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2021年度進展11:鋼橋

引言

在去年和前年撰寫前一年度鋼橋部分進展的基礎(chǔ)上,本文回顧總結(jié)土耳其1915恰納卡萊大橋、合江長江公路大橋、赤壁長江公路大橋、三明沙溪大橋、鳊魚洲長江大橋、藏木雅魯藏布江大橋、玉磨鐵路元江大橋、引江濟淮淠河大橋、埃及埃爾費爾丹鐵路新橋、克羅地亞佩列沙茨大橋、南沙港洪奇瀝大橋、中俄同江黑龍江鐵路大橋和武漢漢江灣大橋等2021年國內(nèi)外大型、特色鋼橋的建設(shè)成就與技術(shù)進步,大線能量焊接鋼、耐候鋼和高性能鋼、高韌性橋梁耐候鋼焊接材料和異形鋼板等鋼橋新型與特殊材料與構(gòu)件研究與應(yīng)用,焊后退火正交異性鋼橋面、鋼橋面焊縫疲勞開裂的無損檢測、既有鋼橋面的SFRC粘合修復補強等高性能鋼橋面研究與應(yīng)用,鋼橋的全壽命周期安全使用、大跨鋼橋的多荷載作用效應(yīng)、大跨鋼橋拉索的多荷載作用疲勞和大跨鋼橋的極端荷載作用效應(yīng)等鋼橋的安全耐久理念與方法研究等方面的新進展。掛一漏萬,歡迎同行指正。作者感謝鄭皆連、張雷、王應(yīng)良、肖海珠、文望青、瞿國釗、戴曉春、李銘、裴銘海、胥潤東、吳東升、孟續(xù)東、羅天、張銳、李劍鸞、殷亮等專家同行對本文兩次征求意見稿提出寶貴的修改與補充意見和提供相關(guān)資料等幫助。

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大型與特色鋼橋的建設(shè)成就與技術(shù)進步

1.1 世界最大跨度橋梁:土耳其1915恰納卡萊大橋
土耳其在馬爾馬拉海和愛琴海之間的恰納卡萊海峽(達達尼爾海峽)建造第四座連接亞歐大陸的1915恰納卡萊大橋(1915 ?anakkale K?prüsü,達達尼爾海峽大橋(?anakkale Bo?az K?prüsü))[1][2],以紀念土耳其奧斯曼帝國在1915年的重大事件(1915年3月18日,奧斯曼帝國軍隊在達達尼爾海峽擊退英法聯(lián)軍的入侵,即第一次世界大戰(zhàn)中著名的“達達尼爾海峽戰(zhàn)役”(也稱“加里波利戰(zhàn)役”(the Battle of Gallipoli)))。1915恰納卡萊大橋為雙塔三跨懸索橋,雙向六車道,主跨2023m,歐洲岸格里玻魯側(cè)和亞洲岸拉普塞基側(cè)邊跨均為770m,總長3563m;大橋主梁采用分離式鋼箱梁,兩箱體中部梁高3.5m,橫向凈間距9m,縱向每隔24m設(shè)置一道寬3m、高3.5m的橫梁,兩側(cè)箱外各設(shè)置3m維修道,梁體總寬45.06m;全橋箱梁分為87段吊裝節(jié)段;鋼橋塔總高318m;主纜采用預(yù)制平行鋼絲束(PPWS,主跨288束,邊跨296束);采用擴大基礎(chǔ)的重力式錨碇,橋塔基礎(chǔ)為混凝土沉井。
大橋業(yè)主方為土耳其交通部,項目施工采納PPP模式,建設(shè)-運營-移交模式的項目運營時間為16至18年;中標聯(lián)合體DLSY包括Daelim和SK兩家韓國公司、Limak和Yapi Merkezi兩家土耳其公司,每家各占25%,共投資25億歐元(28億美元);主體工程由丹麥科威咨詢公司(COWI A/S)設(shè)計,韓國PEC公司分包主纜和引橋設(shè)計,Arup公司和Aas-Jakobsen公司獨立復核;西南交通大學進行風洞試驗研究,四川路橋公司分包鋼箱梁吊裝等工程建設(shè)。橋梁主體工程和橋面鋪裝已在2021年完成(2022年3月通車),如圖1,成為世界最大跨度的橋梁,刷新了保持24年的日本明石海峽大橋(跨度1991m,1998年建成)的橋梁跨度世界紀錄,也是工程歷史上第一座跨度超過2000m的重要標志性橋梁。
圖1 土耳其1915恰納卡萊大橋
1.2 世界第二跨度飛燕式拱橋:合江長江公路大橋
四川合江長江公路大橋(合江三橋)主橋長668m,采用飛燕式鋼管混凝土桁架系桿拱橋(80.5+507+80.5)m[3][4][5],雙向六車道與雙側(cè)2.5m人行道,設(shè)計速度60km/h,如圖2所示。主拱跨度507m,矢跨比為1/4,拱軸系數(shù)為1.5;兩側(cè)的兩片鋼管混凝土桁架寬4m,上下游桁架中心距25.3m;每片桁架徑向高從拱腳14m變化至拱頂7m;上下弦桿為直徑1300mm、厚度26、30、32mm的Q345C鋼管,內(nèi)填C70混凝土,采用“三級接力,分級泵送”方法灌注;弦桿橫聯(lián)和腹桿采用直徑760mm和660mm鋼管;每側(cè)主拱桁架分為40個預(yù)制段,采用纜索吊裝、斜拉扣掛安裝;橋面以下的主拱和邊拱及其橫梁均外包C50混凝土成箱型截面;吊桿和立柱間距13m;吊桿和系桿均采用環(huán)氧噴涂φ15.2極限強度1960MPa鋼絞線索,全橋系桿索24根,每根由55束鋼絞線組成,分3次張拉;采用工形截面縱橫梁與帶鋼底板的鋼筋混凝土板的組合橋面結(jié)構(gòu),其中吊桿處設(shè)置主縱梁和主橫梁,主縱梁間設(shè)置兩道次縱梁,主橫梁間設(shè)置3道次橫梁,鋼底板厚8mm;車行道鋪設(shè)5cm的改性瀝青混凝土,人行道鋪設(shè)1cm的聚氨酯橡膠板;一個主墩采用樁基、承臺、墩身與拱座組合的重力式結(jié)構(gòu),另一主墩采用擴大基礎(chǔ)、墩身與拱座組合的重力式結(jié)構(gòu)。
合江長江公路大橋2021年6月建成通車,成為世界第二跨度的飛燕式拱橋,也是世界第8大跨度拱橋,居主跨560m的廣西南平三橋、552m的重慶朝天門長江大橋、550m的上海盧浦大橋、530m的四川合江波司登大橋、519m的湖北秭歸長江大橋、518.2m的美國新河谷大橋(New River Gorge Bridge)和510.5m美國貝永大橋(Bayonne Bridge)之后,是我國成為世界公路拱橋的大國與強國的又一標志。
圖2 合江長江公路大橋
1.3 世界最大跨度組合梁斜拉橋:赤壁長江公路大橋
國道G351臺州至小金公路跨越長江的湖北赤壁長江公路大橋為雙塔雙索面組合梁斜拉橋,橋跨布置為(90+240+720+240+90)m,主跨720m,南、北橋塔分別高223m和217m,2021年9月建成通車[6][7][8],如圖3所示;橋面全寬36.5m,采用雙側(cè)箱形梁、鋼橫梁、小型鋼縱梁和混凝土橋面板組成的組合梁結(jié)構(gòu);標準段鋼梁高3.18m,下翼緣采用變寬變厚形式,寬2.45~3.20m,厚32~70mm;橋面板厚26cm;索塔錨固采用特殊鋼錨梁結(jié)構(gòu);是世界最大跨度的全組合梁斜拉橋。
圖3 赤壁長江公路大橋及其組合梁截面
1.4 世界第二跨度鋼桁架與混凝土橋面板組合連續(xù)剛構(gòu)橋:三明沙溪大橋
福建省莆炎高速公路三明段沙溪大橋主橋布置為(100+176+176+100)m,雙幅全寬33.5m,最高橋墩117m,雙向六車道,設(shè)計時速100公里;橋梁跨越205國道、沙溪河、鷹廈鐵路和月亮灣景區(qū);主橋采用變高鋼桁架與混凝土橋面板組合的連續(xù)剛構(gòu)體系,鋼桁梁采用全焊接、免涂裝耐候鋼 Q500/420/345qDNH(耐候指數(shù)≥6.0),工廠化預(yù)制橋面板采用 C50混凝土,現(xiàn)場濕接縫主要采用C50自密實微膨脹混凝土,墩頂負彎矩區(qū)采用超高性能混凝土(UHPC);墩頂前后兩節(jié)間下平聯(lián)設(shè)置混凝土板(預(yù)制底模和現(xiàn)澆成型);全橋均未布置預(yù)應(yīng)力鋼筋(包括墩頂);施工采用一組纜索吊機(4×35t)吊裝84個鋼桁節(jié)段(平均1.5個節(jié)段/天)和預(yù)制橋面板;橋梁主體2021年底建成[9],如圖4所示,是世界第二跨度的鋼桁組合連續(xù)剛構(gòu)橋,也是世界最大跨度的該類結(jié)構(gòu)公路橋。
