【作者简介】王武勤，桥梁工程及科技管理专家，教授级高级工程师，《施工技术》杂志编委会委员

1.1新材料研发与工程应用

1.1.1钢材

欧洲的钢材已经达到960MPa级(16mm厚钢板),美国的桥梁用耐候钢已达690MPa级，日本采用的微合金化成分钢材已达800MPa级，而且采用热机械轧制(TMCP) 技术生产出具备优良可焊性的980MPa级桥梁结构用钢，但未实际应用。土耳其博斯普鲁斯三桥斜拉索采用了强度1 960MPa的钢丝。我国沪通长江大桥主桥拉索已采用国内研发生产的2 000MPa平行钢丝索，最近国外已有报道某桥梁方案拟采用2160MPa的钢丝。比起目前斜拉桥常用的1860MPa平行钢丝索，更高强度高强钢丝的应用减小了主缆直径和质量。沪通长江大桥主桁梁采用国产的Q500qE钢材，使得主桁梁质量有所减轻。南京大胜关长江大桥采用了WNQ570耐候桥梁结构用钢，极限使用厚度由传统的50mm 提升到68mm。为保持结构的合理刚度和尺寸，在同一主梁不同区段采用不同强度等级钢材。武汉汉江七桥钢拱已采用国内研制的Q690qE及其配套的焊接材料与焊接工艺。

1.1.2混凝土

高性能混凝土(high performance concrete, HPC)的高性能主要包括力学性能稳定、高强度、高耐久性、高体积稳定性和高工艺性。近年来在欧美等发达国家研究应用较多，一些桥梁结构已经使用超过150MPa的高性能混凝土，而我国在这方面研究相对滞后。目前国内一些院校和科研机构进行了一系列超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)方面的研究，并在一些桥梁工程中应用于桥面铺装上，取得了一定的科研成果和应用经验，但在整体结构上应用尚少。

1.1.3复合材料

树脂基纤维增强聚合物(fibre-reinforced plastic, FRP)是力学性质不同的纤维和树脂按照设定的比例和条件复合而成的新材料，具有线弹性(无屈服平台)、各向异性(抗拉强度和弹性模量与纤维方向和含量密切有关)、可设计性。其原材料的生产基本上为日本和欧洲的少数几家公司。发达国家较早地将FRP等复合材料应用在桥梁修复、加固等方面， 在缆索方面的应用研究也有进展。如瑞士已有将FRP棒筋替换已经腐蚀斜拉索的案例，使用效果良好。日本学者提出了主跨5000m的以FRP材料为主的悬索桥方案，其基本构思为：主缆采用CFRP,桥面系统采用GFRP,主塔采用CFRP与混凝土的混合材料。我国引进该材料后经过一定的实验研究和试用，基本应用于桥梁结构的维修加固和一些建筑与水工结构物的维修加固，包括板材、布材和个别筋材。在缆索方面的应用研究也已开展，已有小跨度人行天桥采用FRP作为斜拉索的实例。

1.1.4智能材料

国内外对记忆合金、压电材料、光导纤维、智能自修复混凝土等新型材料在桥梁监测、检测和加固改造工程中的应用已逐步开展研究。

1.2桥梁新结构

1.2.1三桁三索面结构的研发与应用

主跨504m的天兴洲公铁两用斜拉桥的正桥采用三桁三索面双层桥面结构，上、下层客运专线双线及Ⅰ级货运铁路双线。主梁采用板桁结合钢桁梁，N形桁架，3片主桁，桁宽30m, 桁高15.2m, 节间长度14m。主桁弦杆均采用箱形截面，主桁部分斜杆采用箱形截面，其余斜杆、竖杆采用H形截面。主桁节点采用焊接整体节点，节点外拼接。斜拉索锚固于主桁上弦节点。钢梁采用Q370qE钢。施工采用工厂节段制造，现场吊装，节段最大质量约650t。沪通公铁两用长江大桥也采用这种形式,主跨达1 092m, 公路面采用钢正交异性板结构，铁路面采用钢箱梁。

