回顧近年來我國大跨鋼橋的建設成就和技術進步、高性能橋梁用鋼的研發和應用、橋梁新的組合形式與體系、3D列印鋼橋雛形、正交異性鋼橋面和高強鉚釘等多方面的進展，對相關問題做了綜合分析。
我國大型鋼橋跨進世界行列
大跨懸索橋
2019年4月建成通車的廣東省南沙大橋(虎門二橋)坭洲水道橋，以主跨1688米超越了浙江省舟山西堠門大橋(主跨1650米)，躋身世界懸索橋的第二跨度；2019年10月建成通車的湖北省武漢楊泗港長江大橋（圖1），以主跨1700米成為懸索橋新的第二跨度。南沙大橋坭洲水道橋和楊泗港長江大橋的主纜均採用抗拉強度1960MPa的高強鋼絲製作。前者為八車道公路正交異性橋面鋼箱梁懸索橋，鋼箱梁全寬49.7米，高4.0米；後者為十車道與雙自行車道的雙層正交異性橋面(採用新型厚邊U肋橋面)鋼桁梁懸索橋，桁梁寬32.5米，高10米，採用了低屈強比的橋梁鋼材。
圖1 楊泗港長江大橋及其鋼桁梁與上層橋面
大跨斜拉橋
江蘇省滬通長江大橋為連接張家港與南通的主跨1092米公鐵兩用雙層橋面斜拉橋；上層為雙向六車道公路，下層為四線鐵路；鋼桁梁部分採用Q500qE級高強橋梁結構鋼；斜拉索採用抗拉強度2000MPa的高強平行鋼絲束；橋塔高330米。橋梁主體已經建成，將成為世界第二跨度斜拉橋和第一跨度公鐵兩用斜拉橋。
圖2 滬通長江大橋
大跨拱橋
我國在2009年建成世界第一跨度拱橋重慶朝天門長江大橋(主跨552米)、 2003年建成上海盧浦大橋(主跨550米)、2013年建成四川合江波司登大橋(鋼管混凝土桁架拱橋，主跨530米)後，2019年又建成湖北秭歸長江大橋，主跨519米(主孔兩過渡墩之間長度531.2米)的四車道公路鋼桁架拱橋，成為世界拱橋的第四跨度，使我國囊括世界拱橋跨度的前四位。
在鐵路拱橋方面，我國在2013年建成450米的南廣鐵路廣東省肇慶西江大橋、2016年建成445米的滬昆高鐵貴州省晴隆北盤江大橋後，主跨490米的雲南大理至瑞麗鐵路怒江大橋(圖3)主體結構已經建成，即將通車。該橋為提籃式上承鋼桁拱橋，拱上採用14×32.7米連續鋼箱梁鋪設道砟橋面，橋面寬24.9米，四線鐵路，用鋼量4.6萬噸，是世界第一跨度鐵路拱橋。此外，2019年12月建成通車的成都至貴陽高鐵跨越黔西縣鴨池河大橋，採用中承式提籃拱橋，混凝土部分外包鋼桁架拱，主跨436米。由此，我國囊括世界鐵路拱橋跨度的前四位。
圖3 大瑞鐵路怒江大橋
高橋
2016年，雲南與貴州交界建成跨度720米的世界第一高橋——杭瑞高速公路都格北盤江大橋，橋面離谷底565米；同年，湖北建成跨度900米的世界第二高橋——滬渝高速公路四渡河大橋，橋面離谷底560米。2019年底建成通車的貴州省餘慶至安龍高速公路平塘大橋兩主跨均為550米的組合梁高橋塔斜拉橋，橋梁全寬30.2米，雙向四車道，橋塔高度332米，為世界第二高塔斜拉橋。
優美而複雜的新首鋼大橋
以優美而複雜為突出特點的北京新首鋼大橋(圖4)位於北京長安街西延線上，橫跨永定河。橋梁為兩塔五跨鋼箱梁斜拉橋，主跨280米，橋寬54.9米，雙向八車道；鋼橋塔為空間複雜曲面傾斜拱形高低塔，高低塔在橋面以上高度分別為112.2米和65.9米；高塔南北塔柱角度分別為71.1度與61.3度，低塔南北塔柱角度分別為74.6度與58.4度，高低塔的塔柱在塔底中心的縱向間距均為25.1米；塔柱扭曲度由塔底至塔頂遞增，斷面尺寸遞減。橋梁總用鋼量達到難以想像的4.5萬噸(超過國家體育場「鳥巢」4.2萬噸的用鋼量)。據說，大橋設計採用「和力之門」寓意，從橋梁美學設計角度看，兩座拱形橋塔分別向東、西兩側傾斜，從高空俯瞰，猶如兩個面對面席地而坐的拔河健兒，腳抵著腳，手拉著手，各自向後用力拉伸，就像一座兼具力與美的鋼鐵藝術品。
