为组合桥梁桥跨受力结构的一部分，因此在同样大小型钢梁的情况下，组合桥梁的承载能力、竖向刚度和侧向刚度都显著提高；（2）、混凝土主要处于受压区，型钢梁主要处于受拉区，两种不同材料都能充分发挥各自的长处，受力合理、节约材料；（3）、钢筋混凝土板刚度较大，对型钢梁有较好的约束作用，对避免型钢梁的整体与局部失稳有着明显的作用。从另一个角度讲，将使型钢梁用于防止失稳方面的材料大大节省。（4）、在同等刚度、强度情况下，组合梁的截面大小及其高度可大大减小，因此可降低桥梁的上部结构（桥跨结构）高度和桥梁建筑高度，增加桥梁下净空高度和净矢高。基于上述各项优点，使用组合桥梁可大量节约钢材以致降低整个工程造价。此外，根据工程实例，组合桥梁结构比纯钢桥跨结构桥梁的抗疲劳性能及抗冲击性能亦有所改善。而新形式的预应力组合桥梁将会使其优势进一步发挥，使桥梁建设更上一层楼。2新材料2.1玻璃钢玻璃钢（FRP）亦称作GRP，即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或称谓玻璃钢。其作为材料有如下优点：（1）轻质高强相对密度在1.5～2.0之间，只有碳钢的1/4～1/5，可是拉伸强度却接近，玻璃钢甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。因此，在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。耐腐蚀性能好（2）耐腐蚀玻璃钢是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用到防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。（3）电性能好它是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。（4）热性能良好FRP热导率低，室温下为1.25～1.67kJ/（m·h·K），只有金属的1/100～1/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料（5）可设计性好①可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。②可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。（6）工艺性优良①可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。②工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。综上所述，与传统的金属材料及非金属材料相比，玻璃钢材料及其制品，具有强度高，性能好，节约能源，产品设计自由度大，以及产品适用性广等特点。因此，在一定意义上说，玻璃钢材料是一种应用范围极广，开发前景极大的材料品种之一。随着航空工业及原子能工业的发展，人们已经研制出了各种类型的纤维强化塑料（FRP）。由于它们具有自重轻、强度高等优异性能，必将成为桥梁今后主要采用的材料。如采用FRP的模拔型材已在试用，更有发展前途的是用纤维强化塑料（FRP）来制成力筋及缆索材料。如瑞士的米勒（Meier）教授认为，主跨为8400m的直布罗陀海峡桥方案中，由于钢索的自重过大，只有采用碳纤维强化塑料（CFRP）才有可能完成。2.2高性能混凝土高性能混凝土（Highperformanceconcrete,简称HPC）是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能重点予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。作为新材料它有如下优点：（1）高性能混凝土具有一定的强度和高抗渗能力，但不一定具有高强度，中、低强度亦可。（2）高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物应具有较高的流动性，混凝土在成型过程中不分层、不离析，易充满模型；泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能。（3）高性能混凝土的使用寿命长，对于一些特护工程的特殊部位，控制结构设计的不是混凝土的强度，而是耐久性。能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。（4）高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。概括起来说，高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。在工程材料上，混凝土在21世纪中仍是桥梁最主要的建筑材料。在改善混凝土性能方面，重点在使其耐久性达到良好的指标。这主要是改善混凝土内部结构，掺入高效减水剂及活性矿物掺合料，使孔隙率大幅度降低来提高其耐久性。特别是以水泥为基料的含有超细微粒的硅灰及纤维增强材料最有发展前途。目前实验的强度已达到200MPa。高性能混凝土其特点及远景为：（1）使桥梁自重减少1/3～1/2，与钢结构的重量相似；（2）耐久性、抗冻性加强，延长结构寿命，减少维修工作量；（3）具有很高的弯曲应力（20～25MPa），这样可以免去表面分布钢筋及部分力筋的设置，混凝土工程将大为简化。3桥梁工程的发展趋势21世纪桥梁将实现大跨、轻质、灵敏、环保的目标。3.1大跨自从桥梁出现以来,其跨径一直在不断的加大。从几米的小桥发展到现今主跨一千多米的特大桥,体现出了人类改造自然的能力在不断变化。在21世纪,由于跨海工程的出现,桥梁还要向更大跨径的方向发展。3.2轻质桥梁主体材料将由高强度轻质太空材料所取代。高强度铝合金、玻璃钢、碳纤维等太空材料将取代当代的桥梁钢、混凝土成为桥梁建筑的主体材料,实现轻质目标;不同类型轻质材料组合拼装的各类新型斜拉桥、悬索桥、轻质拱桥将一跨而过大川、巨流或小海湾,实现1500m以上大跨目标。3.3灵敏21世纪桥梁将“头脑”灵敏,“感觉”敏捷。桥梁上装配的计算机系统、传感器系统将可以感知风力、气温等天气状况,同时可以随时通过自动监测和管理系统保证桥梁的安全和正常运行,一旦发生故障或损伤,将自动报告损伤部位和养护对策。3.4环保今后建桥应从结构体系、建材和施工方法等方面来考虑桥梁对环境的影响。例如,在山区建桥更应该照顾山体和植被;在选用建材时应使用对环境影响(能耗及CO2气体的排放量)小的材料。同时,21世纪的桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型,重视桥梁美学和景观设计,重视环境保护,达到人文景观同环境景观的完美结合。4结束语桥梁的跨径代表着一个国家的经济、工业和科学技术的整体水平。回顾历史,日本明石海峡大桥以1991m跨径的记录载入桥梁史册。历史进入21世纪,随着更大跨度和规模的跨海工程和跨岛工程的出现,如欧非直罗陀海峡、美亚白令海峡等洲际跨海工程,可以预见,21世纪桥梁工程建设必将取得新的突破,取得更大、更新的发展。参考文献[1]强士中.桥梁工程[M].北京:高等教育出版社,2004.[2]邵旭东.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2004.[3]R.P.Johnson.CompositestructuresofSteelandconcrete,Vol.1,BlackwellsscientificPublications,1995[4]李乔.桥梁工程技术发展现状[J].四川建筑,2004(3).[5]郭丰哲,李贞新.走向21世纪的桥梁工程[J].四川建筑,2004,24(6).[6]张丽云.小议桥梁工程发展动态[J].科技创新导报,2011,2004(11).