1.2.2组合结构

1)钢正交异性板或钢箱梁与UHPC桥面的组合

为了克服正交异性钢箱梁桥面的疲劳难题，将UHPC桥面与其结合在一起，可以在一定程度上解决钢箱梁突出的疲劳难题，并同时可以大大提升桥面结构的耐久性问题。

2)钢桁-混凝土组合拱桥

成贵铁路鸭池河大桥是跨度436m的中承式拱桥，如图1所示，采用钢桁拱骨架，拱脚部分包覆混凝土，拱顶部分区段拱肋上翼缘填筑混凝土。充分利用了材料的各自特性并且经济。

图1 成贵铁路鸭池河大桥

3)斜主桁结构

京广高铁郑新公铁两用黄河大桥上层通行6车道高速公路，下层通行双线京广高速铁路。针对上宽下窄的交通布置，将钢桁梁设计成倒梯形结构，可以显著节省钢材用量。武黄城际铁路黄冈公铁两用长江大桥也采用了这种结构形式。

4)预应力混凝土空腹(斜腿)式连续刚构

这种结构形式是在常规连续刚构形式上的一种新的改型，其主要思路是对箱梁的根部腹板进行挖空，减轻自重，形成梁-拱组合受力模式，提高承载力，从而提高其跨越能力，按此构思设计建成的北盘江大桥主跨达290m, 至今运行状态良好，如图2所示。

图2 北盘江大桥预应力混凝土空腹(斜腿)式连续刚构

5)钢、混凝土混合结构

重庆石板坡复线大桥主跨跨中段采用钢箱梁，其余均为预应力混凝土箱梁，使连续刚构主跨跨度达到310m, 如图3所示。

图3 重庆石板坡复线大桥连续刚构跨中段钢箱梁吊装

6)钢桁梁整节段全焊结构

平潭海峡公铁两用大桥主航道斜拉桥主梁采用整节段全焊结构，最大节段吊重达1100t, 80m简支桁梁采用整孔全焊设计，最大吊重达1520t。

1.2.3内置式索塔锚固结构

1)内置式钢锚箱结构

钢锚箱内置于混凝土塔壁的组合索塔锚固结构，利用钢锚箱侧板水平受拉、混凝土塔壁竖向受压为主承担斜拉索作用力。该结构能充分发挥钢与混凝土各自的材料性能优势，锚固区传力可靠，塔壁可不设或少设预应力筋，钢锚箱容易养护。钢结构力学性能较为可靠；工厂加工，锚箱施工质量容易保证。另外，钢锚箱侧板位于拉索两侧，锚箱横隔板形成一个张拉平台，便于施工；各锚箱通常上下连接，使锚固点定位更加精确，同时也分担了部分竖向力。

2)内置式钢锚梁结构

内置式钢锚梁结构受力机理与内置式钢锚箱结构相似。

1.2.4桥梁基础

1)钻孔灌注桩基础

福平铁路鼓屿门水道桥辅助墩4号钻孔桩直径4.5m, 是目前世界上最大直径的海上钻孔桩，桩长41m。钻孔机械采用武桥重工研制的KTY5000钻机。鱼山大桥基础采用ϕ5.0～3.8m变径复合桩基(钢护筒作为结构的一部分参与受力),桩长为60～ 148.2m。

2)组合沉井基础

沪通长江公铁两用大桥主塔基础为大型钢-混凝土组合沉井基础，为目前世界上最大的沉井基础。沉井上部为高59m钢筋混凝土结构，下部底节钢沉井高56m, 为钢结构。28,29号主墩沉井的平面尺寸为86.9m×58.7m, 平面布置24个12.8m×12.8m的井孔。沉井吸泥下沉与接高交替进行，采取空气吸泥机等措施吸泥下沉，如图4所示。