圖4 北京新首鋼大橋及其橋塔曲面製造單元
材料加持提高鋼橋經濟性
高強鋼與高強鋼絲的研發與應用
高強鋼具有減少用鋼量、減少焊接工作量、節省運費、減輕結構自重等優勢，能夠帶來可觀的社會經濟效益。隨著冶金技術的發展，鋼材性能不斷提高，各國家和地區定義的高強鋼名義屈服應力也在不斷提高：歐洲Eurocode3規範規定為500～700MPa；澳大利亞AS4100規範規定為450MPa；我國香港規範定義為460～690MPa。2019年，「十三五」國家重點研發計劃「高性能橋梁用鋼」項目研製的690MPa級橋梁鋼通過專家評審。高強度鋼應用在橋梁中會導致鋼板厚度降低，其穩定性將更為顯著。針對高強度結構鋼抗震應用問題的研究表明，隨鋼材強度提高，其伸長率下降、屈強比提高且延性變差，這將阻礙高強度結構鋼在抗震結構中的應用。此外，對Q460鋼在高溫下的強度和彈性模量進行了研究，結果表明，Q460鋼的力學性能隨溫度升高而降低，其高溫下的強度折減率係數低於普通結構鋼。綜上所述，高強度鋼的應用可以為橋梁結構進一步發展奠定基礎，但是，其應用帶來的穩定問題、抗震問題和耐火問題需進一步研究。
除高強鋼板外，高強鋼絲也能提高結構效率，進一步增加橋梁跨越能力。國內外在高強鋼絲的研製上投入了大量精力，已發展了元素調控和冶煉工藝等高強鋼絲製造手段。如前所述，主跨1688米的南沙大橋坭洲水道橋，採用比常規懸索橋主纜強度更高的1960 MPa級熱鍍鋅鋁合金鍍層鋼絲，鋼絲用量減少量達11%，成本大幅降低；楊泗港長江大橋同樣採用了1960MPa高強鋼絲，也節約了工程造價。此外，滬通長江大橋在我國首次採用直徑7.0毫米的2000MPa鍍鋅高強鋼絲束，拉索用量有所減少，同時也成為大跨橋梁應用最高強度鋼絲纜索的新起點。
耐候鋼的研發與應用
據統計，全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經濟損失約達7000億美元，其中我國因金屬腐蝕造成的損失佔國民生產總值的4%。鋼橋在運營期內持續受到腐蝕作用，而耐候鋼的出現在一定程度上解決了此問題。耐候鋼也稱為耐大氣腐蝕鋼，它是在鋼材中添加磷、銅、鉻、鎳等微量元素，使其表面形成緻密和附著性強、50μm～100μm厚的非晶態尖晶石型氧化物層保護膜，阻礙鏽蝕向內部擴散和發展，保護鏽層下面的基體，減緩腐蝕速度，提高鋼材的耐大氣腐蝕能力。耐候鋼是現代冶金新技術、新工藝得以持續發展和創新的鋼材系列。
研究表明，耐候鋼也會發生鏽蝕，但其所含合金元素會增加鏽蝕層中α-FeOOH含量，導致鏽蝕層穩定，從而減慢腐蝕速率。與普通鋼橋相比，免塗裝耐候鋼橋梁不僅能節約建造成本、建造時間和維護成本，還能帶來巨大的環境效益，在發達國家使用已經超過半個世紀。美國的耐候鋼橋梁約佔鋼橋數量的50%，其中也包括1976年建成的第一跨度拱橋新河谷大橋(主跨518米)。實踐表明，免塗裝耐候鋼橋梁在使用過程中存在均勻腐蝕問題，其受腐蝕程度不僅與環境相關，還與橋梁部位有關；各發達國家已對免塗裝耐候鋼橋梁腐蝕問題進行了相應考慮和規定。此外，局部凹坑也有較大的腐蝕作用，將導致耐候鋼疲勞性能下降。因此，研究耐候鋼在坑蝕作用下的疲勞性能，有助於評估免塗裝耐候鋼橋梁的腐蝕-疲勞壽命。
