浙江省大跨桥梁科技成果回顾及创新发展研究

安风明，陈 多

(浙江省交通规划设计研究院有限公司 杭州市 310030)

0 引言

进入新世纪以来，为了进一步加快发展地区经济，浙江省内大力投资交通基础设施，遇山开路、遇水架桥，省内公路桥梁建设迎来一个又一个发展高峰期。由于浙江多山地、多海湾、多软土的地形特点，桥梁发展也呈现出多跨海工程、多大跨径桥梁的特点。

浙江素有“万千桥隧”之省的美誉，截止2018年底，桥梁总数达到了5万余座，2008年，杭州湾跨海大桥通车，斩获了“菲迪克年度工程杰出项目奖”。之后一年，五桥连岛——舟山跨海大桥正式通车；2013年，嘉绍大桥正式通车，中国的桥梁建设技术又实现了多个“首创”。

近20年来，浙江省桥梁科技创新水平不断取得新的突破，依托浙江省交通厅科技项目《浙江省公路桥梁科技成果回顾和展望研究》，从浙江省公路桥梁工程建设的发展历程入手，对近年来公路桥梁工程的科技成果进行梳理，在已有桥梁科技成果的基础上，分析公路桥梁领域科学研究的短板，提出未来十年桥梁科技成果的发展方向。

1 大跨径桥梁建设历程

1.1 大跨径拱桥建设发展历程

浙江省2000年以后大跨径拱桥发展历程如图1所示，最大跨径为2017年建成的春晓大桥，主跨跨径336m。主拱结构类型以钢管混凝土拱为主，2006年建成的金竹牌特大桥和2019年建成的乌溪江大桥是钢管混凝土拱桥的代表，主跨分别为252m和260m。有少量的钢桁架拱桥(春晓大桥)和钢箱系杆拱桥(九堡大桥，主跨210m)。

图1 浙江省2000年以来大跨径拱桥发展历程图

乌溪江大桥主桥为跨径260m的上承式钢管混凝土拱桥，主拱采用四肢等截面钢管混凝土桁架结构，由两条拱肋及横向联接系构成，采用斜拉扣挂、缆索吊装方法施工；拱上立柱采用钢管混凝土格构柱，拱上盖梁为钢筋混凝土结构，顺桥向分为两片预制安装，现浇湿接头；主桥上部结构采用16m跨径T梁。

1.2 大跨径斜拉桥建设发展历程

2000年以后大跨径斜拉桥发展历程如图2所示，大跨径斜拉桥主要分布在东部沿海通道工程跨海湾节点上，钱塘江、甬江等越江工程跨航道节点上或者舟山连岛工程跨航道节点上，最大跨径斜拉桥为2012年建成的象山港大桥，主跨跨径688m。斜拉桥结构形式随着技术的进步也在不断发展创新，主梁结构形式由混凝土主梁逐渐发展成钢混组合梁，主塔锚固形式由环向预应力逐渐发展成为钢锚梁、钢锚箱等组合结构锚固形式。

图2 2000年以来大跨径斜拉桥发展历程图

浙江省斜拉桥的发展历程也是不断提高斜拉桥受力性能，提高斜拉桥经济性和耐久性的过程。最具代表性的斜拉桥有金塘大桥、象山港大桥等。

金塘大桥[1]主跨为620m的钢箱梁斜拉桥，提出了能够锚固空间索面斜拉索的钢锚梁和钢牛腿组合结构。钢锚梁由受拉锚梁和锚固构造组成。每对斜拉索面内的平衡水平分力由钢锚梁承受，部分不平衡水平分力通过梁端顶座传递到预埋钢板，由索塔承受；竖向分力通过牛腿传到塔身后，全部由索塔承受；空间索在面外的水平分力由钢锚梁自身平衡，不但成功解决了锚固区开裂问题，提高了结构耐久性，还有利于提高施工速度，保证施工质量，为国际首创，见图3。

图3 金塘大桥钢锚梁示意图

1.3 大跨径悬索桥建设历程

2000年以后大跨径悬索桥发展历程如图4所示，最大跨径悬索桥为2009年建成的西堠门大桥，主跨跨径1650m，建成时为国内最大单跨跨径桥梁结构。悬索桥结构形式以地锚式悬索桥为主，也有部分追求景观效果的自锚式悬索桥，如主跨260m的空间缆自锚式悬索桥—江东大桥，还有极个别的悬索桥如东苕溪大桥(主跨228m)采用了缆索承重混合体系结构。总的来看，浙江省内代表性的悬索桥主要有西堠门大桥、秀山大桥和瓯江北口大桥(建设中)等。