沙溪大橋在結(jié)構(gòu)體系、材料、制造、施工和后期管養(yǎng)等方面采用創(chuàng)新技術(shù)與科學理念,有望克服和避免常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)自重大、預(yù)應(yīng)力體系相對復雜、施工周期較長、易出現(xiàn)后期跨中下?lián)吓c腹板開裂等病害問題,這種鋼桁組合連續(xù)剛構(gòu)橋具有良好的應(yīng)用前景,甚至可以應(yīng)用到更大跨度橋梁。
圖4 三明沙溪大橋
1.5 世界最大跨度交叉拉索鋼箱混合梁鐵路斜拉橋:鳊魚洲長江大橋
京港高鐵安慶至九江段鳊魚洲長江鐵路大橋北側(cè)位于湖北黃梅縣、南側(cè)位于九江市,為4線鐵路橋(兩線350km/h高鐵和預(yù)留兩線200km/h客貨共線),全長1320m、主橋(南汊航道橋)橋跨布置為(50 50 224 672 174 50 50 50)m,主跨672m,采用雙塔雙索面、主跨跨中交叉布置拉索、鋼箱與混凝土箱的混合梁(中跨與輔跨主體為扁平流線型鋼箱梁,邊跨為混凝土箱梁)等構(gòu)造形式的鐵路斜拉橋[10][11];鋼箱梁為單箱三室截面,頂寬32.1m、中心梁高4.79m,頂、底板采用正交異性板,頂板采用316L不銹鋼和Q370qE復合鋼板,其它部位采用Q370qE鋼;標準段頂、底板厚14mm(橋塔和混合段附近逐漸加厚至22mm),橫隔板間距3.0m,混凝土道砟槽板用焊釘連接頂板;鋼軌下方設(shè)置8根小縱梁,其節(jié)段連接采用栓焊組合方式。混凝土梁寬32.2m、梁高4.94m(頂板與道砟槽板合并),標準段頂、底板厚40cm(混合段附近逐漸加厚至70cm),腹板厚280cm,標號為C55;箱梁采用半飄浮體系,塔梁設(shè)置縱向阻尼裝置、橫向設(shè)抗風支座,邊墩中心設(shè)置橫向限位裝置;伸縮縫和軌道溫度調(diào)節(jié)器采用位移量正負800mm的下承式結(jié)構(gòu);如圖5所示,是世界第一座交叉拉索鋼箱混合梁鐵路斜拉橋、世界第二座采用交叉拉索的大跨斜拉橋,也是世界運營速度最高的鐵路大跨斜拉橋。
多線路、荷載重、速度高的鐵路橋梁要求結(jié)構(gòu)具有更高的剛度,通常采用鋼桁梁。鳊魚洲長江鐵路大橋南汊航道通行船只多,為減少對航道影響,采用剛度相對較小的鋼箱梁大節(jié)段吊裝架設(shè);為彌補其剛度相對較小的不足,在主跨跨中72m范圍內(nèi)交叉布置拉索(類似于英國昆斯費里通道(Queensferry Crossing,福斯三橋,單索面、兩主跨650 m組合梁公路斜拉橋)在兩主跨跨中交叉布置拉索),實現(xiàn)了不過量增加主梁和拉索,橋梁的撓跨比達到1/687,列車橫向與豎向振動加速度為0.78與1.26m/s2,脫軌系數(shù)0.29,輪重減載率0.54,斯佩林指標2.78,取得良好效果。
圖5 鳊魚洲長江大橋及其箱梁吊裝
1.6 世界最大跨度高原鐵路拱橋:藏木雅魯藏布江大橋
藏木雅魯藏布江大橋是川藏鐵路拉薩至林芝段最大的雙線鐵路橋梁,如圖6,位于加查縣境內(nèi)雅魯藏布江的桑加峽谷、藏木水電站上游庫區(qū),水深66m,橋址海拔3350m,全長525.1m,兩岸對接隧道;主橋為跨度430m的提籃式鋼管混凝土桁架拱橋,矢高112m,矢跨比1:3.8,拱軸系數(shù)2.1;主拱桁架內(nèi)傾角4.59°,拱腳和拱頂桁寬為25m和7.08m;拱腳和拱頂主拱徑向桁高15m和8.8m;主拱桁架弦桿鋼管直徑為1600mm(拱腳局部為1800mm),壁厚為24~52mm;鋼管桁架弦桿采用Q420qENH,腹桿、橫撐和橫梁采用Q345qENH免涂裝耐候鋼(全橋耐候鋼用量1.28萬t);弦桿鋼管內(nèi)填C60自密實無收縮混凝土[12]。
藏木雅魯藏布江大橋施工條件極其嚴酷,建設(shè)周期5年多,2021年建成通車;是我國第一座高原大型鐵路免涂裝耐候鋼橋梁,為今后建設(shè)耐候鋼橋梁積累許多重要經(jīng)驗;成為世界最大跨度的高原鐵路橋梁,也是世界第5跨度的鐵路拱橋。包括2020年建成主跨490m云南大理至瑞麗鐵路怒江大橋、2013年建成450m南廣鐵路廣東省肇慶西江大橋、2016年建成445m滬昆高鐵貴州省晴隆北盤江大橋、2019年建成436m成都至貴陽高鐵跨越黔西縣的鴨池河大橋在內(nèi),我國囊括世界鐵路拱橋跨度的前5位,是我國成為世界鐵路拱橋大國與強國的重要標志。
圖6 藏木雅魯藏布江大橋
1.7 世界最大跨度鐵路連續(xù)鋼梁橋:玉磨鐵路元江大橋
中國昆明與老撾萬象鐵路(設(shè)計時速160km客貨共線)玉溪至磨憨段元江大橋在元江哈尼族彝族傣族自治縣境內(nèi),處于高烈度地震區(qū)域,主橋橋跨布置為(108.0+151.5+249.0+151.5+108.0)m,采用上承式變高連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu),鋼梁長770.0m[13];主桁采用N形和K形腹桿,邊支點和中跨跨中的桁高16m,中支點36m;桁寬 16m,節(jié)間長度 13.5m (中支點附近四個節(jié)間15m);正交異性橋面在主桁上弦,除節(jié)點橫梁外,每個節(jié)間內(nèi)設(shè)置 4道中間橫梁,間距為2.7m(3m),橋面橫向設(shè)置19條U肋和4條板肋;主桁下弦桿節(jié)間設(shè)置交叉式平聯(lián);主桁采用Q420qE和Q370qE鋼材,橋面板采用Q370qE,聯(lián)結(jié)系均采用Q345qD,維修通道、檢修爬梯和防護欄桿采用Q345C和Q235B,用鋼量2.02萬t;4個中間橋墩均采用多重鋼構(gòu)件連接的鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu),包含兩個分離式墩柱、交叉式鋼桿件橫向聯(lián)結(jié),其中3號橋墩高154m;1號和4號墩墩頂橫向?qū)?2m、縱向?qū)?.6m,設(shè)4m實體段,墩頸壁厚0.6m,2號和3號墩頂橫向?qū)?4m、縱向?qū)?m,設(shè)4m實體段,墩頸壁厚0.8m,橋墩縱橫向均放坡,外坡55:1,內(nèi)坡80:1;主墩采用直徑2.5m的樁基礎(chǔ),最長樁長71m;橋梁通過布置減振耗能裝置實現(xiàn)地震力在墩臺間的合理傳遞,提高高墩橋梁的抗震和減振性能。元江大橋于2021年12月通車,如圖7,是世界最高橋墩鐵路橋,也是世界最大跨度的鐵路連續(xù)鋼梁橋。
圖7 玉磨鐵路元江大橋
1.8 世界最大跨度通航渡槽橋:引江濟淮淠河大橋
安徽省的引江濟淮工程溝通長江、淮河兩大水系;其中淠河通航渡槽橋設(shè)計流量為150m3/s,水深4m(校核水深5.05m),過水斷面凈寬32m,為合肥市區(qū)重要的供水渠道;VI級航道,通行100t船舶;渡槽總長 350 m,其中主橋跨越引江濟淮II級航道,為(68+110+68)m變高連續(xù)鋼桁梁,全長246 m,采用分離式雙幅(槽)橋梁;單幅橋水重約1.98萬t,雙槽水荷載1616kN/m(近135倍的公路I級車道荷載);單幅頂部全寬24m、底寬22m,桁架內(nèi)側(cè)渡槽過水斷面凈寬16m,側(cè)壁高7m,采用復合不銹鋼波形腹板,型號為2000,迎水面均采用4mm厚316L不銹鋼;全橋鋼材為Q345qD、Q420qD和316L復合不銹鋼,總用鋼量2.1萬t。渡槽橋2021年5月建成[14][15],如圖8,跨度略大于德國馬格德堡渡槽橋(Magdeburg Water Bridge,(57.1+106.2+57.1)m,全長220.4m,凈寬34m,水深4.25m,1997年建成),成為世界最大跨度與最大規(guī)模的通航渡槽橋。
圖8 淠河通航渡槽橋及其波形鋼腹板槽體
1.9 世界最大跨度開啟橋:埃及埃爾費爾丹鐵路新橋
跨越埃及埃爾費爾丹(El Ferdan)蘇伊士運河東航道的鐵路新橋主跨為(150+340+150)m雙線鐵路的雙翼平轉(zhuǎn)開啟橋,設(shè)計列車活載為兩線UIC 71,設(shè)計速度80km/h;采用變高鋼桁梁和正交異性鋼橋面,支點梁高63m;用鋼量1.47萬t;兩側(cè)桁梁轉(zhuǎn)鉸直徑18m,重400t,單鉸承重9000t;兩側(cè)桁梁繞轉(zhuǎn)鉸平轉(zhuǎn)時,岸側(cè)設(shè)置圓弧形滑道支撐桁梁端部(平轉(zhuǎn)過程、航道過船過程均形成兩點支承懸臂桁梁);橋梁由我國企業(yè)承包建設(shè),鋼構(gòu)件在國內(nèi)制造后運送至橋位架設(shè);橋梁主體在2021年底建成[16][17][18],如圖9,跨度與埃爾費爾丹蘇伊士運河西航道鐵路橋(單線鐵路,2001年建成,現(xiàn)由我國企業(yè)承包改造成雙線和加強)相同,并列為世界最大跨度的開啟橋。