图4 沪通长江公铁两用大桥29号墩沉井定位

3)根式空心桩

在秋浦河大桥悬索桥锚碇设计中，采用根式空心桩钻孔基础，为软土地区悬索桥锚碇提供了一种新型锚碇基础。

1.3桥梁制造方面的创新和发展

1)钢桥梁制造及检测技术提升很快，板单元制造基本实现了机械化、自动化，钢箱梁组焊及预拼装实现了工厂化制造。钢桁梁吊装节段的几何精度及质量控制技术已趋成熟，焊接机器人等在钢桥梁整体制造中得到了应用，自日本研发了U肋双面焊技术后，国内也研制成功智能U肋内焊机器人，可以对U肋与顶板连接处内部双侧的角焊缝进行焊接，从而实现了U肋内外角焊缝的双面焊接，提高了桥梁面板系的抗疲劳寿命，并配备有U肋内焊缝磁粉探伤机器人及修磨机器人，形成了正交异性钢桥U肋板单元内焊工艺及制造验收规则。超声相控阵检测技术在正交异性板U 肋角焊缝熔深检测中的应用也显著提升了检测精度。

2)采用整体引熄弧板、焊前预热、多次翻身分次完成坡口焊接工作来控制焊接变形；专门的翻身工装将所有焊接位置改变为平焊状态等一系列技术措施，成功完成了对接端口要求75%面积贴合，且最大间隙不超过1mm、最大板厚100mm的美国旧金山-奥克兰新海湾大桥自锚式抗震悬索桥五面体钢塔制造。

3)复合防腐型平行钢丝拉索的成功研制和开发，可望使拉索性能实现本身不少于50年使用寿命的预期目标。

4)铁路整孔简支梁预制技术不断优化提升。在引进国外技术的基础上再创新，已全面实现了模板液压自动化作业。

1.4施工技术与装备的创新和进步

1.4.1浮吊装备

在国产“蓝鲸号”7 500t浮吊之后，12 000t全回转自航浮吊的问世等可以满足桥梁结构长节段或大构件的水上吊装，减少现场作业，保证安全和质量，如图5所示。

图5 12 000t全回转自航浮吊

1.4.2架梁设备性能不断提升

1)缆索式起重机吊装能力不断提升。从万县长江大桥跨度435m、设计控制荷载80t的缆索式起重机，发展到明州大桥跨度450m、承载能力400t。“吊扣合一”的设置和在拱肋刚度较大的情况下采用少扣索缆索吊装的方案既经济，又缩短了现场临设的架设时间。

2)主缆牵引先导索架设方法的多样化，如：火箭抛绳法、直升机或无人机牵引法、飞艇牵引法等，使施工方法的适用性和经济性以及缩短施工周期等方面有了更多的选择。

3)悬索桥跨缆吊机模块化、智能化、自动化和自备的安装、拆卸系统方便了施工，提高了控制精度和效率，安全性和可靠性更高。

4)斜拉桥主梁桁段架设桥面吊机吊重能力从天兴洲长江大桥的650t, 发展到沪通长江大桥的1 800t(见图6)。

图6 大吨位钢桁梁吊装

5)拱上吊机安装拱肋技术。朝天门长江大桥拱上吊机吊重能力为80t, 卢浦大桥拱上吊机吊重能力更是达到400t, 如图7所示。

图7 拱上吊机吊装

6)国内研制的具有自动保护等先进装置D-5200回转式塔式起重机吊高210m、吊距23m时，吊重可达240t, 适用于高耸大吨位模块吊装，创造了起重力矩最大，综合起重能力最强的两个世界第一。

7)大跨度桥梁施工监控方面，建立了斜拉桥施工几何控制法的方法体系，编制了相应的计算软件，研发了专用的桥梁设计软件。

8)在适宜的条件下，转体施工技术越来越多地用于拱桥、斜拉桥和刚构桥的施工中，目前斜拉桥转体长度已达263.6m、重达4.6万t。

9)在引进日本S形缠丝机的基础上，已研制出国产S形缠丝机并用于工程施工。

10)将抽真空法用于钢管混凝土拱桥的管内混凝土灌注，在一定程度上减轻了拱顶区域混凝土脱空的程度。

2.1跨海桥梁

2.1.1跨海桥梁的特点

未来跨海桥梁的修建需求会越来越旺盛，而外海桥梁的环境特点如下：①水深、浪大、流急、风疾、雾浓；②高湿度、强盐害、强震灾、船撞击。由此跨海桥梁要解决以下问题：①跨越能力要大；②深水基础不可避免；③结构的防腐性要好；④要基本保证全天候运行；⑤需确定全寿命设计和耐久性的原则。