图4 2000年以来大跨径悬索桥发展历程图

西堠门大桥[2]是世界上抗风要求最高的桥梁之一，采用分体钢箱梁技术成功地解决了颤振稳定性问题，为世界第一座分体式钢箱梁悬索桥。大桥开展了大跨度缆索承重桥梁涡激振动动态监测研究(2016009)和大桥侧风行车安全及控制措施研究(2010H21)，解决了多项抗风技术难题。西堠门大桥首创了可变姿态的活动风障，保障了桥面行车与结构抗风的安全性，每年减少西堠门大桥因风关闭时间35d，显著提高了经济和社会效益。

西堠门大桥首次采用大直径、高强度等级、高破断拉力的钢丝绳制作吊索，并成功地解决了疲劳问题。在国内首次应用强度为1770MPa的平行钢丝制作主缆，节约工程投资约835万元，同时降低了施工难度。通过冶炼、轧制、拉丝等环节的研发、创新，依托项目实现了强度1770MPa的平行钢丝国产化。架设主缆首次采用水平成圈与放索工艺，提高了索股架设质量。研发了Φ5mm系列缆用高强度平行钢丝，达到了国际先进水平、填补了国内空白，并形成了规模化生产，产生了较大的经济效益。

2 大跨径桥梁科技成果总结分析

从科研项目立项时间、科技成果内容、科研成果鉴定及获奖、推广情况三个角度入手，对浙江省的公路桥梁科技成果(大桥共42个课题)进行分析。

2.1 科研项目立项时间

从图5可以看出，2005～2007年，正值金塘大桥、西堠门大桥建设时期，相关科研相继立项；另外，随着之江大桥、椒江二桥、嘉绍大桥等相继开工建设，一系列课题也就此开展，形成另一个科研立项的高峰期。

图5 科研立项时间分布

2.2 科研成果内容

就课题研究内容而言，见图6，结构设计优化类课题占课题总数的42.9%，大多数课题都是这个方向的相关内容。其中既包含了宏观的结构体系创新，也包含大跨径桥梁局部受力构造的细化分析；既有斜拉桥、悬索桥、拱桥等大跨径桥梁结构受力体系的关键技术研发，又有波流力、大跨径桥梁墩塔等下部结构的防撞专题研发。总体上看，各类大跨径桥梁专题研究为实现交通强省目标打下了坚实的基础。

图6 课题研究内容分布

施工工艺创新类课题占课题总数的19%，其研究内容以解决实际工程问题为主，针对大跨径桥梁钢箱梁主梁施工关键技术，开展了海洋环境钢箱梁运输、定位、架设、拼装等方面的技术研究，对提高施工质量和工艺水平，防治桥梁病害具有重要作用。

病害防治及维修加固类课题占课题总数的16.7%，大跨径桥梁病害防治及维修加固方面的研究工作起步相对较晚。省内直到2010年左右才陆续开展了结构耐久性方面的研究课题，经过多年的工程实践，浙江省在跨海大桥耐久性，大跨钢桥维护和维修技术方面也积累了很多的经验，对省内大跨径桥梁耐久性的提升起了很好的指导作用。

运营期检测和监测类课题占课题总数的21.4%，而且大都依托具体桥梁工程项目开展，以舟山大陆连岛工程为代表，取得了系列研究成果。包括浙江舟山大陆连岛工程桥梁健康监测及安全评价系统研究和设计等。为保障大桥长期服役性能提供了可靠的技术基础。

2.3 科研成果鉴定及获奖、推广情况

大跨径桥梁科技成果中，高达45%的课题达到了国际先进水平，鉴定结果在国际先进及以上的达54%，总体鉴定结果较好，见图7。

图7 科研成果鉴定情况

就课题获奖情况而言，省内公路桥梁科技成果获奖总数较少，仅一项成果获浙江省科技进步一等奖(2006H06西堠门大桥建设成套技术研究)，两项获中国公路学会科学技术一等奖(2006H06西堠门大桥建设成套技术研究，2011H17拱形钢塔斜拉桥建设和养护关键技术研究与工程示范)，一些成果较好的课题同时获得了多个奖项，但也有很多鉴定结果较好的课题并未进行后续的奖项申报工作。