近年來，我國已經有多座橋梁採用免塗裝耐候鋼。2019年建成的河北懷來官廳水庫公路大橋主橋為跨度720米懸索橋，主梁採用鋼的縱橫梁與混凝土橋面板組合結構，其中鋼梁採用免塗裝耐候鋼。正在建設中的拉林鐵路藏木雅魯藏布江大橋，橋梁為跨度430米的中承式提籃鋼管混凝土拱橋，其中橋梁主要鋼材採用Q345qENH和Q420qENH免塗裝耐候鋼。可以預測，我國將建設更多的免塗裝耐候鋼橋梁。
高性能鋼材冶煉製備的進展
傳統認識中，含碳量增加可以提高鋼材的強度，但會使鋼材塑性和韌性降低，同時還會影響鋼材的焊接性能。近年來，高性能鋼製備工業逐步出現各類在不增加含碳量的基礎上，加入其他元素來提高鋼材強度的方法，即微合金化。綜合Al、Mn和C元素對高強鋼性能的影響，表明添加Al、Mn和C元素將使得鋼材的冶煉、加工、顯微組織演變和變形機制等與常規鋼種大不相同，有助於推動低密度高強鋼的發展。此外，通過各種處理工藝也能夠改變鋼材的性能。通過晶格錯配和高密度納米析出的概念設計，在實驗室條件下製備出屈服強度2200MPa的超高強度馬氏體時效鋼，同時保持了良好的塑性(約8.2%)。因此，通過研究和應用合金元素、各種處理工藝和晶格錯配設計等技術，能夠進一步突破鋼材的性能限制，並有望在鋼橋中加以應用，從而進一步提高橋梁承載和跨越能力。
此外，我國已經研製Q690qE、Q690qENH和濱海耐候橋梁鋼材Q370qENHY等。平潭海峽大橋鐵路橫梁上翼緣採用軋制複合工藝的36毫米的Q370qD和3毫米的316L不鏽鋼複合板，解決其防腐問題。
多種優化組合結構與體系
鋼桁梁與混凝土剛構組合體系橋梁
為提高混凝土剛構橋的剛度、解決剛構橋後期下撓等問題，2019年主體建成的銀西高鐵漠谷河2號大橋主橋為(97+2×180+97)米孔跨，其中兩孔180米孔跨採用鋼桁梁加強混凝土連續剛構橋的形式，形成鋼桁梁與混凝土連續剛構組合體系橋梁(圖5)。這種橋梁設計理念與鋼拱和混凝土連續剛構的組合橋梁類似，後者如2019年建成的漢十高鐵崔家營漢江大橋，跨度組合為(135+2×300+135)米。鋼桁梁與混凝土連續剛構組合體系橋梁，鋼桁梁高度相對較低，在增加梁體豎向剛度的同時，也適度提高了梁體的橫向剛度，施工建造與後期維修養護更加簡便易行。
圖5 銀西高鐵漠谷河2號大橋主橋
兩主跨斜拉橋拉索交叉布置形式
2017年建成通車的英國昆斯費裡大橋(Queensferry Crossing，又稱福斯三橋)毗鄰1890年的福斯鐵路橋和1964年的福斯公路懸索橋，主橋兩主跨均為650米，是世界最大跨度三塔斜拉橋，採用組合梁，六車道橋面；單索麵斜拉索在兩主跨跨中一定長度範圍內採用交叉布置(如圖6)，既能有效地解決了多塔斜拉橋因中間橋塔縱向剛度不足，導致非對稱荷載作用下主梁豎向變形較大的問題，又能解決了一般斜拉橋跨中無索區梁段出現的較大軸拉力(甚至導致橫向開裂)等問題。這一革新性的拉索布置形式，可望成為斜拉橋設計與研究的熱點問題。
圖6 英國昆斯費裡大橋
鋼與FRP組合橋梁