2.1.2跨海桥梁建造的几个关键问题

2.1.2.1深水基础选型及施工

据一些拟建跨海(非近海)大桥选择方案的桥址水文地质初步调查，结合现有桥梁的跨越能力，80～100m左右的深水基础恐难避免，50m左右的深水基础将属常见。世界上已建成的最大深水基础为65m水深的希腊Rion-Antirion桥，国内江河湖泊和近海桥梁一般基础水深不超过50m, 现有基础形式除了近海岸可借鉴外，深水区需另觅他径。目前研究或设想的深海基础形式主要如下。

1)设置基础

预制结构可以有效缩短海上作业时间，降低复杂海况和气象带来的风险，根据需要可以采用混凝土、钢或钢-混凝土结合的结构，采取先着床再灌注后续混凝土的工序和方法。

2)负压筒基础

该基础由海上石油开采平台筒形基础而来，采用负压方法下沉，具有承载力较大和施工速度较快及对环境影响较小等特点，值得研究，如图8所示。

图8负压筒基础概念

3)浮式基础

该方案源于成熟的浮力塔海上油气平台技术，具有建造成本低、对水深不敏感、在复杂海洋环境中具备优良稳性和耐波性的优点。目前已经有将其用于海上风电设施基础的专利，针对跨海桥梁基础的特点可以进一步研究其适用性。

4)管柱基础

采用较大直径的管柱，单个管柱就位后即可单独承载风浪力，再利用分块预制拼装的方法安装承台或采用高桩承台的方案在水上施工承台。日本大名门桥多柱式基础。

考虑到跨海桥梁(非近海)的恶劣海象和气象条件，以及大型基础构件体量大、运距远等特点，跨海深水基础施工需要在现有基础上研制或改进施工机具，使之满足快速、安全、精确的施工要求，包括大型运输半潜驳、大型吊装机械、大型打桩机、大输送量的混凝土泵等并制定有关工艺细则。此外针对不测风浪等恶劣环境的临时避难设施也应予以综合考虑。

2.1.2.2跨海大桥的上部结构选型

目前除已建成的跨度1991m的日本明石海峡桥外，国内某工程正在考虑2300m主跨的钢箱梁加劲梁的不对称悬索桥方案，意大利Messina大桥的设计跨度更是达3300m。所以，根据需要，跨度2000m以上采用悬索桥方案技术上是基本可行的。目前已建成斜拉桥最大跨度是1104m的俄罗斯岛大桥，1092m的沪通公铁两用长江大桥也已通车。随着技术的进步，1500m跨度斜拉桥的修建可望实现。而在较浅水域，由于有310m主跨重庆石板坡长江复线桥的修建，连续刚构桥(混凝土或钢-混凝土混合结构)也是不错的选择。当然，若具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点的碳纤维复合材料(CFRP)的锚固等性能足够可靠、价格低到能够接受的程度，上述桥型的跨度可望有一个大的飞跃。

2.1.2.3海象、气象情况的掌握和水文地质勘测

恶劣海象、气象情况的工程环境是建造跨海大桥的最大问题，特别是远海大尺度结构所受风、浪、流的耦合作用机理尚不很清楚，简单借用近海港口码头的水工结构规范进行设计是不行的，为此除了尽可能利用桥址附近油气钻井平台设置时掌握的有关数据，在桥址设置长期观测点实测掌握第一手资料是必须的。当然，辅以实验室模拟实验和数值分析可以较经济和快捷地为工程提供比对参考。

2.2钢-混组合结构桥梁

钢-混组合桥梁结构以其整体结构的受力经济性、发挥两种材料性能优势的合理性和施工的方便快捷性，并且减少了部分钢材从而减轻了防腐维护的压力，在20世纪就为美国、欧洲和日本等较广泛地应用，并在工程实践的基础上，总经形成了相应的规范标准。