圖9 埃及埃爾費爾丹鐵路新橋
1.10 世界最長聯(lián)矮塔斜拉橋:克羅地亞佩列沙茨大橋
克羅地亞的佩列沙茨橋(Pelje?ac Bridge)[19]連接該國本土和佩列沙茨半島,位于高地震烈度(1/475地震基本加速度為0.34g)和強風(1/475基本風速為33.7m/s)地區(qū);處于波黑涅姆海港的唯一航道,橋下通航凈空要求為200m寬、55m高;橋跨布置為(84.0+108.0+108.0+189.5+5×285.0+189.5+108.0+108.0+84.0)m,共2404.0m,部分處在平面彎道上;中間部分為6塔7跨單索面流線型鋼箱梁矮塔斜拉橋,雙向兩車道和兩應(yīng)急車道;除塔墩梁結(jié)合段采用預(yù)應(yīng)力混凝土外,其余均采用鋼箱梁,用鋼量3.47萬t。單箱三室正交異性橋面鋼箱梁高4.5m(高跨比為1/63.3),全寬22.5m,底板寬8.1m,兩側(cè)下斜腹板傾角24°;采用空腹式橫隔板,標準間距為4m;有索跨的中間箱室寬3.1m,無索跨的中間箱室寬8m。有索跨采用懸臂拼裝,節(jié)段長度12m,無索跨陸上部分在支架上拖拉施工,節(jié)段長度為12m,海上部分采用大節(jié)段吊裝,節(jié)段長度為36、52和56m。橋梁主體2021年底建成,如圖10,是世界最長聯(lián)(最大連續(xù)長度)的矮塔斜拉橋。該橋是我國企業(yè)通過現(xiàn)匯競標獲得的第一個歐盟基金項目,是克羅地亞規(guī)模最大的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目,也是歐洲近年來較大規(guī)模的橋梁工程。全橋鋼箱梁節(jié)段在我國國內(nèi)工廠加工制造,長途海運至橋位架設(shè)。
圖10 佩列沙茨大橋及其鋼箱梁截面與節(jié)段制造
我國企業(yè)在制造中執(zhí)行歐盟標準《鋼結(jié)構(gòu)和鋁結(jié)構(gòu)的施工:第2篇 部分鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)要求(EN1090-2:2018)》的EXC4最高等級要求,其中包括原材料可追溯性、制造允許公差、焊接過程準備、焊縫驗收標準、外觀等級、程序性文件等[20]。EXC4的鋼結(jié)構(gòu)外觀要求包含:不允許隨意點焊馬板、吊耳等附件或者卡痕出現(xiàn),以保證母材質(zhì)量(如必要有,則附件移除后必須進行打磨、無損檢測、修補、再次打磨、再次無損檢測等);在鋼箱梁涂覆前,焊縫外觀、零部件等鋼材表面須滿足P3的表面處理等級等相關(guān)更高要求。鋼箱梁制造中梁體翻身傳統(tǒng)采用的虎頭卡具,容易造成板單元面板母材表面的損傷、留有卡痕等,后期修復需要付出較多的人力、財力、物力和時間。承建單位采用無碼組裝、多拼板單元、無卡痕翻身、合理設(shè)置腳手架等工藝,減少對母材的損傷;采用合理的板單元焊接技術(shù)、臨時附件的移除與修補、表面的打磨與拋光等技術(shù)措施,提高鋼箱梁的整體制造質(zhì)量。這些技術(shù)措施為我國提高鋼梁制造質(zhì)量與水平積累了寶貴經(jīng)驗。
1.11 世界最大跨度鐵路連跨鋼拱橋:南沙港洪奇瀝大橋
廣東南沙港鐵路洪奇瀝大橋跨越中山市洪奇瀝水道,主橋采用(138 360 360 138)m鋼桁梁柔性拱的兩主跨連跨拱橋[21],如圖11所示。橋梁采用三角形桁梁,節(jié)間為13.5m和14.0m,標準桁高16.0m,支座處加大至32.0m;拱肋軸線采用二次拋物線,桁梁上弦以上矢高65.0m;桁梁弦桿、拱肋均為焊接箱形截面;桁梁桿件采用整體節(jié)點栓接,拱肋采用焊接;采用Q370qD鋼材;兩主拱共有84組平行鋼絲索吊桿,吊桿與上弦和拱肋均采用鋼錨箱連接;桁梁下弦節(jié)點處設(shè)置魚腹式變高橫梁(高2.15m至2.5m),橫梁間通過4根縱梁相連,縱梁橫向間距2m;縱梁上面采用自重較輕的混凝土軌枕板無砟橋面;采用水平熔斷型支座、縱向粘滯阻尼器、橫向E型鋼阻尼器等組合抗震措施。該橋采用先梁后拱的施工方法,中間204m主拱拱肋采用大節(jié)段整體提升方案安裝。橋梁2021年12月建成通車,成為世界最大跨度的鐵路連跨鋼拱橋,同時也是最大跨度的鐵路鋼桁梁柔性拱橋。
圖11 南沙港鐵路洪奇瀝特大橋
1.12 世界首座套軌鐵路鋼橋:中俄同江黑龍江鐵路大橋
中俄同江黑龍江鐵路大橋位于黑龍江省同江市,跨越黑龍江,全長7194m,引橋長4979m,主橋長2215m,其中中方境內(nèi)主橋長1886m,俄方境內(nèi)主橋長329m,設(shè)計運營時速100km。中方負責建設(shè)1孔144m和16孔108m簡支鋼桁梁橋,引橋為152孔32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋;俄方負責建設(shè)1孔132m、1孔108m和1孔60m簡支鋼桁梁橋。中方負責的144m鋼桁梁采用三角再分型桁架,桁高21m,節(jié)間長12m,主桁橫向中心距8m,橫梁間距12m;支承軌道板的兩道縱梁連續(xù)布置。108m鋼桁梁采用三角形桁架,桁高15m,除端部節(jié)間長10.5m外,其余節(jié)間長11m,主桁橫向中心距8m;在下弦各節(jié)點處設(shè)置橫梁;支承軌道板的兩道縱梁連續(xù)布置。鋼桁梁主要受力桿件采用Q370qE鋼材,上平縱聯(lián)、橋門架和橫聯(lián)等桿件采用Q345qE鋼材,橋梁采用高強螺栓連接。橋面軌道采用4根鋼軌的套軌形式,分別采用軌距為中方的1435mm和俄方的1520mm的單線套軌(雙軌距)形式,可通行兩國列車,兩組軌道中心間距0.8m;橋梁采用新型縱向分段的預(yù)應(yīng)力混凝土無砟軌道板形式,具有自重相對較輕、不易開裂、標準化預(yù)制與安裝和較好的車-橋動力性能等優(yōu)點。鋼桁梁的下平縱聯(lián)與橋面系采用新型連接形式:將下平縱聯(lián)交叉斜桿與縱梁下翼緣連接,縱梁通長不斷開,使橋面系與下平縱聯(lián)形成整體,共同參與桁梁受力與變形;為提高縱梁、橫梁與下弦桿在縱向變形的一致性,在每跨首尾第二個下弦節(jié)點設(shè)置較強勁的雙撐桿,分別連接縱梁與第一和第三橫梁的交點,由此減小橫梁面外變形與應(yīng)力;無斷開的連續(xù)縱梁,有利于行車平順、結(jié)構(gòu)耐久,同時方便檢查和維護。橋梁主體結(jié)構(gòu)和鋪軌于2021年9月完成[22],如圖12所示,成為世界第一座套軌鐵路橋梁。
圖12 中俄同江黑龍江鐵路大橋
1.13 我國首座使用Q690高強鋼橋梁:武漢漢江灣大橋
湖北武漢漢江灣大橋(漢江七橋)采用(132+408+132)m孔跨的中承式鋼桁拱橋,橋面寬47m,雙向6車道(可拓寬至8車道)[23][24];采用板桁組合結(jié)構(gòu)、頂板與焊接U肋全熔透技術(shù),受力較大的中跨第3至第9節(jié)間拱桁下弦桿采用Q690qE高強度橋梁鋼(板厚為32mm和50mm);橋梁2021年5月建成通車,如圖13,是我國第一座采用Q690級高強鋼材的大型橋梁。
圖13 武漢漢江灣大橋
Q690qE高性能橋梁鋼屈服強度690MPa,極限強度810MPa,屈強比不大于0.85,延伸率大于0.14,-40℃沖擊功Akv大于120J;鋼板交貨狀態(tài)為TMCP與回火工藝;鋼材含Ni、Cr和Cu等合金元素,成分控制比較穩(wěn)定,有一定的耐蝕性能;同時添加Ti、Nb和V等微量合金元素,能產(chǎn)生晶粒細化和沉淀強化等作用,改善組織性能,提高強度;鋼板有良好的低溫韌性和可焊性,32mm和50mm厚鋼板碳當量CEV分別為0.57和0.53,裂紋敏感指數(shù)Pcm分別為0.23和0.21,焊接的理論預(yù)熱溫度分別為112℃和126℃;采用埋弧焊焊接試板試驗表明,試驗溫度-40℃的焊縫中心和熱影響區(qū)的沖擊功Akv分別為80J和180J;-60℃的焊縫中心和熱影響區(qū)的沖擊功Akv分別大于60J和120J。Q690qE等高性能橋梁鋼材具有良好的應(yīng)用前景。

