创新发展的中国桥梁工程
王嘉炜 冯偲玫 刘嘉莉 苏诗玮
摘 要：本文通过对我国桥梁工程发展历程的回顾，介绍了改革开放30年以来我国桥梁在工程材料、勘察、设计、施工、管养等方面的新技术，并对我国未来桥梁技术的发展方向做了展望。
关键词：中国桥梁; 发展历程; 创新技术; 信息化
中图分类号：TU45? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? 文章编号：1006-3315（2020）11-183-002
1.中国桥梁的发展历程
千百年来，桥梁已经成为人们的生产和生活中必不可少的组成部分，一座座造福民生的幸福桥屹立在祖国大地上。南京长江大桥是长江上第一座由我国自行设计和建造的双层式铁路、公路两用桥梁，是中国桥梁建设的重要里程碑，具有极大的政治、经济和战略意义，被人们称为“争气桥”。随后，中国桥梁在吸收国际先进科学技术的基础上，创造了一个又一个“世界之最”，世界上最长的跨海大桥——港珠澳大桥，世界上第一高桥——北盘江大桥，全球最佳桥梁——胶州湾大桥，都出自中国。改革开放以来的40年，是中国桥梁发展的黄金时期，走过了三个阶段，即20世纪80年代的学习与追赶、90年代的跟踪与提高以及21世纪以来的创新与超越发展阶段。20世纪80年代到90年代是第一阶段，在拱桥方面出现了两种新型结构，以四川旺苍东河桥为例的钢管混凝土拱桥和以芜湖元泽桥为例的无风撑的下承式拱桥，反映出我国的桥梁行业在积极向国际的新潮流迈进。90年代初，我们努力学习和追赶国外桥梁的建设成就，1991年开工的上海杨浦大桥就是一次攀登，主跨602米的结合梁斜拉桥在1994年建成时居世界斜拉桥跨度之首，现名列第三。随后建成的江阴长江大桥，成为了中国首座跨径超千米——1385米的悬索桥梁，标志着中国正走向世界桥梁强国之列。在拱桥方面，建成的四川万县长江大桥成为了继武汉长江大桥和南京长江大桥后我国桥梁行业的又一里程碑。21世纪以来，我们桥梁的建造水平有了进一步的提高和突破，我国桥梁行业的工作者积极主动地发挥了创新和超越精神，建造了全球首座超千米跨径斜拉桥——苏通长江公路大桥;世界总体跨度最长、钢结构桥体最长、海底沉管隧道最长的港珠澳跨海大桥。这些桥梁的突出成就让我国成为了名副其实的桥梁大国。
截至2017年年底，中国已建成的桥梁数量超过83万座，获得了全世界对中国桥梁工程的认可。“21世纪的桥梁看中国”，已是世界桥梁建筑领域公认的观点，中国桥梁在中国乃至世界经济社会发展中的巨大作用和意义，充分展示出了中国桥梁建设者用智慧与创新打响的中国名片。
中国桥梁产业取得的这些成就离不开我国桥梁技术“集成-发展-创新”的发展规律，中国桥梁建设之所以取得突飞猛进的进展，主要在五个方面的技术上进行了发展创新。
2.材料技术创新
俗话说“巧妇难为无米之炊”，材料是一切工程的基础，特大桥梁的建设离不开材料技术的发展创新。到目前为止，中国已经实现能在国内生产高强度的混凝土、钢材、复合材料和智能材料，其中某些材料的生产技术也处于世界领先水平。
沪通长江大桥是主跨度超千米的公铁两用桥，属于特大桥，载重量非常大，而在此之前我国生产的最高强度级别的桥梁钢是Q420qE，不能满足如此高荷载的设计要求。在多方专家研讨攻关后，最终在国内首次采用了Q500qE级高强度钢及2000MPa级斜拉索新型材料。