2.2.1钢-混组合桥梁目前的最大跨度

目前组合梁桥主梁斜拉桥的最大跨度是美国福斯三桥的650m, 组合梁加劲梁地锚式悬索桥的最大跨度是武汉鹦鹉洲长江大桥的850m, 自锚式悬索桥的最大跨度是济南凤凰黄河大桥的428m, 组合梁桥面结构拱桥的最大跨度是广西平南三桥钢管混凝土中承式拱桥的575m, 连续组合钢箱梁桥最大跨度是即将建成的济南凤凰黄河大桥引桥的245m。

2.2.2钢-混组合桥梁的发展前景

1)斜拉桥

斜拉桥主梁中主要以压弯受力为主，恒荷载下承压，所以在几种桥型中，组合结构的优越性发挥更为充分，对于组合钢板梁，一般多用于公路市政，600m以下比较经济；对于组合钢桁梁，一般多用于公铁两用桥或铁路桥，由于铁路桥活荷载较大，跨度大到一定程度，混凝土部分抗弯压能力较弱，限制其跨度的发展，一般认为500～600m是其经济跨度；对于钢箱组合梁，与组合钢板梁同理，经济跨度在800～900m。

2)悬索桥

地锚式悬索桥加劲梁在恒荷载下主要承弯，在活荷载加上后除承弯外，尚需提供足够的抗扭刚度，所以经济性是限制其跨度发展的制约性因素；对于自锚式悬索桥，加劲梁承弯又承压，在一定程度上类似于斜拉桥，较为充分地利用了组合结构的优越性。

3)拱桥

中、上承式拱桥的桥面组合结构多用梁式或整体式组合梁体系，以减小自重，经济性好。下承式(系杆拱桥)则为拉弯，中小跨度采用组合结构较为适宜。

除了上述之外，采用组合结构还需综合考虑其在整个结构体系中的可更换性。

4)梁桥

组合梁桥与一般梁桥受力相同，由于混凝土相比钢构件质量要大，所以跨度达到一定程度将不很经济，但国外中小跨度已有大量运用组合梁桥的实例，其经济性显著，耐腐性部分得到改善，特别是采用耐候钢和混凝土的组合结构，其耐腐、耐老化性能得到根本改善。

2.2.3推行组合结构的几个主要问题

1)组合结构结合连接件应根据抗剪方向性、强度、刚度、疲劳性能、施工等综合需求合理选择。剪力钉目前应用较普遍，开孔板的应用正日趋广泛，不管采用何种连接方式，寿命期内钢-混结合处的可靠性必须得到保证，否则将与计算受力模式不符，导致不可预料的后果。

2)在适宜的结构中采用UHPC+钢的正交异性板结构可减小自重，获得较好的技术和经济性。

3)组合结构选材时，除了考虑强度这个主要因素外，尚需兼顾不同结构的刚度(弯、扭)要求。同时尽量达到各种材料性能利用的基本均衡。

4)选用组合结构时，应考虑施工队伍的技术水平，否则可能事与愿违。

5)国内组合结构应用经验较少，对重要结构仍需做一定试验予以验证，在工程实践的基础上进一步总结提高。

2.3关于大跨度缆索承重桥梁的风振

随着交通事业的蓬勃发展，大跨桥梁不断刷新纪录，其中悬索桥独占鳌头，斜拉桥紧随其后，随之而来的问题是结构刚度越来越小，阻尼越来越低，风振问题凸显。特别是2020年4月26日，武汉鹦鹉洲长江大桥桥体发生波浪形晃动。9天后，广东虎门大桥悬索桥也发生了类似现象，一度封桥暂停通行，引起社会深切关注。自西堠门大桥建成通车以来，每年监测到20～30次涡振现象，每次持续时间10～300min, 加速度和位移幅值均在规范允许范围内。多座桥的风振影响提醒我们对其进一步深化研究非常必要。

2.3.1桥梁风振类型及效应

1)涡振

涡振是桥梁结构在较低风速下发生的有限振幅振动。一般来说，涡振不会引起桥梁的破坏，但一是影响行车舒适度和引起心理恐慌，二是频次一多，会累积加重结构的疲劳损伤。

2)颤振

颤振是振动的桥梁或构件通过气流的反馈作用不断取吸能量，横风向扭转振幅逐步或突然增大的发散性自激振动失稳现象。颤振的发散性往往会造成桥梁结构灾难性的后果。美国的塔科马旧桥实际上就是这种破坏形式。