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鋼橋新型與特殊材料與構(gòu)件研究與應(yīng)用

2.1 大線能量焊接鋼
大線能量焊接傳統(tǒng)低合金高強度鋼會降低焊接熱影響區(qū)的韌性,容易產(chǎn)生焊接裂紋等。大線能量焊接鋼在焊接中能夠采用比一般條件高得多的線能量,同時焊接熱影響區(qū)韌性不會顯著降低、也不易產(chǎn)生焊接裂紋?!洞缶€能量焊接用鋼(GB/T38817-2020)》[25]規(guī)定,該種鋼焊接線能量大于50kJ/cm,屈服強度范圍為355MPa~500MPa。大線能量焊接鋼主要通過合理的成分設(shè)計和氧化物冶金技術(shù)兩種方法改善低合金高強度鋼焊接熱影響區(qū)的韌性[26]。
不同元素對鋼材性能有不同的影響規(guī)律,因此,可增加錳和微合金化元素質(zhì)量分數(shù),提高強度,降低碳質(zhì)量分數(shù)保證焊接性,控制其它不利元素的質(zhì)量分數(shù)以保證綜合性能,指導設(shè)計出經(jīng)濟、高強、高韌性和焊接性優(yōu)良的大線能量焊接用鋼[27]。此外,氧化物冶金技術(shù)在大線能量焊接用鋼中應(yīng)用較為有效:氧化物通過形成細小彌散的微細夾雜,在焊接過程中抑制奧氏體長大和控制組織轉(zhuǎn)變,可以使大線能量焊接用鋼粗晶區(qū)韌性保持在一個較好的水平。
目前,大線能量焊接用鋼主要應(yīng)用于船舶、海洋工程、建筑、石油儲罐和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施和大型建筑當中;深中通道沉管隧道鋼殼項目首次批量使用大線能量焊接橋梁鋼,鋼板最高強度為420MPa,最大厚度為40mm,最大焊接線能量為270kJ/cm,這標志著我國大線能量焊接橋梁用鋼的研究應(yīng)用又有新突破[28]。
2.2 耐候鋼和高性能鋼
傳統(tǒng)耐候鋼通常含有較高的Cu、P、Ni等元素,提高其抗腐蝕性能。研究表明,海洋環(huán)境中抗腐蝕的耐候鋼,Mo元素形成的MoO2和MoO3可促進γ-FeOOH轉(zhuǎn)化α-FeOOH,提高其抗腐蝕性能[29]。Fu等人[30]通過開展模擬工業(yè)大氣的加速腐蝕試驗,對Q345qDNH的腐蝕性能和銹層產(chǎn)物進行研究,結(jié)果表明,該耐候鋼在大氣環(huán)境中有更高的抗腐蝕性能。此外,Xu等人[31]同樣研究了在海洋環(huán)境中,耐候鋼元素對抗腐蝕性能的影響,結(jié)果表明Al和Mo元素能提高耐候鋼銹層在海洋環(huán)境中的穩(wěn)定性,并提高耐候鋼的抗腐蝕性能。Zhou等人[32]針對耐候鋼銹層裂紋發(fā)展開展研究,結(jié)果表明,耐候鋼內(nèi)部銹層比外部銹層具有更高的耐熱沖擊性能;由于腐蝕深度發(fā)展和橫向擴展交替發(fā)生,其表面銹層由平行于界面的交替帶狀結(jié)構(gòu)組成。耐候鋼抗腐蝕性能研究表明,在經(jīng)過改良后能夠具有更高的抗腐蝕性能,并能適應(yīng)更多極端環(huán)境;此外,腐蝕后的耐候鋼還需要具有足夠的力學性能和疲勞強度才能更好地用于橋梁建設(shè)。Shi等人[33]開展A709 Grade 50CR鋼組合梁足尺力學試驗和細節(jié)疲勞試驗,利用均勻腐蝕模型,考慮截面均勻削弱情況下,組合梁橋力學性能和疲勞強度的削減。郭宏超等人[34]對經(jīng)加速腐蝕后的Q690高強鋼進行了高周疲勞試驗,結(jié)果表明,腐蝕100天質(zhì)量損失率為7.21%,腐蝕60天后,試件疲勞極限降低了30.15%。張宇和鄭凱鋒等人[35][36]開展了大規(guī)模耐候鋼和高性能鋼腐蝕后疲勞性能試驗,研究了耐候鋼Q345CNH和高性能鋼HPS 70W在海洋環(huán)境中的腐蝕性能和腐蝕后的疲勞性能,結(jié)果表明,隨腐蝕時間增加,兩種鋼材均勻腐蝕量和坑蝕深度均有所增加,腐蝕試驗環(huán)境能用于模擬我國海洋環(huán)境(C3),兩種鋼材均具有良好的抗腐蝕性能;同時,兩種鋼材腐蝕后疲勞強度有一定程度下降,腐蝕時間越長疲勞強度下降量越大,腐蝕180周期的Q345CNH和HPS 70W疲勞強度分別為下降38.3%和35.7%。
隨著近年來我國耐候鋼橋數(shù)量的逐漸增加,中鐵二院在開展耐候鋼腐蝕特性和橋梁性能要求的研究基礎(chǔ)上,依托我國重點鐵路項目進行了典型耐候鋼橋設(shè)計研究,編撰發(fā)布了《鐵路無涂裝耐候鋼橋設(shè)計指南(Q/73020712- 6?22-2021)》[37]和《鐵路無涂裝耐候鋼橋維護技術(shù)指南(Q/73020712-6?23-2021)》[38],兩本規(guī)范將更有效地推動我國耐候鋼橋梁的建設(shè)。
2.3 高韌性橋梁耐候鋼焊接材料
與其它領(lǐng)域的應(yīng)用要求一樣,用于橋梁的耐候鋼材需要有與之匹配的焊接材料,以保證焊縫具有足夠的力學性能和疲勞強度。近年來,隨著耐候鋼在橋梁工程領(lǐng)域應(yīng)用潛力的不斷顯現(xiàn),高韌性耐候鋼焊接材料的研發(fā)取得一定成果,克服了以往依靠進口、成本高、生產(chǎn)工藝復雜、周期長和供需操作標準存在不匹配等問題[39]。李振華等人[40]研制開發(fā)的三類高韌性的橋梁耐候鋼焊接材料,包括HTJ-507 CrNiCu焊條、HTW-550GN氣體保護焊焊絲、HTM-550GN埋孤焊焊絲與HTF-101GN埋孤焊焊劑等,在保證力學和耐腐蝕性能滿足要求的前提下,滿足了焊縫對低溫沖擊韌性的要求;針對3類橋梁耐候鋼焊接材料,依據(jù)《鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼及不銹鋼焊接材料(TB/T2374-2008)》等標準進行工藝評定和周期浸潤腐蝕試驗,其力學性能、耐大氣腐蝕性能、-40℃低溫韌性等各項性能均合格,滿足Q345qENH和Q370qENH耐候橋梁鋼的要求,試驗表明,經(jīng)過100h浸潤腐蝕后仍具良好的耐腐蝕性能。
2.4 異形鋼板
異形鋼板在醫(yī)學、機械制造、建筑加固工程以及建筑施工輔助設(shè)施等領(lǐng)域都有著較為廣泛的應(yīng)用;隨著高新技術(shù)的發(fā)展,異形鋼板的切割和打磨工藝也逐漸向智能化發(fā)展[41]。我國早期建設(shè)的一些橋梁隨著近年來交通量的猛增,開始出現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)承載能力不足的問題,鋼板加固是常用的方法,但是橋梁加固部位往往是不規(guī)則的外形,因此,異形鋼板在橋梁加固方面的優(yōu)勢開始逐漸顯現(xiàn)。胡慶安[42]等研究提出用Π形鋼板加固橋梁方法,并利用ANSYS程序進行有限元數(shù)值模擬;結(jié)果表明在提高主梁剛度和強度方面,在同樣用鋼量條件下,Π形鋼板加固優(yōu)于粘貼鋼板加固,Π型板肋高度的增加可有效提高加固橋梁的剛度和強度,減少下?lián)?;在同樣用鋼量前提下,增加Π型板肋高度加固主梁比增加其板肋厚度效果更好?/section>

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高性能鋼橋面研究與應(yīng)用

3.1 焊后退火正交異性鋼橋面