除了传统建筑材料，新型材料的使用使得桥梁建设如虎添翼，如有记忆、自我修复功能的智能材料，这种材料有记忆合金、压电材料、光导纤维、自修复智能混凝土等，它们使得桥梁像生物一样具有了一定的自我检测和愈合功能，在桥梁建设和加固工程中的研究和应用已逐步开展。北盘江大桥是一座悬索式高架公路桥，横跨号称“世界大裂缝”的花江大峡谷，建设期间需要克服山峦叠嶂、沟谷纵横、地质复杂、气候恶劣等重重困难，为了有效避免传统混凝土施工中可能出现的空洞、蜂窝、麻面等质量问题，降低施工难度，节约施工成本，北盘江大桥在建设过程中研发了能够自己流动均匀填密的“智慧”混凝土，这种混凝土具有高流动性和良好的抗离析泌水能力，不光能保持干稠混凝土的良好性能，而且僅靠自身重力就能均匀密实地填充成型。
3.勘察技术创新
勘察技术是桥梁工程发展的先决条件，在施工前，通过勘察对地形、地质构造、地下资源蕴藏情况等进行实地调查。面对着浩瀚、一望无际的大海或者深不见底的峡谷，传统的以人工、经验为主的勘察和测量手段需要勘察设计人员跨越山区、在地形复杂的条件下进行工作，往往既艰苦又困难，无法适应在复杂地形地貌下的勘察任务。目前，在复杂工程上，我们主要应用遥感、全球定位系统、地理信息系统等现代空间信息技术来进行空间数据的获取和分析，为我国桥梁的建设提供准确和充分的地质地形资料。无人机摄影技术为勘察和设计提供了准确的地质判读数据，方便获取海域或者峡谷等工作人员无法到达的地方的影像资料，再利用影像处理软件对这些数据进行处理后就可以获得高质量、准确性好的测绘图。比如杭州湾跨海大桥不再采用传统的测量仪器，而是采用了全球定位系统（GPS），借助船体临时参考坐标系及桩身与桩架的相对位置关系，通过GPS系统，可以把握两个桩位设计与实际之间偏差，实现GPS系统对钢管桩的实时监控。
4.设计技术创新
设计是桥梁工程的灵魂，是设计理念与技术的完美结合。我国桥梁设计理念日益完善，从注重施工质量的可靠性设计向统筹考虑工程的设计、施工和运营维护的全寿命周期理念转变。在桥型和结构设计上，中国工程师研发了适用于当地条件的技术。包括各种创新桥型，比如港珠澳大桥的桥岛隧组合的设计。伶仃洋海域中的主航道受到航空领域的建筑物高度限制只能采用隧道，其他部位采用桥梁则更经济实用，为了实现桥梁与隧道之间的转换，选择在隧道两端修建人工岛，这就构成了港珠澳大桥的桥岛隧相结合的建设方式;还包括各种创新结构设计，比如拥有世界高度的矮寨特大悬索桥，设计采用塔梁分离式悬索桥结构，它的索塔位置距悬崖边缘仅70-100米，下面就是万丈深渊。不同于一般悬索桥设计中的塔与梁相接，矮寨特大悬索桥大桥设计因地制宜，大桥两个索塔分别立于两岸的山头上，两端分别与路面或者山体的隧道相接。这种桥梁设计不仅最大限度地减少了对山体的开挖，节省了投资，还实现了桥梁结构与自然景观的完美融合。
5.施工技术创新
中国拥有不同施工条件下各类型桥梁的施工技术，随着自动化水平、生产效率和质量稳定性的不断提升，桥梁行业的施工创新技术正迅速发展。比如马鞍山长江大桥左汊主桥位处河床宽、流速快的长江水道，跨江主体部分长达11.209千米，施工难度可想而知。大桥的中塔上塔柱高127.8米，这个高度不亚于古诗中“危楼高百尺，手可摘星辰”，超高索塔施工导致普通的塔吊无法满足其起重量和高度的施工要求[2]，我国自主研制的5200t塔式起重机解决了这一难题，标志着我国的超高桥塔的施工技术达到了国际领先水平。