很多大型工程项目都开展了多个专题的研究，如舟山跨海大桥建设过程中开展的“西堠门大桥建设成套技术研究(2006H06)”等，运营养护期间开展的“舟山跨海大桥耐久性提升技术研究(2013H28-3)”等。这些课题为具有重要意义的特大跨径或特殊结构桥梁提供了全寿命周期的技术支撑。

但是，省内桥梁科研课题形成的专利、软件著作权、专著等知识产权数量较少，且多集中在个别课题，由课题成果提炼的相关技术标准、指导手册、工艺工法等也较少；很多课题鉴定资料已经缺失，难以对其成果进行持续的跟踪评价。

3 浙江大跨径桥梁创新发展方向

根据已有的研究和新兴前沿技术两个方面，提出浙江省大跨桥梁的创新发展方向，引领省内交通运输高质量发展。

3.1 桥梁美学

桥梁美学，是当代大跨桥梁设计建设面临的热点问题。尤其在大跨桥梁概念设计和方案评选阶段，对桥梁美学的重视程度可以说已经超越了任何时候。但是，对桥梁美学理论的研究，还一直处于瓶颈期：一方面，美学思想和理论偏于感性，主观性较强，难以形成系统；另一方面，这方面的研究偏于社会科学，在当前以工程建设成果指标化的情况下，科研人员在短期内难以得到明显的回报；这也是当前桥梁美学越来越受到重视但工程人员也只当其一个兴趣爱好的主要原因。目前，桥梁美学理论，大多借助于建筑美学理论，还没有形成专门的桥梁美学理论或流派。

桥梁美学重点研究方向：

(1)桥梁美学理论及设计方法。

(2)桥梁附属设计与景观设计。

(3)基于BIM和人工智能技术的桥梁美学设计与实际的融合。

(4)桥梁美学与力学的融合。

3.2 高性能材料应用

目前高性能混凝土的种类众多，但实际运用较少，其在桥梁工程中的运用主要以UHPC为主，省内UHPC主要应用在预制梁接缝及墩柱、盖梁接缝等位置，将高性能混凝土应用于桥梁工程的探索与研究依然须继续努力。随着研究的深入，有望UHPC价格下降，增强UHPC在桥梁中的竞争力。

现阶段桥梁工程常用的FRP材料主要是树脂基的纤维增强聚合物，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及玄武岩纤维等增强聚合物，FRP材料适应了现代桥梁结构向大跨、轻质、耐久的需求，成为混凝土和钢材等传统建筑材料之外的重要工程材料。

高性能材料重点研究方向：

(1)基于UHPC材料的预制桥梁结构。

(2)纤维增强复合材料(FRP)桥梁设计、施工和监测规范体系。

(3)钢与UHPC组合桥面。

3.3 智能化检测、监测技术

从应用需求和技术发展趋势角度出发，未来省内大跨桥梁运营期检测和监测技术还有很多的研究方向和研究问题值得探索。

针对大跨桥梁的检测、监测装备与技术，应重点向轻型化、快速化方向发展，要求设备具备易安装、易维护的特性，在传统技术的基础上进行突破，如无人机、桥梁检测机器人等智能检测装备以及无需供电的低功耗传感技术、非接触式的测量方式等；对于大跨桥梁隐蔽工程，目前的检测手段较少，需要开发更多行之有效的无损探伤技术智能化检测、监测技术重点研发方向：

(1)钢桥疲劳裂纹智能探测技术。

(2)水下桩基础智能检测技术。

(3)新建桥梁嵌入式检测、监测模块开发。

3.4 桥梁信息化建管养

桥梁是巨大的公共资源，建立信息化决策支持系统，对桥梁资产的管理和养护具有重要意义。全面把握桥梁建造与服役全过程的结构状态与损伤演化趋势，制定主动、预防性的养护措施，将对预测损伤积累，延缓抗力衰减，恢复使用功能起到积极作用。

利用信息化技术连接桥梁工程全寿命周期不同阶段的数据、过程和资源，实现设计、施工、运维等阶段参与各方信息共享。

信息化建管养技术重点研发方向：

(1)路网桥梁数据管理与分析系统。

(2)桥梁建管养一体化信息管理系统。

4 结语

在信息化时代，人工智能、大数据、5G技术等信息技术不断成熟落地，新技术正逐渐应用于交通领域的方方面面，在信息化大背景下，桥梁工程领域也将产生深刻变革，分析桥梁成果研究现状，提出浙江省公路桥梁未来十年的发展方向，从产学研用全过程融合的维度入手，推动浙江省公路桥梁领域科技不断创新发展，促进已有科技成果的推广和应用，具有重要的意义。