鋼橋面構(gòu)造復雜,其頂板、縱肋、橫肋等部件間通過大量焊縫連接,焊接殘余應(yīng)力相對較大,同時鋼橋面直接承受車輛荷載的動力作用,所產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力幅也相對較大。焊接殘余應(yīng)力和荷載應(yīng)力疊加作用下,經(jīng)過一定時間服役后,鋼橋面經(jīng)常出現(xiàn)焊縫疲勞開裂。針對上述問題,國內(nèi)外學者已開展了大量的研究主要集中在以下兩個目標:第一,通過改進局部構(gòu)造和工藝以改善焊縫受力狀態(tài)、降低荷載應(yīng)力幅,其中以薄層UHPC組合橋面[43]、U肋雙面焊[44]、焊縫局部加強型厚邊U肋[45]、U肋內(nèi)隔板構(gòu)造[46]、增加縱肋開口寬度[47]、橫肋蘋果口孔型改進[48]等方面研究最具代表性;第二,通過減小甚至消除焊接殘余應(yīng)力以提高焊縫疲勞強度,其中包括超聲沖擊(Ultrasonic Impact, UI)[49]、高壓水錘(High-pressure Waterjet Peening, HP)[50]、焊后退火(Post-weld Heat Treatment, PWHT)[51]等方法。其中,焊后退火方法具有工藝成熟、加工設(shè)備要求較低等特點,大部分壓力容器和管道設(shè)備產(chǎn)品生產(chǎn)標準有此工藝要求。該工藝除降低焊接殘余應(yīng)力外,還改善焊接接頭及其熱影響區(qū)的晶格組織和性能,適當降低硬度,提高塑性和韌性,進一步釋放焊縫中的有害氣體,防止焊縫的氫脆和裂紋的產(chǎn)生,穩(wěn)定構(gòu)件幾何尺寸等。雖此前未見焊后退火鋼橋面應(yīng)用的相關(guān)報道;鋼橋面是否能夠和有必要進行焊后退火也有不同認知。初步研究表明,其經(jīng)濟性、便捷性、可操作性等方面具有一定的優(yōu)勢。作為探索性研究,鄭凱鋒等[52]近年來圍繞焊后退火鋼橋面的疲勞性能開展了初步研究,如圖14所示,涵蓋殘余應(yīng)力測試、足尺模型對比疲勞實驗和影響機制仿真分析等。其中,基于盲孔法和X射線衍射的殘余應(yīng)力測試表明,經(jīng)焊后退火處理,鋼橋面頂板與縱肋焊縫的焊接殘余應(yīng)力下降超過76%;足尺模型對比疲勞實驗表明,由于焊后退火減低焊接殘余應(yīng)力,頂板與縱肋焊縫的疲勞強度能夠提高23%以上。此外,基于斷裂力學的數(shù)值仿真表明,殘余應(yīng)力的減小可有效推遲疲勞裂紋萌生、降低裂紋擴展速率,從而提高焊縫疲勞強度。
圖14 焊后退火鋼橋面抗疲勞性能研究
基于上述研究成果,配合U肋內(nèi)隔板構(gòu)造,焊后退火工藝已應(yīng)用到合肥市宿松路改造工程的第7聯(lián)鋼箱梁橋中,如圖15所示。該橋為4×37m連續(xù)梁,橋面寬度25.5m,梁高1.6m,橋面為雙向2%坡度,邊梁懸臂寬1.5m,5箱單室,單箱底板寬2.5m,箱室間橫向間距2.5m,相鄰箱室間設(shè)置橫隔梁;箱梁頂板厚 16mm,底板厚標準段16mm,加厚段26mm,腹板厚14mm;頂板設(shè)置熱軋厚邊U肋,肋中心間距600mm,底板設(shè)置板肋,肋中心間距400mm。該橋成為首次應(yīng)用焊后退火鋼橋面的橋梁。
圖15 首次應(yīng)用焊后退火鋼橋面的合肥市宿松路節(jié)點改造工程鋼箱梁橋
3.2 鋼橋面焊縫疲勞開裂的無損檢測
正交異性鋼橋面具有輕質(zhì)高性能、適用性好、高度裝配化、施工便捷等突出技術(shù)優(yōu)勢,在全球范圍已有大量應(yīng)用;同時,鋼橋面長期以來存在焊縫疲勞開裂的頑疾,尤其是早期建成的大量鋼橋面。相關(guān)調(diào)研表明[53],國內(nèi)外2000年前建成的部分鋼橋面存在疲勞裂紋多發(fā)、早發(fā)的趨勢。因此,如何發(fā)現(xiàn)并有效評估在役鋼橋面的疲勞劣化問題已成為現(xiàn)有研究的重點、難點和熱點。國內(nèi)外部分研究人員已提出一系列疲勞裂紋的無損檢測方法,主要包括聲發(fā)射、數(shù)字圖像識別、自發(fā)漏磁檢測、紅外熱成像檢測等。王春生等[54]采用聲發(fā)射技術(shù),對隴海鐵路渭河橋、杭州灣大橋等開展疲勞裂紋檢測并持續(xù)監(jiān)測擴展過程;鮑躍全等[55]結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)與深度學習方法,實現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)表面疲勞裂紋的智能監(jiān)測;周建庭等[56]提出基于金屬自發(fā)漏磁信號的疲勞裂紋檢測方法,實現(xiàn)了有效的裂紋定位和擴展監(jiān)測。此外,溝上善昭等[57]采用熱成像技術(shù)的非接觸無損檢測尤具特色,圖16所示。從裂紋導致的局部溫差出發(fā),該方法可基于較簡易的紅外熱成像裝備,實現(xiàn)日照條件下焊縫開裂的高效、高精度檢測。
圖16 基于紅外線熱成像的焊縫非接觸探傷原理與實施
3.3 既有鋼橋面的SFRC粘合修復補強
除上述疲勞評估方法外,如何有效修復補強已開裂的在役鋼橋面也成為近期研究的熱點問題。野口博之[58]提出了一種基于粘合劑涂層和早強鋼纖維混凝土(SFRC)補強層在役鋼橋面的工藝措施,如圖17所示。相比于傳統(tǒng)組合鋼橋面中采用密布焊釘?shù)倪B接方式,該種工藝的特色在于通過高性能粘合劑涂層的應(yīng)用,有效避免額外焊釘焊接頂板帶來的成本消耗和損傷,能夠?qū)崿F(xiàn)在役鋼橋面的高效加固。相關(guān)模型疲勞實驗和數(shù)值分析表明,SFRC補強層和粘合劑涂層在交變荷載下?lián)p傷程度較小,能夠?qū)崿F(xiàn)既有鋼頂板與增設(shè)SFRC鋪裝層的長效可靠連接。同時,該類補強措施能夠有效提高鋼橋面局部剛度、改善焊縫局部受力狀態(tài),有效提高在役鋼橋面的疲勞性能。此外,村越潤等[59] 對含有預(yù)裂紋的SFRC鋼橋面開展一系列模型疲勞實驗,結(jié)果表明:SFRC補強層的增設(shè)能夠顯著提高有效疲勞裂紋臨界尺寸,進而有效抑制既有疲勞裂紋擴展;在不采用額外措施條件下,實現(xiàn)對在役已開裂鋼橋面的有效修復與補強。
圖17 既有鋼橋面的SFRC粘合修復補強方法與試驗
舘石和雄等[60]圍繞沖擊裂紋閉合修復方法(Impact Crack-closure Retrofit,ICR)在鋼橋面焊縫貫穿型裂紋修復中的應(yīng)用已開展了大量的試驗和數(shù)值模擬工作。相關(guān)結(jié)果表明,經(jīng)ICR處理后,焊縫附近殘余應(yīng)變由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài),如圖18所示,即引入殘余壓應(yīng)變以實現(xiàn)裂紋閉合。進一步的模型疲勞試驗研究表明,ICR處理可有效降低貫穿型裂紋在20 ~ 40 mm長度區(qū)間內(nèi)的擴展速率,進而延緩疲勞裂紋發(fā)展,實現(xiàn)對已開裂焊縫的有效補強。
圖18 沖擊閉合的裂紋修復

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鋼橋的安全耐久理念與方法研究

4.1 鋼橋的全壽命周期安全使用研究
全壽命周期思想萌生于20世紀60年代,首先運用于美國軍方軍用器材的采辦,之后被逐漸推廣到了民用領(lǐng)域。鑒于以往對基礎(chǔ)設(shè)施耐久性認識不足或重視不夠而引起許多經(jīng)濟損失,20世紀80年代開始,全壽命周期方法逐漸被運用到了該領(lǐng)域,人們開始研究建設(shè)項目的全壽命成本優(yōu)化問題[61-62]。在橋梁工程領(lǐng)域中,全壽命周期分析的目標在于提供一種全面的成本-效益方法,需要通過經(jīng)濟學方法將成本分配至橋梁設(shè)計、運營、檢測、養(yǎng)護、維護和改造等各個方面,旨在尋找滿足規(guī)定效益條件下最優(yōu)的成本分配方案,保證全壽命周期成本最低[63]。近年來,橋梁全壽命周期分析方面的研究已取得了顯著成果[64-68],學者們提出了多種橋梁全壽命周期成本分析框架,包含設(shè)計成本、施工成本、檢測成本、維護成本、改造成本、失效成本等多個方面;在確定橋梁全壽命周期成本的基礎(chǔ)上,又針對不同目標發(fā)展了多種橋梁全壽命周期成本的優(yōu)化設(shè)計方法。