杭州湾跨海大桥的滩涂区采用“整孔预制架”新技术[3]，这种技术通俗来说就像拼搭积木一样，提前制造好合适的积木块，然后将积木块拼接在一起组成桥梁主体。杭州湾跨海大桥就是提前在梁场制造好与桥面宽度等同的箱梁顶板，然后将这些顶板运到海上提前建好的桥墩上进行拼接。杭州湾是我国潮水落差最高的地方，怎么将这个“积木块”拼接呢？杭州湾跨海大桥的技术人员采用了大型平板车梁上运梁的工艺，去拼接“积木块”，这种方法是通过提升站将箱梁放至大型运梁车上，再采用1350t大型运梁车将箱梁运至待架位置。
贵州北盘江大桥地处高原边界深山地区，跨越河谷深切600米的北盘江“U”形大峡谷，地势十分险峻，地质条件非常复杂。当地地质灾害频发，风大、雾、雨、凝凍等恶劣的自然气候环境，这种气候环境常常给人一种“云深不知处”的感觉，大大影响了工程吊装技术。因此，该工程创新运用了纵移悬拼技术对钢桁梁节段进行吊装。这种技术是把长达12米、重160吨左右的钢桁梁节段在地面整体拼接完成后，通过吊机进行整体吊装。由于钢桁梁节段均是在地面拼接完成后，再进行整体吊装，对比传统在空中一节节拼接的工艺而言，安全系数更高，也更加方便。
6.桥梁监测和管养技术创新
随着桥梁工程建设的快速发展，保证桥梁长期运行和使用过程中的安全、稳定的是摆在我国桥梁建设工作者前面的重大挑战，解决这一问题的关键在于采取有效的手段监测和评估桥梁的安全状况[4]，对桥梁进行及时和有效的管养操作。
桥梁在建成通车后的20到30年之间，往往就进入了“高龄期”和“病发期”，对桥梁的运行状态不进行及时有效的跟踪监测，很容易发生因桥体质量不过关而导致的安全隐患。加上我国桥梁数量和使用年限日益增长，以人工检查、手工监测、经验决策为主要依据的传统监测和管养技术已经不能满足我们桥梁运行维护的要求。在桥梁监测技术上，信息化技术和设备的运用提高了监测的速度和准确性。沪通长江大桥的健康监测系统包括了测点的优化步骤、硬件设备集成、数据的自动分析和评定、自动预警的强大功能。大桥的结构振动监测系统改变了传统上的人工目测方法，也趋向集成化、智能化、标准化、深入化。港珠澳大桥的振动监测系统就结合了传感器系统、数据收集、分析和处理系统，结构状态的自动监测系统，有效地保证了施工到桥梁正常运行期间的结构安全性和稳定性以及桥体的质量。在桥梁的管养技术上，水流流态变化复杂的苏通大桥采用了动态的施工和维护管理方法，比如对施工前进行地形的扫测，施工进程中利用多波束侧深的方式进行抛投量策略。
7.我国桥梁发展的展望
中国在桥梁工程的技术创新方面已经取得了辉煌成就，但是，在一些基础理论研究和共性关键技术尚需突破，桥梁施工的精细化程度、工业化、信息化和智能化水平有待进一步提高。
新一轮科技革命和产业转型正在兴起，全球科技创新呈现出智能化、信息化的新发展趋势。新一代信息技术正在改变人类的生活方式，并给传统产业带来了革命性的变化。桥梁建设和养护技术是材料、设备制造、信息、节能和环保等产业发展的重要载体。因此，在新科技革命和产业转型的浪潮中，与新一代信息技术的全面融合，促进桥梁建设和养护技术全面转型升级，从而促进“第三代桥梁工程”的发展，是广大桥梁科研和技术人员期待的机遇和挑战。
参考文献：
[1]吴智深，刘加平，邹德辉等.海洋桥梁工程轻质、高强、耐久性结构材料现状及发展趋势研究[J]中国工程科学，2019，21（3）： 31-40
[2]明昕，戴研，明亮.马鞍山长江大桥右汊主桥边跨现浇段施工技术分析[J]工程与建设，2015，29（06）：855-857
[3]周盼，余琼.杭州湾跨海大桥桥型优化方案研究[J]山西建筑，2009，35（25）：315-317
[4]孔文亚，闫志刚.沪通长江大桥科技创新管理[J]铁道建筑，2017（02）：1-6