早前提出在混凝土中添加複合加強塑料，用以提高混凝土抗拉強度，試驗效果顯著。該方法是用於FRP混凝土的非軸向強度模型，並通過試驗進行了驗證。還提出了複合材料對於混凝土梁抗剪性能的提高作用，並提出了相應模型。此外，研究表明，在增加配筋率的條件下，碳纖維增強複合材料板-混凝土組合梁的極限承載力將得到提高，且梁體變形減小。對FRP-鋼組合梁橋的連接界面受力特性的研究，採用彈性理論建立了FRP-鋼組合梁變形的微分方程，並計入了溫度和荷載的影響，有助於連接界面抗剪連接件的合理設計。鋼-FRP-混凝土組合梁橋的力學性能和設計方法的研究，指出了彎曲荷載作用下鋼-FRP-混凝土組合梁的破壞形態，並提出了組合梁抗彎承載力的計算方法。基於FRP材料的優點，提出了採用FRP材料對鋼橋加固的指南。綜上，纖維增強複合材料在鋼橋中的應用具有優勢：極高的強度質量比，能夠進一步實現主梁輕量化，同時也為橋梁的加固提供了新方法。此外，FRP材料在解決鬆弛問題與耐老化問題之後，也可能用於橋梁斜拉索和主纜。
3D列印打開鋼橋新大門
荷蘭科技公司MX3D在2015年正式啟動一項基於3D列印的不鏽鋼橋建設項目，通過3D列印技術和工業機器人製造一座跨度為18m的不鏽鋼人行橋(如圖7)，並計劃安裝在阿姆斯特丹老城的Oudezijds Achterburgwal運河上。該項目由多家科技公司和業界單位協同開展，目前已完成20噸靜力荷載的最終測試，下一步將進行傳感器安裝，以測試材料性能和結構使用數據。
圖7 MX3D列印鋼橋
2018年該項目獲得了「荷蘭設計獎」(設計研究類)，評審意見提到：「經過多年的耐心等待，MX3D列印的橋梁不僅消除了對數字製造的緊張期待，而且在阿姆斯特丹風景如畫的城市中心將改變烏託邦式建築，3D列印研究的飛躍為建築和金屬行業其他大型和公共應用開啟了一扇大門。評審組對看到它將如何被模仿和被引導到何處充滿好奇心。項目團隊設定了很高的標準，選用了非凡的鋼材：一種典型而保守的建築材料，以其極高靜力性能而聞名；設計所獲得的形式和材料自由形狀隱含著幾乎無法想像的意境。」
新型工藝提高鋼橋面耐久性
鋼與UHPC組合橋面
1978年阿根廷跨越巴拉那河的公鐵兩用斜拉橋(跨度為100+330+100米)的公路橋面，曾採用在正交異性鋼橋面上增加鋼筋混凝土板；早期的巴西裡約熱內盧聯邦大學針對裡約-尼特羅伊大橋(Rio-Niteroi Bridge，300米主跨連續鋼箱梁橋，1974年建成)的正交異性鋼橋面加固研究中，曾論證過在鋼頂板上焊剪力釘與鋪設120毫米鋼筋混凝土層的方法。其他國家多家研究機構陸續開展多項類似研究並投入應用。
我國在鋼與超高性能混凝土(UHPC)組合橋面的研究應用也取得多項重要進展。因為增設了UHPC層，鋼橋面的應力可以減低50%以上，直接改善橋面受力。自2011年首次在廣東肇慶馬房北江橋橋面加固改造工程的應用以來，已在60餘座橋梁中進一步推廣使用。2018年建成的杭瑞高速公路洞庭湖大橋，為主跨1480米懸索橋，鋼桁梁寬35.4米、高9米，六車道；橋面結構採用12毫米鋼頂板上焊接短剪力釘，鋪設鋼筋網，澆築40毫米的超高韌性混凝土(STC，經改性和強化的UHPC)和40毫米的磨耗層。研究表明，可望成為終身無需大修的超長壽命橋面結構，建設維護成本大幅度降低。
鋼橋面U肋雙面焊工藝
鋼橋面頂板與U肋連接焊縫採用內部焊接和外部焊接相結合(簡稱雙面焊)工藝，最早由日本阪神高速道路公司於2011年提出，同年在日本開始進行相應製造工藝研發（如圖8），即在完成外側75%熔透焊縫後，在U肋內側採用二氧化碳氣體保護焊形成貼邊角焊縫。2011年-2014年間，日本研究機構所開展的有限元分析表明：採用內焊工藝後，焊根處應力水平降低80%左右；內側焊縫的焊趾處應力水平為原焊根處應力水平的50%左右。2016年，我國研發的U肋內焊技術，完成包含U肋內焊(CO2氣保焊)在內的全自動生產線，在頂板與U肋焊縫自動化製造中加入雙面焊接技術。此後，對工藝進行改進：首先採用細絲埋弧工藝實現U肋內焊，然後在U肋外側採用埋弧焊工藝(船形位或平位)施焊。利用雙面埋弧焊熔深大的優勢，該工藝基本實現U肋腹板免開坡口的全熔透焊接，與U肋雙面氣保焊工藝相比，生產工效得到了提高。目前該技術已應用到湖北嘉魚長江公路大橋、湖北武漢青山長江大橋等多座橋梁。