在近兩年來,針對鋼橋的全壽命周期分析有如下典型進展??紤]到傳統(tǒng)碳素鋼的腐蝕會導致鋼橋承載力顯著降低,從而增加全壽命周期維護成本,Han等[69-70]提出了使用一種新型抗腐蝕鋼A709-50CR替換既有鋼橋構(gòu)件的方案,通過降低生命周期維護成本、降低失效風險雙目標優(yōu)化確定了鋼橋全壽命周期中,使用新型鋼替換的時間和具體的原構(gòu)件,顯著降低了鋼橋的全壽命周期成本。Mashhadi等[71]對比了通過剪力連接件加固既有橋梁和重建橋梁兩種方案的全壽命周期成本,指出通過對既有橋梁加固,可以使用更少的成本滿足日益增長的交通需求。Liu等[72]基于馬爾可夫方法研究了鋼橋面板鋪裝層的全壽命周期成本,發(fā)現(xiàn)累積等效單軸載荷與全壽命周期成本密切相關(guān),當累積等效單軸載荷大于1500萬次時,環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層的全壽命周期成本更低。Sacconi等[73-74]針對橋梁疲勞破壞提出了全壽命周期成本計算框架,通過評估橋梁在不同交通荷載下的疲勞極限狀態(tài),進而計算橋梁全壽命周期成本;該研究指出,在橋梁上安裝交通荷載監(jiān)測系統(tǒng)有利于橋梁損傷評估和減少全壽命周期成本。Mortagi和Ghosh[75]建立了考慮氣候變化對橋梁退化和地震易損性影響的全壽命周期成本分析方法,并針對典型連續(xù)梁鋼橋和混凝土橋驗證了考慮氣候變化的必要性。Lee[76]基于模型試驗和實地監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了高性能涂裝對鋼橋全壽命周期的影響,發(fā)現(xiàn)由熱噴底涂層、環(huán)氧中間涂層與氟化物樹脂面層構(gòu)成的涂裝耐久性最好,且高性能涂裝更有利于抵抗腐蝕和紫外線照射,有助于降低鋼橋全壽命周期成本。
Cheng和Frangopol[77]在土木工程專業(yè)學生和工程師中,就累計前景理論(Cumulative Prospect Theory,CPT)的要素展開調(diào)查,提出了適用于基礎(chǔ)設(shè)施失效的相反風險態(tài)度模型,并通過鋼橋?qū)嵗炞C了該模型對基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期管理的意義。Yang[78]基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)風險評估模型和深度強化學習,提出了一種可根據(jù)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)整體的貢獻,制定全壽命周期檢查和維護方案的風險自適應(yīng)全壽命周期管理方法,并使用該方法制定了一鋼橋的全壽命周期管理方案。研究表明,該方法能顯著減少鋼橋的全壽命周期成本,提高了易受疲勞影響的橋梁的全壽命周期管理水平。Kim等[79]基于疲勞裂紋擴展預(yù)測,提出了橋梁最優(yōu)檢查和維護方案,并通過一鐵路鋼橋進行了驗證。Han和Frangopol[80]就橋梁網(wǎng)絡(luò)的維護資源分配問題,提出了基于連接性和維護成本的橋梁網(wǎng)絡(luò)全壽命周期管理方法,并針對橋梁網(wǎng)絡(luò)特點考慮了網(wǎng)絡(luò)中各橋梁的相關(guān)性。Li等[81]分析了5種典型橋梁失效形式的經(jīng)時概率,并在此基礎(chǔ)上通過風險-成本優(yōu)化確定了橋梁的維護方案。Calvert等[82]通過引入多種缺陷指標模擬了橋梁退化過程中各類缺陷的相互作用,為針對不同缺陷的早期干預(yù)措施制定提供了依據(jù),有利于橋梁的全壽命周期管理。
通過上述研究可以看出,橋梁全壽命周期問題受到了廣泛關(guān)注,涉及成本分析,優(yōu)化理論和決策方法等多個方面。同時,隨著社會進步和理論發(fā)展,不斷有新的元素(如韌性[83],可持續(xù)性[84])加入其中。這些研究成果為橋梁和橋梁網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與管理提供了有益參考。
由于大跨鋼橋具有跨度大、結(jié)構(gòu)細長等特點,它在運營階段對車輛、風、浪和沖刷等荷載都較為敏感[85]。研究表明,運營荷載的持續(xù)作用可能會引起鋼結(jié)構(gòu)橋梁劣化,使得結(jié)構(gòu)截面被削弱、剛度和強度降低、穩(wěn)定性和抗疲勞性能變差,并會進一步導致結(jié)構(gòu)損壞或橋上行駛車輛安全性和舒適性問題[86]。除運營荷載外,自然環(huán)境惡劣地區(qū)的大跨鋼結(jié)構(gòu)橋梁還可能面臨著地震、臺風、地質(zhì)災(zāi)害和撞擊等極端荷載威脅。
4.2 大跨鋼橋的多荷載作用效應(yīng)研究
近年來,一些學者對運營荷載作用下的大跨鋼橋的動力響應(yīng)問題展開了研究。Zhu等[87]提出了渦激振動(VIV)下大跨度橋梁隨機交通流的一般平順性評價方法,該方法充分考慮了現(xiàn)實交通行為以及風、車輛(交通流)和橋梁之間的復雜相互作用。根據(jù)ISO 2631-1標準中基于整體振動總值(OVTV)推薦的標準,對VIV下通過橋梁的不同交通流中車輛的乘坐舒適性進行評估。此外,還研究了交通密度、交通比例和路面不平度對駕駛員乘坐舒適性的影響。Xiong等[88]在考慮實際交通行為和車輛慣性力的基礎(chǔ)上,提出了一種新的風-交通流-橋梁(WTB)相互作用模型,通過整合動力學理論、車輛性能和駕駛員反應(yīng),開發(fā)了旨在真實再現(xiàn)真實交通流的LAI-E交通仿真模型,用于預(yù)測橫風作用下大跨度橋梁和行駛車輛的動力性能。結(jié)果表明使用傳統(tǒng)的NaSch交通模型會導致在多風環(huán)境下顯著高估車輛的橫向響應(yīng),而LAI-E交通模型可以通過確保車輛加速/減速過程中的平穩(wěn)速度過渡來克服這一問題。此外,當車輛在緊急狀況下加速或減速時,由車輛慣性力引起的附加俯仰力矩會導致車輪垂直接觸力顯著增加。Xiong等[89]通過改變風-交通流-橋梁(WTB)系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù),包括交通密度、交通比例、車輛總重、路面粗糙度和風速,評估VIF對橋梁垂直振動的影響。此外,還進行了統(tǒng)計分析,以顯示交通流的隨機性如何影響相關(guān)的橋梁動態(tài)響應(yīng)。本研究對考慮VIF的風荷載和交通荷載作用下的橋梁豎向振動進行了全面的研究,可為實際設(shè)計提供參考。Bao等[90]基于風-車-橋(WVB)相互作用模型,評估了懸浮式單軌車-橋系統(tǒng)在湍流橫風作用下的動力性能和乘坐舒適性,提出了一種精確模擬作用在橋梁和移動車輛上的實際空氣動力的方法。結(jié)果表明,紊流側(cè)風對懸浮式單軌車-橋系統(tǒng)的動力性能有很大影響;當車輛在強湍流橫風下通過橋梁時,乘客可能會感到不適。Fang等[91]研究了非平穩(wěn)風浪對基于風浪橋(WWB)系統(tǒng)的斜拉橋隨機響應(yīng)的影響。為提高計算效率,通過將環(huán)境參數(shù)與橋梁響應(yīng)相關(guān)聯(lián),建立了支持向量回歸(SVR)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPN)和高斯過程回歸(GPR)三種替代模型,并進一步研究了平均風速、有效波高和峰值波周期對橋梁響應(yīng)的影響。結(jié)果表明:靜止風場和波浪場的橋梁響應(yīng)比非靜止風場和波浪場的橋梁響應(yīng)大0.05%-16%;推薦了SVR、BPN和GPR模型分別用于預(yù)測塔架、基礎(chǔ)和梁的響應(yīng),靈敏度分析揭示了非平穩(wěn)風和波的影響。李巖等[92]建立了可模擬移動車輛勻速、制動和變速行駛激勵的車橋耦合振動分析模型,研究了基礎(chǔ)沖刷對不同行駛狀態(tài)車輛激勵下橋梁動力行為時域和頻域特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,受沖刷橋墩的局部振動模態(tài)頻率隨沖刷深度增加而明顯減小,未受沖刷橋墩的模態(tài)頻率無明顯變化;隨沖刷深度由1m增加至4m,多種行駛狀態(tài)車輛激勵下,橋梁墩頂?shù)目v向位移和加速度響應(yīng)峰值均顯著增大;沖刷敏感響應(yīng)的頻譜幅值顯著上升,中心頻率向低頻偏移。陳星宇等[93]以某三塔四跨公軌合建大跨度斜拉橋為背景,采用UM及ANSYS軟件建立磁浮列車、橋梁、懸浮控制器模型,分析了溫度變化和汽車荷載布置引起的附加變形對大跨度公路-磁浮合建橋及磁浮列車動力性能的影響。結(jié)果表明,溫度附加變形對橋梁及磁浮列車的動力響應(yīng)影響較小,汽車偏載作用對橋梁和磁浮車輛的橫向動力響應(yīng)影響較明顯,6車道對稱布載作用對磁浮列車的加速度和Sperling指標的影響不大,但懸浮間隙波動范圍增大了30%,汽車荷載對公軌合建橋梁車橋動力響應(yīng)的影響較大,需予以重點考慮。