3)驰振

驰振是振动的桥梁或构件通过气流的反馈作用不断取吸能量，横风向弯曲振幅逐步或突然增大的发散性自激振动失稳现象。尾流驰振是由绕过前方结构的波动性来流激发下游结构物产生的不稳定振动。斜拉桥的拉索、悬索桥吊杆最容易发生尾流驰振。风雨激振是拉索或吊索在风和雨共同作用下发生的一种驰振现象。斜拉桥最普遍的抗风问题就是风雨激振，而水线是导致拉索风雨振动的直接原因。风雨激振不仅使过桥者有不安全感，而且易引起拉索的疲劳破坏，增大全寿命期的成本费用，也是斜拉桥向更大跨度发展的控制因素之一。

4)抖振

抖振是一种具有强迫振动特性的有限振幅振动，一般不会导致桥梁的气动失稳，但由于发生抖振响应的风速低、效率大，会使构件的接头或支座等构造细节发生局部疲劳破坏，过大的抖振响应还会危及桥面行车安全。

2.3.2桥梁抗风分析与措施

1)桥梁涡激共振的有限振幅计算目前采用的是一种半理论半试验的方法，以近似地估算涡激共振的振幅。减小涡振振幅的方法有：提高结构阻尼和附加整流板等。

2)颤振研究比较前沿的成果是项海帆院士创导的基于多振型耦合颤振机理的三维颤振状态空间法。

3)驰振分析的主要方法是把空气力作为自激力，在单自由度-弯曲振动方程中，根据临界风速时阻尼为零的条件，确定驰振临界风速。提高桥梁驰振临界风速的方法有：安装调质阻尼器以提高结构阻尼比，对矩形截面采用倒角以降低升力系数负斜率的绝对值，加大结构刚度以提高弯曲基频增加结构的密度和阻尼等。

4)抖振研究主要是Davenport的机翼抖振移植法和Scanlan的颤抖振理论。减小抖振振幅的有效措施是提高结构阻尼和改善截面气动性能。

5)风洞试验是以较小代价获取有关风动力效应的重要试验手段，数值模拟分析手段也是现代发展起来的重要研究工具。

2.3.3桥梁抗风研究的几个问题

1)从西堠门桥到虎门大桥，在施工过程中和成桥运营中出现的一些风振现象表明，风洞试验结果和实桥观测值存在一定偏差，有的偏差大到甚至导致结论变化。分析认为主要原因一是风洞试验受模型尺度效应的影响，二是风洞试验模拟来流流态难与实桥现场一致。为此建议根据一定数量的实桥长期观测，获取桥位现场的风场特性和风振效应，对风洞试验的有关参数和模态进行完善和修正。

2)在结构措施、气动措施和机械措施三方面继续深入研究，特别是气动措施的创新和发展，往往能收到事半功倍的效果。

3)对风振研究结果和实桥表现有重大偏差的大跨缆索承重桥梁，特别是长期超载运营的桥梁，结合健康监测弄清钢梁是否因存在肉眼可见或不可见的疲劳开裂以及拉(吊)索截面部分腐蚀造成的阻尼降低。使桥梁评估建立在符合实际的基础上。

近年来我国桥梁建设技术取得了令世人瞩目的成就，但回顾20世纪上半叶，西方发达国家在大建设期同样也成就斐然。作为后发者，我们不能满足规模大、跨度大，而要在桥梁的设计理论上不断完善和深化，并在分析计算程序方面有系统突破；在基础和应用基础方面多下功夫，结合试验研究和工程经验总结，形成更加完备的规范标准体系；在材料方面与有关行业合作研发，学习追赶先进国家，使材料性能更好地支撑未来桥梁发展；在结构构造方面不断创新、在施工技术方面不断提升；在质量和耐久性方面精益求精，为子孙后代留下经久耐用的遗产而不是遗憾。