圖8 鋼橋面U肋內焊機器人和雙面焊的焊縫形態
厚邊U肋正交異性鋼橋面
厚邊U肋正交異性鋼橋面的設計與研究理念是：在不改變U肋總體形態的前提下進行端部局部鐓厚，以增大可焊接熔深，從而提高鋼橋面頂板與縱肋連接焊縫的疲勞強度(如圖9)。2013年研究團隊對厚邊U肋鋼橋面進行了較為詳細的試驗研究，研究表明：厚邊 U 肋的使用有效地提升了該焊縫的疲勞強度，其應用能夠延長鋼橋面的使用壽命。相關研究成果現已納入行業標準《橋梁鋼結構用 U形肋冷彎型鋼》，並應用到四川成都鳳凰山高架橋、北京三元新橋、山西太原五一路橋、浙江湖州五一大橋、浙江魚山大橋、北京首都環線大橋和2019年通車的湖北武漢楊泗港長江大橋(主跨1700米雙層橋面懸索橋，共使用近7000噸)等工程中。
圖9 厚邊U肋鋼橋面
焊後退火處理的正交異性鋼橋面
正交異性鋼橋面是鋼橋主要的橋面形式，但由於其縱肋與橫肋數量較多，且焊接細節複雜、焊縫數量龐大，在焊接過程中不可避免會產生大量的焊接殘餘應力。現有的理論和試驗研究表明：焊接殘餘拉應力是影響正交異性鋼橋面連接焊縫疲勞性能的重要因素之一。如何消除正交異性鋼橋面焊接殘餘應力，已成為保證其正常服役亟待解決的難題。
借鑑壓力容器等行業的做法，焊後在退火爐中作退火處理工藝，是消除焊接殘餘應力的有效方法，用以細化鋼材經焊接後出現的粗大過熱組織與消除焊接殘餘應力。一般焊後退火工藝分為三個過程：即加熱、保溫、冷卻。其中主要的處理工藝參數含有加熱速度、保溫時長與冷卻速度等。當焊件升溫至一定溫度後，能夠產生由蠕變引起的應力鬆弛，並產生晶粒細化，從而消除由於晶格畸變產生的應力。關於焊後退火鋼橋面疲勞性能研究，通過足尺模型對比疲勞試驗的初步研究表明，焊後退火工藝能夠提高鋼橋面多種焊縫與構造細節的疲勞性能。
有前景的高強鉚釘連接
高強環槽鉚釘也稱高強鉚釘、鎖緊螺栓、胡克鉚釘等，從上世紀30年代發明以來不斷改進與完善，在歐美多國已廣泛應用到鐵路機車、車輛、鋼軌接長或鋼軌與道岔連接、空客飛機、寶馬汽車和其他機械設備等。我國從2003年開始引進和研發環槽鉚釘，用於鐵路貨車製造。美國、捷克、法國和德國等少數國家已經將高強鉚釘用於老式鉚接鋼橋的改造加固和新橋建設中。
高強鉚釘有如下突出優點：第一，釘杆的鉚接環槽與套環雙側、垂直密貼接觸，錨固牢靠，特別是在交變荷載作用下，防鬆動性能極高；第二，釘杆僅受軸向應力，其失效模式為純拉簡單應力狀態的斷裂，強度比同時受拉與受剪的複雜應力狀態下強度更高，無延遲斷裂問題；第三，鉚接操作用時少，每釘鉚接在10秒以內；第四，使用壽命長、免維護。鑑於目前橋梁中有用少數高強螺栓存在延遲斷裂等問題，高強鉚釘有望部分替代高強螺栓應用在鋼橋中。2019年，研究團隊對高強鉚釘接頭承載力和釘群效應問題，進行初步對比試驗和理論研究，研究表明，高強鉚釘可以部分替代高強螺栓。2019年底，四川省成都天府國際機場高速公路鋼混組合梁橋第一次採用高強鉚釘連接(如圖10)。
圖10 高強鉚釘和成都天府國際機場高速公路鋼混組合梁橋接頭
本文刊載 /《橋梁》雜誌 2020年 第2期 總第94期
作者 / 鄭凱鋒 衡俊霖 馮霄暘
作者單位 / 西南交通大學