4.3 大跨鋼橋拉索的多荷載作用疲勞研究
一些學者對鋼結(jié)構(gòu)橋梁在運營荷載下的損傷問題展開了研究。朱勁松等[94]基于車橋耦合模型研究了車輛載重、行車速度、橋面鋪裝惡化及未來交通量增長對結(jié)構(gòu)運營期內(nèi)疲勞損傷累積的影響?;诰植苛憾斡邢拊P痛_定了疲勞細節(jié)關(guān)注點和應(yīng)力集中系數(shù),利用P-M及CDM兩種評估模型對疲勞荷載模型Ⅲ、AASHTO規(guī)范標準疲勞車及河北省疲勞荷載譜三類疲勞車輛荷載作用下的疲勞損傷度及疲勞壽命進行了評估。結(jié)果表明,該類鋼-混組合梁懸索橋疲勞狀態(tài)評估最不利梁段為1/8跨處,易發(fā)生疲勞破壞的節(jié)點為靠近吊點位置的主梁頂板與腹板連接處。疲勞荷載模型Ⅲ與當?shù)仄诤奢d譜作用下的疲勞損傷量比較接近,AASHTO疲勞車作用下的損傷累積量明顯低于另外兩類。朱金等[95]基于風-浪-車-橋耦合振動數(shù)值模擬平臺,實現(xiàn)隨機車流、風、浪荷載聯(lián)合作用下的斜拉索應(yīng)力譜的計算分析。基于線性疲勞累積損傷理論推導了服役期內(nèi)斜拉索疲勞可靠度及疲勞壽命預(yù)測公式,以一座沿海大跨斜拉橋為例,運用二維Copula函數(shù)建立了橋址處風浪聯(lián)合概率模型,計算了拉索在隨機車流、風和波浪荷載聯(lián)合作用下關(guān)鍵拉索的疲勞壽命。結(jié)果表明:車輛荷載主要影響拉索的應(yīng)力響應(yīng)均值,風荷載主要影響拉索的應(yīng)力響應(yīng)的脈動部分,而波浪荷載對拉索的應(yīng)力響應(yīng)影響非常小。此外,在隨機車輛、風和波浪荷載共同作用下,拉索的日累積疲勞損傷符合威布爾分布,并且岸側(cè)拉索的中間索疲勞壽命最低,為121年。Liu等[96]在風-車-橋系統(tǒng)中考慮了改進的載荷模型,基于高斯混合模式(GMM)和期望最大化算法(EM)建立了四級交通載荷模型,提出了一種考慮流量增長的抽樣方法;利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)建立了平均風速模型,建立了一種考慮年內(nèi)風荷載和隨機交通荷載的時變腐蝕疲勞模型,并對服役懸索橋吊索的可靠性進行了評估。結(jié)果表明,在相對稀疏的交通流中,短吊桿的鋼絲容易發(fā)生腐蝕疲勞損傷,且每年增長的交通荷載比風荷載對疲勞損傷的影響更為顯著。短吊桿鋼絲的壽命和可靠性指標受交通荷載平均增長率影響大。Liu等[97]提出了一種風速和方向聯(lián)合概率密度模型,引入了一個角線性模型來協(xié)調(diào)風速和風向的邊緣分布,基于風-車-橋耦合系統(tǒng)的動態(tài)仿真,提出了一種考慮交通流變化以及風速和風向變化的疲勞壽命評估方法。結(jié)果表明,改進的角線性分布模型對風速和風向的測量數(shù)據(jù)得到了合理的擬合結(jié)果;雖然斜拉索的響應(yīng)和疲勞損傷主要取決于其長度和位置,但風荷載方向變化的影響也不容忽視。
4.4大跨鋼橋的極端荷載作用效應(yīng)研究
近幾年,國內(nèi)外大跨度鋼橋在極端荷載作用下的災(zāi)害事故多有發(fā)生,各種災(zāi)害事故研究也越來越受到關(guān)注。2018年12月7日,阿根廷薩爾塔省貝爾格拉諾(Belgrano)鐵路跨科羅拉多河鐵路橋垮塌,原因為洪水沖刷,如圖19所示。2020年7月26日,美國亞利桑那州鳳凰城坦佩市一貨運列車行駛至一座105年橋齡的一座9跨鋼桁架鐵路橋時脫軌并引發(fā)大火,當時火車正滿載木材和化學品,脫軌的撞擊事故導致受撞擊鋼橋一個整跨出現(xiàn)垮塌,引發(fā)10節(jié)車廂起火,橋面起火面積高于70%,如圖20所示。因此,在必要的情況下,鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計同樣也需要重視偶然荷載、極端荷載的作用等不利因素的影響。
圖19 阿根廷科羅拉多河鐵路橋倒塌
圖20 美國坦佩市鐵路橋脫軌并引發(fā)大火
還有一些學者對極端荷載作用下的大跨鋼橋的動力響應(yīng)和損傷問題展開了研究。王靜妤等[98]為研究地震和爆炸2種極端荷載聯(lián)合作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)及損傷規(guī)律,以ANSYS/LS-DYNA有限元軟件為分析平臺,提出了考慮地震、爆炸聯(lián)合作用的方法,建立了簡支梁橋在地震、爆炸聯(lián)合作用下的有限元模型。選取了El Centro地震波和250kg TNT炸藥分別作為地震和爆炸荷載施加于結(jié)構(gòu),分析了不同橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷和動力響應(yīng),總結(jié)了地震、爆炸聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)的損傷和失效類型。結(jié)果表明:地震、爆炸聯(lián)合作用于主梁時,主梁的縱向位移有所增加,可能導致落梁,需設(shè)限位裝置;地震、爆炸聯(lián)合作用于橋墩時,橋墩的損傷面積和損傷深度增大,墩底甚至被剪斷,失去承載能力;不同方向的地震、爆炸聯(lián)合作用下,橋墩最大損傷發(fā)生的時間和損傷程度不同。李鵬浩等[99]基于列車-軌道-橋梁動力相互作用理論,以流冰荷載作為外激勵,建立了高速車輛-軌道-橋梁-冰擊動力學分析模型。結(jié)果表明,冰排厚度、流冰撞擊速度和冰排抗壓強度是影響橋梁動力學響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù),流冰撞擊橋墩對車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)動力學響應(yīng)影響顯著,在冰擊荷載作用下主梁橫向位移和加速度增幅較大;車體橫向振動加速度、脫軌系數(shù)、輪軌橫向力和輪重減載率在流冰撞擊作用下增幅超過2倍,流冰撞擊對高速列車行車安全性和乘坐舒適性有較大影響。Ma等[100] 對臨時堆積壩產(chǎn)生的附加側(cè)向水壓力和橋梁沖刷過程進行了研究,為了確定施加在橋梁上的荷載效應(yīng),考慮大的木質(zhì)碎屑(LWD)作為附加側(cè)向液壓力、基礎(chǔ)沖刷和直接碎屑撞擊的組合的影響,提出了幾種碎片沖擊力模型,模擬了各種可能的基礎(chǔ)上由于碎屑堆積引起的沖刷深度,并將漂浮木屑產(chǎn)生的碰撞力引入車橋耦合系統(tǒng),計算并比較了考慮和不考慮碎片撞擊影響的動態(tài)放大系數(shù)(DAF)。研究發(fā)現(xiàn),由于碎片撞擊的影響,DAF最多增加20%。王亞偉等[101]建立了地震-風-車-橋耦合振動分析的數(shù)值模擬平臺,計算分析了風與地震聯(lián)合作用下橋梁和車輛的動力響應(yīng),并探究了地震動空間變異性對車橋動力響應(yīng)的影響。結(jié)果表明,地震動對車-橋系統(tǒng)動力響應(yīng)起控制作用;與地震-車-橋系統(tǒng)中的橋梁響應(yīng)相比,考慮風荷載會增加主梁跨中的橫向振動,但對主梁跨中的豎向振動會有抑制作用;與只考慮地震荷載作用的車橋響應(yīng)相比,同時考慮地震和平均風速為20m/s的脈動風荷載聯(lián)合作用下的主梁跨中橫向位移極值最大增大約40%;與僅考慮地震動行波效應(yīng)相比,考慮地震動空間變異性的車橋振動響應(yīng)不僅在波形上產(chǎn)生很大差異,而且響應(yīng)極值也發(fā)生了較大的變化。江輝等[102]以跨斷層的某高速鐵路八跨簡支梁橋為研究對象,基于OpenSEES平臺建立其考慮梁-軌相互作用的線橋體系非線性數(shù)值模型,分析了不同地震動強度下橋梁結(jié)構(gòu)及CRTSII型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的損傷特性,量化評定了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震安全性,并基于規(guī)范給出的軌道水平變形控制標準,評價了不同車速下線路的行車安全性,探討了軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。研究結(jié)果表明:斷層跨及其鄰跨的地震響應(yīng)最大,強震下面臨嚴峻的破壞風險;地震下軌道水平變形明顯,存在行車安全隱患的位置主要集中在斷層跨及其兩側(cè)鄰跨梁端;增加軌道側(cè)向擋塊數(shù)量可有效降低軌道水平變形。
由于大跨鋼結(jié)構(gòu)橋梁的服役周期長、個別橋址處環(huán)境惡劣,鋼橋運營期間可能會面臨不同災(zāi)害的威脅,日常環(huán)境荷載的長期持續(xù)作用和突然極端荷載作用將直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。因此,建立橋梁結(jié)構(gòu)在多災(zāi)害作用下的耦合振動模型,合理地評估大跨鋼結(jié)構(gòu)橋梁在多災(zāi)害作用下的動力性能具有重要意義。

團隊成員介紹

鄭凱鋒 教授,博士,博導
主要研究方向有復雜結(jié)構(gòu)鋼橋、大跨橋梁、橋梁精細計算與仿真分析計算等;入選“全國百千萬人才工程”、國務(wù)院特殊津貼專家;發(fā)表論文120余篇,入選“F5000中國精品科技期刊頂尖學術(shù)論文”,獲省部科技進步一等獎、中國鐵道學會優(yōu)秀論文一等獎、中國公路橋梁學會優(yōu)秀論文獎等,參編《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》等,擔任50多座大型、復雜橋梁工程的技術(shù)顧問和咨詢專家,英國南安普敦大學客座教授,考察60多個國家著名橋梁和復雜結(jié)構(gòu)橋梁。電郵13908038851@qq.com。
唐繼舜 教授,博士,碩導
主要從事鋼橋、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁和既有橋梁的評估方法與加固理論等教學科研工作,主編有鐵路特色專業(yè)教材《鐵路橋梁》,參編《鐵路工務(wù)》、《橋梁工程概論》、《大跨度橋梁與城市橋梁》、《大跨度懸索橋的設(shè)計與施工》、鐵道百科全書《工務(wù)與工程》卷、《東橋》、《汶川大地震工程震害分析》等
李俊 副教授,博士,碩導
主要從事鋼橋、橋梁養(yǎng)護教學科研工作,曾在美國University of Arizona作訪問學者,發(fā)表論文40余篇,完成重慶菜園壩長江大橋、重慶朝天門長江大橋、湛江海灣大橋、渝利線韓家沱長江大橋、宜萬線萬州長江大橋、內(nèi)六線宜賓岷江大橋、襄渝線嘉陵江大橋、成渝線龍馬河大橋等鋼橋疲勞、穩(wěn)定、振動、檢測、加固等科研項目。
葉華文 副教授,博士,碩導
西南交通大學和德國布倫瑞克工業(yè)大學聯(lián)合培養(yǎng)博士。注冊結(jié)構(gòu)師、注冊橋梁檢測師、四川省科技廳項目評審專家、成都鐵路局顧問專家。主要研究方向:大跨鋼橋疲勞及橋梁加固、高性能纖維材料工程應(yīng)用等方面。主持國家自然科學基金青年基金等項目,主研多項國家重點研發(fā)計劃、四川省重大研發(fā)項目、“863計劃”項目、鐵道部重大課題等20余項縱向項目,主持及參與港珠澳大橋、重慶菜園壩長江大橋、朝天門長江大橋、兩江大橋、東沙大橋、湛江海灣大橋、??谌缫鈲u跨海大橋等30余項橫向項目;發(fā)表文章50余篇。Journal of Bridge Engineering (ASCE)、Engineering Structures、Composite Structures、中國公路學報、西南交通大學學報、長安大學學報、中外公路、長沙理工大學學報等期刊的審稿人。
栗懷廣 講師,博士,碩導
主要從事鋼橋、新型橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論、可持續(xù)性橋梁工程綜合技術(shù)等的教學科研工作,曾在美國University of Connecticut作訪問學者。主持國家自然科學基金青年基金等項目,主研多項國家重點研發(fā)計劃、四川省重大研發(fā)項目、鐵道部重大課題等縱向項目與橫向項目。
朱金 助理研究員,博士
在美國University of Connecticut獲博士學位;主要從事大跨橋梁結(jié)構(gòu)動力學與鋼橋的腐蝕疲勞、深大峽谷區(qū)大跨纜索橋地震-風-車-橋耦合振動、極端海洋災(zāi)害聯(lián)合作用下跨海大橋耦合振動和疲勞損傷、以及人工智能技術(shù)在大跨橋梁結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)運用研究等;主持國家自然科學基金青年基金項目等5項縱向課題,以第一作者或通訊作者身份發(fā)表SCI/EI論文10余篇。電郵zhujin@home.swjtu.edu.cn。
衡俊霖 博士
西南交通大學和伯明翰大學聯(lián)合培養(yǎng)博士,美國土木工程學會(ASCE)會員;主要研究領(lǐng)域有鋼橋疲勞與鋼橋腐蝕疲勞、人工智能在橋梁工程中的應(yīng)用等。主研國家自然科學基金項目1項和其他項目12項,參編行業(yè)協(xié)會標準1項;已發(fā)表SCI、EI等收錄的學術(shù)論文15篇,其中以第一或通訊作者發(fā)表SCI論文7篇;獲歐盟地平線2020計劃瑪麗居里行動卓越獎。
張宇 博士
曾在中鐵科學研究院有限公司從事橋梁檢測、監(jiān)測和加固設(shè)計工作;目前主要從事鋼橋疲勞、腐蝕疲勞和耐候鋼橋梁等領(lǐng)域研究工作;主研國家自然科學基金1項和其他項目12項,發(fā)表研究論文12篇。
王亞偉 博士
從事全橋有限元仿真計算、橋梁多災(zāi)害動力分析、鋼結(jié)構(gòu)疲勞、正交異性鋼橋面疲勞性能研究等;主研國家自然科學基金項目2項和其他項目6項,發(fā)表5篇論文。
馮霄暘 博士生
從事全橋有限元仿真計算、鋼結(jié)構(gòu)疲勞、正交異性鋼橋面疲勞性能的研究;主研國家自然科學基金項目1項和其他項目6項;發(fā)表5篇論文,獲3項發(fā)明專利。
雷鳴 博士生
從事正交異性鋼橋面疲勞性能和高強鉚釘設(shè)計理論及其工程應(yīng)用、風-車-橋系統(tǒng)耦合振動響應(yīng)的研究;參與國家自然科學基金項目1項和其他項目3項;發(fā)表3篇EI和核心期刊論文。
胡博 博士生
主要從事大跨度橋梁全橋仿真計算、鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞、正交異性鋼橋面疲勞性能、腐蝕疲勞等的研究。
熊籽躒 博士生
主要研究領(lǐng)域有風-車流-橋系統(tǒng)、交通安全和人工智能在土木工程中的應(yīng)用等。發(fā)表期刊論文8篇,其中包括第一或通訊作者SCI論文3篇;授權(quán)發(fā)明專利和軟件著作各1項。

參考文獻

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